增材制造超高強納米孿晶鈦合金

由澳大利亞蒙納士大學(xué)、中科院金屬所、上海理工大學(xué)、澳大利亞國立大學(xué)、澳大利亞迪肯大學(xué)以及美國俄亥俄州立大學(xué)展開全方位合作，利用3D打印技術(shù)大幅提升現(xiàn)有商用鈦合金的強度，使其具有現(xiàn)有所有3D打印金屬中最高的比強度。研究人員利用3D打印工藝獨特的熱循環(huán)和快速凝固特點，在材料中形成致密、穩(wěn)定和多重內(nèi)部孿晶的獨特納米沉淀微觀組織結(jié)構(gòu)，從而獲得前所未有的機械性能。雖然現(xiàn)有工作已經(jīng)證明在純金屬中實現(xiàn)高密度的納米孿晶和納米沉淀相可以獲得異常高的強度和足夠的延展性，但這種具有致密內(nèi)部孿晶的納米沉淀相在現(xiàn)有商用合金中的研究還是首次報道。

近日，相關(guān)研究成果以Ultrastrong nanotwinnedtitanium alloys through additive manufacturing為題發(fā)表在Nature Materials上。

在該項工作中，研究人員使用常用的激光粉床3D打印技術(shù)，制備了一種商業(yè)鈦合金（Beta-C）。對打印試樣進行了兩種不同溫度的直接時效熱處理。拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線顯示經(jīng)過480 ℃和520 ℃熱處理的樣品具有出人意料的高強度。經(jīng)過480 ℃熱處理后，極限強度達(dá)到了1611 MPa并保持了5.4%的均勻伸長率。這種強度高于迄今為止報道的所有3D打印鈦合金、鋼、鋁合金以及鎳基高溫合金。此外，這種合金的強度和延展性可以通過調(diào)整熱處理方案來調(diào)控，從而滿足特定應(yīng)用需求。

為了揭示這種激光粉床3D打印超高強鈦合金的特殊強化機制的根源，研究人員對熱處理前后的打印樣品進行了細(xì)致的微觀組織研究。結(jié)果表明，成形態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)為純體心立方β以及高密度的螺位錯組態(tài)。在此基礎(chǔ)上進行熱處理形成的顯微組織（寬度在10~50 nm尺度的納米級α-沉淀物）與傳統(tǒng)工藝制備的鈦合金有很大不同，并抑制了晶界α相在熱處理過程中的析出。

該項工作采用增材制造技術(shù)在材料組織中引入高密度納米孿晶沉淀物，從而獲得了超高強鈦合金。這種在商業(yè)鈦合金中實現(xiàn)的獨特微觀組織和性能可能會產(chǎn)生實際的工業(yè)應(yīng)用。同時該項工作的研究結(jié)果也為物理冶金領(lǐng)域的傳統(tǒng)沉淀強化機理和位錯工程帶來新的視角。