高性能合金材料，Science

      随着增材制造技术的迅速发展，特别是激光粉末床熔融技术的广泛应用，科学家们开始关注其中存在的微观结构问题。在传统的金属合金制造过程中，常见的粗柱状晶粒和异质分布相等问题在增材制造过程中变得更加显著。这些不均匀的微观结构直接影响了金属件的机械性能，因此成为了研究的焦点。激光粉末床熔融技术是一种通过逐层堆积金属粉末并利用激光熔化粉末以构建金属零件的先进制造技术。然而，在这个过程中，金属粉末的熔融和凝固过程容易形成非理想的微观结构，例如粗大的柱状晶粒和异质相的不均匀分布。这些微观结构缺陷会导致制造出的金属零件的性能不稳定，甚至可能出现强度不足或易碎等问题，因此迫切需要解决。

鉴于此，近日，第一作者Jingqi Zhang和Michael J. Bermingham澳大利亚昆士兰大学Matthew S. Dargusch教授为通讯作者联合在Science顶刊发题为“Ultrauniform, strong, and ductile 3D-printed titanium alloy through bifunctional alloy design.”的最新发现。研究人员展开了针对微观结构的设计策略。他们认识到添加特定的纳米粒子可能有助于调控凝固过程中的晶粒生长和相变行为，从而改善金属合金的微观结构。因此，针对激光粉末床熔融技术中存在的粗柱状晶粒和异质相等问题，研究人员开始探索添加纳米粒子的方法。通过在金属合金中添加钼（Mo）纳米粒子，研究人员希望实现晶粒细化和相变控制，从而提高金属零件的机械性能。他们通过对模型合金 Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr 的研究发现，添加钼纳米粒子确实能够促进晶粒的细化，并抑制不需要的相的形成，从而使得合金具有更加均匀的微观结构和优异的机械性能。

    为了应对激光粉末床熔融（L-PBF）制造中存在的晶粒结构和组成相不均匀的挑战，研究者选择了 Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr （Ti-5553）可变型 β 钛合金作为模型合金进行实验。在这项研究中，他们观察到 Ti-5553 合金中存在粗柱状 β 晶粒和异质分布的相的情况，这会导致 L-PBF 制造的产品具有高度不均匀、位置变化的拉伸特性。通过实验，研究者发现在 Ti-5553 粉末中添加少量（最多 5.0 wt %）的 β-异构体元素能够实现双重功能：首先，这些元素部分熔化，在凝固过程中形成细晶粒，从而防止了粗柱状晶粒的形成；其次，溶解的钼溶质稳定了β相，并抑制了固态热循环下等温ω相和α相的形成。因此，这种双功能添加剂的引入改变了合金的微观结构，不仅提高了机械性能的均匀性，还同时增强了强度和延展性。综合以上内容，这项研究表明了一种设计策略，通过控制激光粉末床熔融制造产品中的晶粒结构和组成相，有效地提升了合金的机械性能。通过添加双功能钼元素，实现了晶粒细化和相稳定，从而为实现均匀和增强的机械性能提供了一条有效途径。

图1. L-PBF制备Ti-5553的显微组织和力学性能。

       为了评估添加 Mo 对 Ti-5553 合金机械性能的影响，该研究通过机械混合的方法在 Ti-5553 中添加了 2.5 wt % 和 5.0 wt % 的 Mo，分别称为 Ti-5553+2.5Mo 和 Ti-5553+5Mo，并使用改进的钛合金 L-PBF 加工参数制备了添加和未添加 Mo 的 Ti-5553 零件。考虑到零件尺寸和大小对热历史的影响，进而影响机械性能，研究者采用了两种类型的零件几何形状（狗骨形和长方体形零件）来评估添加 Mo 对机械性能的影响。实验结果表明，与未添加 Mo 的 Ti-5553 相比，添加了 Mo 的 Ti-5553+5Mo 的机械性能更强、更均匀，具有更高的屈服强度和更好的拉伸延性。特别是，在狗骨形零件中，Ti-5553+5Mo 的机械性能表现出很高的一致性。通过与 Ti-5553 和化学成分偏差较小的类似合金（Ti-55531 和 Ti-55511）的对比，发现 Ti-5553+5Mo 具有更高和更各向同性的拉伸延性。另外，Ti-5553+5Mo 的屈服强度与 Ti-5553 相当，但延展性明显更高，且无需后续热处理即可获得优秀的强度和延展性平衡。综合以上结果，通过添加 Mo 元素，Ti-5553+5Mo 合金在 L-PBF 制造过程中表现出了优异的机械性能，无需后续热处理即可达到较高的强度和延展性平衡，从而在强度-延展性图谱中突出显示。

图2. L-PBF制备的Ti-5553和Ti-5553+5Mo的力学性能

        为了揭示添加 Mo 对晶粒结构的影响，该研究通过电子反向散射衍射 (EBSD) 对 Ti-5553 和添加 Mo 的 Ti-5553 进行了表征（见图3）。Ti-5553 的微观结构表现为沿扫描方向的相对较大的晶粒和沿构建方向的粗柱状β 晶粒，且具有强烈的结晶纹理。然而，添加 5.0 wt % Mo 后，Ti-5553+5Mo 的晶粒结构发生了显著变化。Ti-5553+5Mo 表现出沿扫描轨迹边缘形成大量细小的等轴晶粒和沿构建方向存在细小的等轴晶粒和狭窄的柱状晶粒。这些晶粒的分布呈现周期性，并且相比 Ti-5553，Ti-5553+5Mo 的柱状晶粒长度尺度由熔池尺寸决定，结晶纹理变得随机而微弱。针对 Ti-5553 和 Ti-5553+5Mo 的最顶层进行了进一步分析，结果显示 Ti-5553 的顶层呈现粗柱状晶粒，而 Ti-5553+5Mo 则以细小的等轴晶粒为主。通过扫描电子显微镜 (SEM) -- 后向散射电子 (BSE) 和能散射 X 射线光谱 (EDX) 分析发现，在 Ti-5553+5Mo 的等轴树枝状晶粒的中心存在富含钼的晶粒种子成核颗粒。这些结果表明，添加 Mo 可以显著改变 Ti-5553 合金的晶粒结构，形成细小的等轴晶粒和柱状晶粒，从而改善了合金的微观结构。综上所述，这项研究通过微观结构表征揭示了添加 Mo 对 Ti-5553 合金的晶粒结构产生的显著影响。

图3. Ti-5553 和 Ti-5553+5Mo 的显微组织。

       图4展示了探究富钼颗粒与钛基体之间的界面特性，利用SEM-EDX和透射电子显微镜(TEM)-EDX线扫描进行了表征。SEM-EDX分析显示，从钼颗粒到钛基体之间存在着浓度的渐变，而TEM-EDX线扫描也证实了这一现象。此外，高分辨率的TEM成像揭示了富钼颗粒与钛基体之间具有连贯的界面。SEM和TEM的观察结果表明，横跨钼粒子和钛基体的过渡区域在晶粒细化过程中起着重要作用。然而，由于这些表征是在经历了凝固和固态转变的样品上进行的，目前还不清楚界面上的过渡区是在熔池中形成的，还是凝固后固态扩散的结果。尽管如此，本研究使用了DICTRA（扩散控制转变）进行了扩散模拟，以帮助理解凝固过程中Mo粒子的溶解行为。虽然目前的实验技术无法完全解释界面的形成过程，但这些结果为深入理解Mo粒子在凝固过程中的行为提供了有价值的线索。

图4. Mo 颗粒与钛基体界面的 TEM 和 DICTRA 模拟。

      研究发现，除了细化晶粒结构外，钼的添加还改变了固态微观结构中的组成相。尽管一些较大的钼粉末形成了等轴晶粒，但许多添加的较小颗粒很可能完全溶解在熔池中，因此增加了 Ti-5553 合金中的总体钼溶质浓度，从而影响了相的稳定性和微观结构的演变。通过对 Ti-5553 零件构建方向的相分布进行观察，发现α相的分布从零件底部到顶部有明显的变化，X 射线衍射 (XRD) 进一步证实了α相的存在。在 TEM 选区电子衍射（SAED）图中，观察到了等温 ω 相的特征，与 Ti-5553 在 523 至 773 K 温度范围内进行热处理时等温 ω 相与 α 相共存的现象一致。差示扫描量热仪（DSC）测量结果也进一步证实了这些相在此温度范围内的形成。添加钼的效果通常是稳定 β 相，抑制 α 相的析出。当 Mo 的添加量达到 5.0 wt % 时，XRD 图谱中α相的强度降低。尽管可能存在其他相，但由于在 XRD 的灵敏度范围内无法检测到，且这些相对机械性能或均匀性的影响不明显，因此研究的重点集中在已检测到的变化上。在构建方向上，Ti-5553+5Mo 显示出凝固蜂窝状结构，与 Ti-5553 相反，不呈现针状 α 相的迹象。SEM-EDX显示晶胞结构的边界富含钛溶质，这在添加了 β-异构元素的合金中是一种常见现象。

图5. Ti-5553 和 Mo 掺杂 Ti-5553 的相分析。

文章的核心创新点是通过添加钼纳米粒子，实现了对激光粉末床熔融制造金属结构的精细控制，从而改善了合金的晶粒细化和相稳定化，提升了机械性能和均匀性。

       研究展示了通过精确控制合金成分和加工参数，可以实现对金属结构和性能的精细调控。针对激光粉末床熔融制造中晶粒粗化和相不均匀性等问题，研究者通过添加钼纳米粒子实现了晶粒细化和相稳定化，从而改善了合金的力学性能和均匀性。此研究不仅拓展了对金属材料制备过程的认识，也为定制金属结构提供了新的思路。科学家们可以进一步探索其他合金系统和添加元素的组合，以优化金属制造过程中的微观结构和性能，为各种应用领域提供更具竞争力的金属材料解决方案。