3D打印工業純鈦實現34.3%的極高塑性

增材制造中金屬和合金的晶粒細化一直吸引著人們的極大興趣，它促進了細等軸組織的形成并降低了熱開裂傾向，從而在打印態下即可得到均勻且改善的機械性能。通常，增材制造過程中的晶粒細化可以通過與材料或工藝相關的策略來實現。前者通常涉及添加成核顆粒或限制生長的溶質，這在輕金屬和合金的常規鑄造中已得到充分研究。晶粒細化手段已在鋁合金增材制造過程中得到應用。

鈦和鈦合金由于缺乏有效的成核劑，在增材制造工藝中實現晶粒細化*挑戰性。目前已經表明，通過添加具有高生長限制因子的溶質（例如硼、銅、鎢），可以改善增材制造的工業純鈦（CP-Ti）和Ti6Al4V的微觀結構，盡管有顯著的晶粒細化并因此提高了強度，但由于形成了脆性的金屬間化合物，因此犧牲了延展性。此外，大量添加外來元素或顆粒會導致與“標準”成分的顯著偏差，從而形成了新開發的鈦基合金或復合材料，而非微量改性合金。

通過調整增材制造過程中的外部和內部加工參數來控制晶粒度也是一種重要手段。研究表明，將高強度超聲應用于直接能量沉積（DED），可以將Ti6Al4V的柱狀晶轉變為等軸晶。然而這項技術不能擴展到粉末床熔融（PBF）工藝，因為超聲波會破壞粉末層。因此，調整工藝參數仍然是細化晶粒的常用方法。

通過SLM制備的Ti6Al4V可以通過原位或非原位熱處理來控制相組成，從而調整力學性能；SLM制備的CP-Ti在室溫下表現為單一的α/α’相，其力學性能在很大程度上取決于粒度。有文獻證明，SLM制備的CP-Ti的微觀結構通常是沿打印方向的柱狀晶粒，這導致了機械性能的各向異性；而EBM制造的CP-Ti的微觀結構由細等軸晶粒組成。那么能否通過調整SLM的打印參數實現CP-Ti的原位晶粒細化呢？

來自昆士蘭大學和丹麥技術大學的研究人員揭示了采用SLM制造CP-Ti實現原位晶粒細化的可能性及其潛在機理。制備的CP-Ti表現出34.3%的極高塑性，無明顯機械各向異性。這項工作證明了利用增材制造熱循環來細化金屬晶粒而不改變成分的可行性。

鈦合金經調質處理或淬火后，常出現高密度位錯，這與高冷卻速度有關。考慮到SLM高冷卻速率的制造特點，勢必也會形成大量位錯，但實際情況是沿打印方向的頂端常具有相對較高的位錯密度，而底部則由于不斷的熱循環加熱導致位錯逐漸湮滅，造成了一種打印過程中“固有熱處理”的效果。在本研究中，使用的較高的能量密度使已打印區的CP-Ti的溫度可以保持在再結晶退火的溫度范圍內，結果導致底部區域原位實現了顯著的晶粒強化。

同時可以看出，晶粒大小沿打印方向呈現梯度分布。當熱循環峰值溫度低于β-轉變溫度時，大循環重熔是一個“固有”退火過程，在此過程中發生再結晶，再結晶的驅動力來自晶粒內部位錯的儲能。因此，大的母晶逐漸被再結晶晶粒所消耗，導致微觀結構強化。

研究發現，較高的體積能量密度有利于晶粒細化。似乎存在一個臨界的體能量密度，只要在該能量密度上就可以進行完全的晶粒細化。SLM打印態的CP-Ti的屈服強度為502.2±1.7 MPa，延伸率極高，達到了34.3±0.5％。此外，在沿打印和掃描方向測試的樣品中均未發現各向異性。斷裂面在較高放大倍數下顯示出面積顯著減少和韌窩前移，這是典型的韌性斷裂。將文獻中可獲得的拉伸性能數據與當前工作進行了比較，SLM制造的CP-Ti具有很高的數據分散性，但大多數顯示出比其常規制造的同類產品（如鑄造和退火）的ASTM標準更高的屈服強度。

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