近日，重慶大學材料科學與工程學院黃曉旭教授團隊與澳大利亞昆士蘭大學張明星教授等研究團隊合作，在《Nature Communications》上發表題為“Designing against phase and property heterogeneities in additively manufactured titanium alloys”的研究成果，重慶大學為共同通訊單位，黃曉旭教授為共同通訊作者，材料學院侯自勇副教授為論文共同作者。

增材制造作為一種靈活高效的材料制備手段，為新型合金設計和產品開發提供了新機遇。然而，3D打印所經歷的超快速凝固、內稟熱循環等，容易導致材料內部出現組織及成分的差異，進而造成材料整體性能的不均勻。針對上述問題，人們常常通過調控打印參數或者添加細化劑，可以有效消除諸如缺陷和柱狀晶等，但對于打印過程中因熱循環而造成的相(組織)成分差異一直未能解決。

為此，研究團隊以典型鈦合金Ti-6Al-4V為研究對象，從合金設計角度出發，結合熱動力學計算，通過添加適量CP?Ti和Fe2O3，以稀釋擴散速率較慢的V、引入擴散速率較快的Fe，調控打印過程中相變發生的臨界條件和速度，打印材料在各階段均能獲得成分均勻的相(組織)，消除了性能不均勻性。此外，該研究以合金設計指導3D打印，拓展了3D打印制備性能均勻合金的廣度，為制備具有均勻性能的未知結構合金提供了新的解決思路和方案。

圖 1：Ti-6Al-4V 和通過激光功率床融合 (L-PBF) 制造的新開發合金 (25Ti-0.25O) 的顯微組織和拉伸性能比較。

圖 2：原料制備和表征。

圖 3：L-PBF 制造的新開發合金的機械性能。

圖 4：新開發合金的原子探針斷層掃描 (APT) 表征。

在這項工作中，研究團隊設計并制造了一系列鈦合金，這些鈦合金具有出色的拉伸性能，沒有明顯的機械不均勻性。已經表明，鈦合金中典型的和不希望的相不均勻性與增材制造固有的熱循環有關，可以通過合理的合金設計來消除。預計新開發的鈦合金可以成為需要具有均勻機械性能的鈦合金應用的候選材料。這需要對其他機械性能（如疲勞性能和抗蠕變性）和耐腐蝕性。此外，與以前主要關注晶粒細化（通過合金設計）和/或缺陷控制（通過工藝優化）的研究不同，工作表明，解決相異質性對于實現預期的目標同樣重要，甚至更重要。

注：本文內容來自重慶大學材料科學與工程學院。

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