84岁院士,再发Science!深耕超级合金关键难题!
纳米人 2021-10-24

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通常而言,金属材料中的成分不均匀性往往被看做材料内部的重大缺陷,是研究人员一直所努力避免的。然而,材料的成分不均匀性却很少被积极地利用起来作为有效的合金设计方法。一方面,这是由于人们对成分不均匀性的积极作用缺乏足够的认识;另一方面,也是因为传统的铸造、锻造等方法往往无法对材料内部的成分波动实现人为有效的调控。

 

3D打印,也称为增材制造,往往被看做是一种单纯的直接成型技术。然而很少有人会想到,3D打印过程中所蕴含的独特的物理过程在合金设计中同样可以发挥意想不到的优势。

 

成果简介:

近日,来自香港城市大学的张天隆博士在国际著名材料科学家刘锦川院士的指导下,创造性地提出了一种违反直觉的3D打印策略,即通过精心调控熔池中不同粉末的混合程度,设计出一种前所未见的微米级成分梯度结构,从而形成熔岩状组织并由此带来优异的力学性能。

 

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图1 微米尺度成分梯度结构和由此产生的熔岩状微观结构。

 

增材制造过程中所固有的金属粉末快速融化和凝固过程,以及超快的冷却速度,为研究人员提供了这样一种有效调控成分波动的手段。基于这种全新的思路,研究人员尝试在3D打印过程中采用两种常见合金粉末(Ti64和316L不锈钢)进行混合打印。通过精心选择的粉末种类,以及特殊的打印参数,在Ti-6Al-4V基础合金中,成功实现了以Fe元素为主的微米级成分梯度。

 

研究表明,打印完成状态的合金并不是两种原始合金的简单混合,也即合金中并不存在纯粹的Ti64合金或者316不锈钢区域。与此相反,在两种粉末的融化、混合过程中,所有合金元素都进行了有效的扩散和融合。不锈钢中的Fe、Cr、Ni、Mo等元素完全溶解在Ti64合金基体中,实现了原位合金化。更重要的是,经过特殊选择的打印参数可以有效控制Fe、Cr等元素的浓度梯度和空间分布。这是一种前所未有的成分梯度组织。

 

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图2 Ti64-x316L的微观组织和力学性能。其中Ti64-(4.5%)316L合金具有良好的强度-均匀延伸率组合。抗拉强度高达1.3 GPa的同时具有9%的均匀变形能力。

 

 

这种微米级成分梯度带来了三个有利影响:

1合金元素浓度在空间上的调制带来了相稳定性以及微观组织在空间上的调制,从而形成了α’马氏体和亚稳定β母相在三维空间中的周期性分布,并形成了熔岩状的独特微观组织。

2微米尺度上弥散且周期性分布的马氏体-亚稳态母相的特殊双相组织有效地提高了钛合金的力学性能。相比于传统增材制造钛合金而言,具有微米级成分梯度的钛合金一方面在拉伸过程中,亚稳定β相发生明显的应力诱发马氏体行为和相变诱导塑性,从而极大地改善了增材制造钛合金的均匀变形和加工硬化能力,均匀延伸率提高了一倍以上;另一方面,高度弥散分布的超细马氏体组织有效地维持了材料的高屈服强度(~1GPa),避免了传统TRIP钛合金低屈服强度情况的出现。

3Fe、Cr等元素的添加对于增材制造钛合金的晶粒细化起到了明显的作用。这些合金化元素可以有效提升钛合金凝固过程中的成分过冷能力,阻止了常规粗大柱状晶的形成。因此打印态的TI64-(4.5%)316L合金的晶粒尺寸只有约16微米,是目前所有增材制造钛合金中所能实现的最小晶粒尺寸之一,

 

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图3 Ti64-(4.5%)316L合金在拉伸过程中产生应力诱发马氏体,极大地提升了合金的加工硬化能力和均匀变性能力。

 

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图4 合金元素对材料成分过冷能力的影响。Ti64-(4.5%)316L合金的晶粒尺寸远远小于普通增材制造Ti64合金,有效防止了粗大柱状晶粒的产生。

 

小结

这项研究创造性地将成分调制的概念和3D打印结合起来,另辟蹊径地设计出具有微米级成分梯度结构的合金设计策略。本研究工作不仅将增材制造原位合金化中的成分不均匀性变废为宝,成功用来设计成分非均匀的高性能合金材料,更是极大地开拓了增材制造技术的想象空间,使得这项技术不仅仅被用作复杂构件的成型技术,更可以被开发为一种全新的合金设计和制造方法,从而有力地推动增材制造技术实现“材料-结构-性能”一体化智能设计的梦想。

 

作者简介:


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刘锦川院士:现任香港城市大学杰出教授,美国工程院院士,中国工程院外籍院士,美国橡树岭国家研究院资深院士,美国橡树岭国家实验室金属与陶瓷部合金行为与设计组前组长。刘锦川院士主要从事材料科学与工程和先进金属材料的研究工作,在金属间化合物、高熵合金、贵金属合金设计、大块金属玻璃材料、钛合金和增材制造等领域均做出了开创性的贡献, 是国际材料界具有重要影响的杰出科学家。先后荣获美国能源部(US-DOE)能源技术重大影响奖,美国能源部劳伦斯奖(美国总统奖),中国政府友谊奖以及中国国际科学技术合作奖等重大奖项。1995年被评为全球材料科学与冶金学术期刊被引用最多的前五位作者之一。2003年,被国际科学资讯(ISI)评为材料科学领域世界高引用科学家,并当选世界科技联席组织院士会员。近三十余年来,刘锦川院士一直致力于加强中美的学术交流与技术合作,特别是推进在高温结构材料、高熵合金、块状非晶及高性能钛合金设计与制造等尖端领域的科学研究,为中国科学家在相关课题与领域的研究迅速进入国际先进水平做出了突出贡献。


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张天隆博士:现任职于香港高等研究院(HKIAS)。2015年获西安交通大学理学学士学位,2021年获香港城市大学哲学博士学位。师从国际著名材料科学家刘锦川院士和王云志教授。张天隆博士近年来从事先进钛基合金的成分和结构设计,并在材料计算模拟-实验表征等交叉学科领域具有广泛的研究兴趣。主要研究方向包括基于增材制造(3D打印)的先进高性能合金设计;金属材料微观组织演化和相变路径的实验表征-相场动力学研究;以及亚稳态合金的力学响应和相变行为等。已在Science, Acta Materialia和Scripta Materialia等国际权威学术期刊上发表研究论文15篇以上,并申请2项相关专利和软件著作权,同时先后担任多个国际期刊与杂志的审稿人。

 

参考文献:

Tianlong Zhang et al. Insitu design of advanced titanium alloy with concentration modulations byadditive manufacturing. Science 2021, 374, 478-482.

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj3770




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