11月5日，上海科技大学创意与艺术学院智造系统工程中心（CASE）张振波课题组与中国科学院金属研究所马英杰课题组在增材制造领域期刊《增材制造》（Additive Manufacturing）发表了题为“Additive manufacturing of a new titanium alloy with tunable microstructure and isotropic properties”的研究论文。通过系统研究新型亚稳β钛合金在3D打印过程中微观组织演化和化学成分再分配规律，制备出了具有等轴晶、无织构、力学性能各向同性的高强高韧钛合金，为3D打印钛合金在重大装备领域的工程应用奠定基础。
相较于传统制造方法，增材制造工艺能够实现复杂零部件的一体化近净成型。但在增材制造过程中高温度梯度、高冷速和复杂的循环热历史等因素，导致增材制造的传统钛合金具有极强的织构和力学性能各向异性，是增材制造钛合金工业化应用面临的主要挑战之一。
智造系统工程中心增材制造实验室与中科院金属所马英杰课题组合作，针对新型富Fe的亚稳β钛合金（Ti-3Al-6Fe-6V-2Zr, Ti3662）的直接能量沉积（DED）工艺及组织调控和性能优化开展了系统研究。通过铁元素的加入极大促进了合金在DED过程中的成分过冷，有效抑制了柱状晶的生长和织构的形成，结合DED工艺优化首次制备出全等轴无织构的亚稳β钛合金。结合热处理制度调控，在保持力学性能各向同性的同时，获得了屈服强度~1200 MPa，延伸率不低于10%的高强高韧钛合金。
为了深入了解DED过程中的组织演化规律，研究人员通过沉积单道、双道、多道多层和块体样品研究了β相晶粒在热影响区中的粗化过程，发现热影响区的晶粒粗化是影响最终微观形貌的主要因素，通过调控层厚和热影响区深度的相对大小，分别得到了粗细晶粒周期分布的异构组织和均匀的等轴组织。此外，出现在熔池凝固末端的铁元素偏析，可在熔池搭接重熔过程中原位消除。结果表明，即使铁元素含量超出了常规合金设计经验中的范围，由于DED工艺固有的快速凝固、循环的热影响和重熔等特点，也可得到元素均一的微观组织。通过DED工艺制备Ti3662合金的成功经验表明设计适用于增材制造的合金成分、调控制备工艺是制备力学性能各向同性合金的可行方法。目前，研究团队已围绕增材制造亚稳β钛合金，在相变、微观变形和强韧化机制等研究方向开展了多项研究，结合多尺度的表征手段，进一步探索优化增材制造亚稳β钛合金性能的方法。
上海科技大学为该论文的第一完成单位，智造系统工程中心2022级博士研究生常家强为文章第一作者，上海科技大学张振波教授和中国科学院金属研究所马英杰研究员为论文的共同通讯作者，智造系统工程中心杨锐教授、武颖娜研究员、翟梓融研究员也参与并指导了本项研究工作。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104546
图1：（a）3D打印Ti3662合金获得的无织构、等轴晶组织（b）激光能量密度对单道和块体样品中晶粒尺寸的影响
图2：3D打印Ti662合金力学性能
图3：Ti3662合金制备全流程过程中元素均一化原理示意图
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