增材制造(AM)，通過(guò)連續(xù)添加材料來(lái)創(chuàng)建數(shù)字化設(shè)計(jì)的零件。然而，由于增材制造金屬零件固有的熱循環(huán)特性，幾乎不可避免地會(huì)產(chǎn)生空間相關(guān)的相非均質(zhì)性和力學(xué)性能，這可能會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的失效。
在此，來(lái)自南京理工大學(xué)、重慶大學(xué)、澳大利亞昆士蘭大學(xué)等單位研究者，展示了一種協(xié)同合金設(shè)計(jì)方法，來(lái)克服激光粉末床熔合制造鈦合金的這一問(wèn)題。相關(guān)論文以題為“Designing against phase and property heterogeneities in additively manufactured titanium alloys”發(fā)表在Nature Communications上。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-32446-2
與傳統(tǒng)的金屬制造工藝(如鑄造和加工)不同，增材制造(AM)通過(guò)使用高能源(如激光、電子束或等離子弧)熔化原料(如粉末或電線)來(lái)一層一層地構(gòu)建數(shù)字設(shè)計(jì)的零件。增材制造進(jìn)程的這一獨(dú)特特性是一把雙刃劍。一方面，它提供了生產(chǎn)理想形狀、微結(jié)構(gòu)和性能的可能性，而這些是傳統(tǒng)制造方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。另一方面，增材制造過(guò)程中固有的陡直的熱梯度、高的冷卻速率以及復(fù)雜的熱歷史，通常會(huì)導(dǎo)致孔隙、元素偏析、柱狀晶粒和組織中不均勻的相分布——無(wú)論是在凝固過(guò)程中還是在隨后的固態(tài)相變過(guò)程中——這導(dǎo)致了構(gòu)建金屬部件不同位置的不均勻力學(xué)性能。通過(guò)控制工藝參數(shù)和/或合金成分，與孔隙、元素偏析和柱狀晶粒有關(guān)的問(wèn)題得到了有效解決。然而，由于在增材制造凝固后發(fā)生固相轉(zhuǎn)變的合金中幾乎不可避免地會(huì)出現(xiàn)相不均勻性，因此，獲得均勻的力學(xué)性能仍然是一個(gè)長(zhǎng)期的挑戰(zhàn)。這種現(xiàn)象，在具有復(fù)雜幾何形狀的增材制造金屬部件中更為明顯，這些部件包含對(duì)機(jī)械載荷響應(yīng)不同的區(qū)域，從而導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的服務(wù)故障。
Ti-6Al-4V合金是一種典型的在增材制造過(guò)程中，沿構(gòu)筑方向呈現(xiàn)相空間變化的合金。在增材制造過(guò)程中，如激光粉末層熔化(L-PBF)(圖1a)，Ti−6Al−4V在第一層凝固后，由于冷卻速度快，發(fā)生了固態(tài)β(體心立方組織)→α′(六邊形閉排組織)馬氏體轉(zhuǎn)變。隨著連續(xù)層的加入，最初形成的針狀α′馬氏體，在熱循環(huán)下分解為片層(α+β)組織(圖1a)。因此，L-PBF制備的Ti−6Al−4V的微觀組織沿構(gòu)建方向具有空間依賴性，在頂部表面形成針狀α′馬氏體，而在下部形成部分或完全穩(wěn)定的片層(α+β)組織。通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)(圖1b)和X射線衍射(XRD)也證實(shí)了這種梯度相分布。
