3D打印技术因其设计自由度高，在航空航天、汽车、生物医学和能源领域引领着金属零部件制造的新时代。目前，钛合金是航空工业中使用最多的 3D打印金属材料。
由上海理工大学、中科院金属所和澳大利亚蒙纳士大学增材制造中心、澳大利亚国立大学、澳大利亚迪肯大学以及美国俄亥俄州立大学展开全方位合作，利用 3D 打印技术大幅提升现有商用钛合金的强度，使其具有现有所有 3D 打印金属中最高的比强度。研究人员利用 3D 打印工艺独特的热循环和快速凝固特点，在材料中形成致密、稳定和多重内部孪晶的独特纳米沉淀微观组织结构，从而获得前所未有的机械性能。虽然现有工作已经证明在纯金属中实现高密度的纳米孪晶和纳米沉淀相可以获得异常高的强度和足够的延展性，但这种具有致密内部孪晶的纳米沉淀相在现有商用合金中的研究还是首次报道。因此，相关研究成果以题 “Ultrastrong Nano-twinned Titanium Alloys through Additive Manufacturing” 发表在Nature Materials上。蒙纳士大学的黄爱军教授、朱玉满高级研究员和上海理工大学王皞教授为共同通讯作者，共同第一作者为蒙纳士大学朱玉满高级研究员、张坤博士和中科院金属所的孟智超博士研究生，中科院金属所/上海科技大学的杨锐研究员和上海理工大学张恺副教授为共同作者。
在这项工作中，研究人员使用常用的激光粉床3D打印技术，制备了一种商业钛合金 (Beta-C）。对打印试样进行了两种不同温度的直接时效热处理。图 1a为拉伸应力应变曲线，显示经过 480°C和 520°C热处理的样品具有出人意料的高强度。经过 480°C热处理后，极限强度达到了 1611 MPa并保持了 5.4%的均匀伸长率。这种强度高于迄今为止报道的所有3D打印钛合金、钢、铝合金以及镍基高温合金，如图 1b所示。此外，这种合金的强度和延展性可以通过调整热处理方案来调控，从而满足特定应用需求。
图 1 |通过激光粉床3D打印以及后续热处理制备的商用 Beta-C钛合金的拉伸性能。
为了揭示这种激光粉床3D打印超高强钛合金特殊强化机制的根源，研究人员对热处理前后的打印样品进行了微观组织研究（图 2）。结果表明，成形态的微观结构为纯体心立方β以及高密度的螺位错组态。在此基础上进行热处理形成的显微组织（宽度在 10-50 nm尺度的纳米级α-沉淀物）与传统工艺制备的钛合金有很大不同，并抑制了晶界α相在热处理过程中的析出，如图2c所示。
图 2 |通过激光粉床3D打印以及后续热处理Beta-C钛合金的微观结构。
对这些纳米级α-沉淀相的进一步观察，发现了致密的三重孪晶亚结构。进一步实验分析，确定它们是{10-11}型孪晶。这些孪晶的存在会使得α-沉淀相具有更高的热稳定性。更重要的是，这些孪晶界面可以作为滑移面释放内应力并增加六方结构α沉淀相中的滑移系数量。此外，在{10-11}孪晶界面上还观察到周期性溶质偏聚，如图 3f所示。这种偏聚会对孪晶界产生钉扎效应，从而进一步增加其稳定性。
图 3 | 3D打印Beta-C合金经后续热处理 (480°C/6h)后微观结构中的纳米孪晶 α-沉淀物以及孪晶界原子偏聚。
分子动力学 (MD)模拟结果揭示了打印态位错组态对后续热处理过程中纳米孪晶α-析出的作用。通过对含有致密1/2 <111>螺位错的β-相基体施加三向拉应力来模拟打印态的微观应变结构，发现α-沉淀相沿着这些位错成核，如图4所示。这是因为位错核心周围的局部应变可以显著降低沉淀相成核所需的能垒。更重要的是，所有三个孪晶相关的 α变体都可以在不同的螺位错线位置单独形核。这些 α变体随着加热时间延长逐渐长大并形成多个多重孪晶变体结构。这一模拟结果与图 3中观察到的实验结果吻合。
图 4 |致密螺位错周围纳米孪晶沉淀的分子动力学模拟。
这项工作采用增材制造技术在材料组织中引入高密度纳米孪晶沉淀物，从而获得了超强钛合金。这种在商业钛合金中实现的独特微观组织和性能可能会产生实际的工业应用，并且为物理冶金领域的传统沉淀强化机理和位错工程带来新视角。
文章信息：Zhu, Y., Zhang, K., Meng, Z. et al. Ultrastrong nanotwinned titanium alloys through additive manufacturing. Nat. Mater. (2022). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01359-2