中国学者：3D打印工业纯钛实现34.3%的极高塑性

增材制造中金属和合金的晶粒细化一直吸引着人们的极大兴趣，它促进了细等轴组织的形成并降低了热开裂倾向，从而在打印态下即可得到均匀且改善的机械性能。通常，增材制造过程中的晶粒细化可以通过与材料或工艺相关的策略来实现。前者通常涉及添加成核颗粒或限制生长的溶质，这在轻金属和合金的常规铸造中已得到充分研究。在过去三年中，此类晶粒细化手段已在铝合金增材制造过程中得到应用。

钛和钛合金由于缺乏有效的成核剂，在增材制造工艺中实现晶粒细化极具挑战性。目前已经表明，通过添加具有高生长限制因子的溶质（例如硼、铜、钨），可以改善增材制造的工业纯钛（CP-Ti）和Ti6Al4V的微观结构，尽管有显著的晶粒细化并因此提高了强度，但由于形成了脆性的金属间化合物，因此牺牲了延展性。此外，大量添加外来元素或颗粒会导致与“标准”成分的显著偏差，从而形成了新开发的钛基合金或复合材料，而非微量改性合金。

不同Cu添加比例的钛合金机械性能

通过调整增材制造过程中的外部和内部加工参数来控制晶粒度也是一种重要手段。研究表明，将高强度超声应用于直接能量沉积（DED），可以将Ti6Al4V的柱状晶转变为等轴晶。然而这项技术不能扩展到粉末床熔融（PBF）工艺，因为超声波会破坏粉末层。因此，调整工艺参数仍然是细化晶粒的常用方法。

通过SLM制备的Ti6Al4V可以通过原位或非原位热处理来控制相组成，从而调整力学性能；SLM制备的CP-Ti在室温下表现为单一的α/α’相，其力学性能在很大程度上取决于粒度。有文献证明，SLM制备的CP-Ti的微观结构通常是沿打印方向的柱状晶粒，这导致了机械性能的各向异性；而EBM制造的CP-Ti的微观结构由细等轴晶粒组成。那么能否通过调整SLM的打印参数实现CP-Ti的原位晶粒细化呢？

近日，来自昆士兰大学和丹麦技术大学的研究人员揭示了采用SLM制造CP-Ti实现原位晶粒细化的可能性及其潜在机理。制备的CP-Ti表现出34.3%的极高塑性，无明显机械各向异性。这项工作证明了利用增材制造热循环来细化金属晶粒而不改变成分的可行性。

SLM过程中原位晶粒细化的示意图

钛合金经调质处理或淬火后，常出现高密度位错，这与高冷却速度有关。考虑到SLM高冷却速率的制造特点，势必也会形成大量位错，但实际情况是沿打印方向的顶端常具有相对较高的位错密度，而底部则由于不断的热循环加热导致位错逐渐湮灭，造成了一种打印过程中“固有热处理”的效果。在本研究中，使用的较高的能量密度使已打印区的CP-Ti的温度可以保持在再结晶退火的温度范围内，结果导致底部区域原位实现了显著的晶粒强化。

EBSD图对应于样品靠近顶部表面的顶部和下部区域：（a1）和（a2）IPF贴图（黑线表示错误对准角≥15°的边界），（b1）和（b2） KAM图，（c1）和（c2）GOS图（GOS值<1.5°的晶粒被视为重结晶晶粒）。 SLM对CP-Ti的多物理场模拟：（d1）ZX平面（平行于扫描方向）的温度轮廓和速度场，其中黑色轮廓线表示熔池边界，（d2）温度轮廓和速度场在 ZY平面（横向于激光束下方的扫描方向），以及（d3）SLM过程中计算域的3D视图。

同时可以看出，晶粒大小沿打印方向呈现梯度分布。当热循环峰值温度低于β-转变温度时，大循环重熔是一个“固有”退火过程，在此过程中发生再结晶，再结晶的驱动力来自晶粒内部位错的储能。因此，大的母晶逐渐被再结晶晶粒所消耗，导致微观结构强化。

（a）SLM以Ev = 69.4 J / mm3制作的CP-Ti的工程应力-应变曲线（沿构造方向和扫描方向进行测试），以及断层表面的SEM图像和（b）（b）通过不同制造工艺制造的CP-Ti的屈服强度与伸长率

研究发现，较高的体积能量密度有利于晶粒细化。似乎存在一个临界的体能量密度，只要在该能量密度上就可以进行完全的晶粒细化。SLM打印态的CP-Ti的屈服强度为502.2±1.7 MPa，延伸率极高，达到了34.3±0.5％。此外，在沿打印和扫描方向测试的样品中均未发现各向异性。断裂面在较高放大倍数下显示出面积显着减少和韧窝前移，这是典型的韧性断裂。将文献中可获得的拉伸性能数据与当前工作进行了比较，SLM制造的CP-Ti具有很高的数据分散性，但大多数显示出比其常规制造的同类产品（如铸造和退火）的ASTM标准更高的屈服强度。