11月5日，上海科技大學(xué)創(chuàng)意與藝術(shù)學(xué)院智造系統(tǒng)工程中心（CASE）張振波課題組與中國(guó)科學(xué)院金屬研究所馬英杰課題組在增材制造領(lǐng)域期刊《增材制造》（Additive Manufacturing）發(fā)表了題為“Additive manufacturing of a new titanium alloy with tunable microstructure and isotropic properties”的研究論文。通過(guò)系統(tǒng)研究新型亞穩(wěn)β鈦合金在3D打印過(guò)程中微觀(guān)組織演化和化學(xué)成分再分配規(guī)律，制備出了具有等軸晶、無(wú)織構(gòu)、力學(xué)性能各向同性的高強(qiáng)高韌鈦合金，為3D打印鈦合金在重大裝備領(lǐng)域的工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

相較于傳統(tǒng)制造方法，增材制造工藝能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜零部件的一體化近凈成型。但在增材制造過(guò)程中高溫度梯度、高冷速和復(fù)雜的循環(huán)熱歷史等因素，導(dǎo)致增材制造的傳統(tǒng)鈦合金具有極強(qiáng)的織構(gòu)和力學(xué)性能各向異性，是增材制造鈦合金工業(yè)化應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)之一。

智造系統(tǒng)工程中心增材制造實(shí)驗(yàn)室與中科院金屬所馬英杰課題組合作，針對(duì)新型富Fe的亞穩(wěn)β鈦合金（Ti-3Al-6Fe-6V-2Zr, Ti3662）的直接能量沉積（DED）工藝及組織調(diào)控和性能優(yōu)化開(kāi)展了系統(tǒng)研究。通過(guò)鐵元素的加入極大促進(jìn)了合金在DED過(guò)程中的成分過(guò)冷，有效抑制了柱狀晶的生長(zhǎng)和織構(gòu)的形成，結(jié)合DED工藝優(yōu)化首次制備出全等軸無(wú)織構(gòu)的亞穩(wěn)β鈦合金。結(jié)合熱處理制度調(diào)控，在保持力學(xué)性能各向同性的同時(shí)，獲得了屈服強(qiáng)度~1200 MPa，延伸率不低于10%的高強(qiáng)高韌鈦合金。

為了深入了解DED過(guò)程中的組織演化規(guī)律，研究人員通過(guò)沉積單道、雙道、多道多層和塊體樣品研究了β相晶粒在熱影響區(qū)中的粗化過(guò)程，發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)的晶粒粗化是影響最終微觀(guān)形貌的主要因素，通過(guò)調(diào)控層厚和熱影響區(qū)深度的相對(duì)大小，分別得到了粗細(xì)晶粒周期分布的異構(gòu)組織和均勻的等軸組織。此外，出現(xiàn)在熔池凝固末端的鐵元素偏析，可在熔池搭接重熔過(guò)程中原位消除。結(jié)果表明，即使鐵元素含量超出了常規(guī)合金設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)中的范圍，由于DED工藝固有的快速凝固、循環(huán)的熱影響和重熔等特點(diǎn)，也可得到元素均一的微觀(guān)組織。通過(guò)DED工藝制備Ti3662合金的成功經(jīng)驗(yàn)表明設(shè)計(jì)適用于增材制造的合金成分、調(diào)控制備工藝是制備力學(xué)性能各向同性合金的可行方法。目前，研究團(tuán)隊(duì)已圍繞增材制造亞穩(wěn)β鈦合金，在相變、微觀(guān)變形和強(qiáng)韌化機(jī)制等研究方向開(kāi)展了多項(xiàng)研究，結(jié)合多尺度的表征手段，進(jìn)一步探索優(yōu)化增材制造亞穩(wěn)β鈦合金性能的方法。

上?？萍即髮W(xué)為該論文的第一完成單位，智造系統(tǒng)工程中心2022級(jí)博士研究生常家強(qiáng)為文章第一作者，上?？萍即髮W(xué)張振波教授和中國(guó)科學(xué)院金屬研究所馬英杰研究員為論文的共同通訊作者，智造系統(tǒng)工程中心楊銳教授、武穎娜研究員、翟梓融研究員也參與并指導(dǎo)了本項(xiàng)研究工作。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104546

圖1：（a）3D打印Ti3662合金獲得的無(wú)織構(gòu)、等軸晶組織（b）激光能量密度對(duì)單道和塊體樣品中晶粒尺寸的影響

圖2：3D打印Ti662合金力學(xué)性能

圖3：Ti3662合金制備全流程過(guò)程中元素均一化原理示意圖