研究背景在金屬3D打印過程中，經常會出現粗大的柱狀晶粒和不均勻分布的相，導致機械性能不均勻甚至較差。研究涉及一種設計策略，可直接通過3D打印獲得高強且性能一致的鈦合金的方法。研究表明，在粉末金屬混合物中添加鉬（Mo）增強了相穩定性，并提高了3D打印合金的強度、延展性和拉伸性能的均勻性。Science同期評論文章指出，該方法有望應用于其他粉末混合物，并能夠定制具有增強性能的不同合金。

導致金屬3D打印合金性能不均勻的主要原因是：在逐層3D打印過程中，通常具有10³-10⁸K/s的高冷卻速率，在金屬粉末熔化的熔池邊緣和底部附近形成顯著的熱梯度。熱梯度引起沿著新熔化材料和下面固體材料之間的界面外延晶粒生長，晶粒朝熔池中心生長。多層打印過程中的加熱和部分重熔循環最終導致形成大的柱狀晶粒和不均勻分布的相，這兩者都是不希望出現的，因為它們可能導致各向異性和受損的機械性能降低。

各類金屬材料的強度-延展性

鈦合金是應用最廣泛的金屬3D打印材料之一。在環境溫度下的工程應用中，合適的鈦合金通常表現出10％-25％的拉伸伸長率，這反映了良好的材料可靠性。盡管更大的伸長率（延展性）有利于更容易成型，并且在某些應用中具有優先地位，但在該伸長率范圍內增加強度對于承受機械負載來說通常被優先選擇。在加工金屬材料的傳統和增材制造技術中，一直需要考慮強度和延展性之間的平衡。

提高強度和延展性的策略與限制

提高3D打印合金強度和延展性的策略有多種。其中包括優化合金設計、工藝控制、細晶界強化和晶粒微觀結構改性，還包括抑制不需要的（脆性）相、引入第二相以及進行后處理。目前，解決柱狀晶體和不良相問題的研究集中在原位摻入元素來改變微觀結構和相組成。這種方法還促進了等軸晶體的形成，即沿縱軸和橫軸晶粒尺寸大致相等的結構。原位合金化為克服強度和延展性之間的平衡為題提供了一條有前途的途徑，特別是在粉末床熔融和定向能量沉積等3D打印技術中。

研究人員對向3D打印合金中添加不同元素時的晶粒形態和機械性能進行了探索。例如，將納米陶瓷氫化鋯顆粒摻入不可打印的鋁合金中，得到可打印且無裂紋的材料，具有與鍛造材料相當的細化等軸晶微觀結構和拉伸性能。然而對于鈦合金，市售晶粒細化劑通常對晶粒結構的效果有限。鈦合金的細化機制，特別是3D打印凝固過程中的柱狀到等軸轉變已被廣泛研究，但效率限制仍然存在?？朔@一障礙的嘗試包括改變加工參數、高強度超聲應用、通過合金設計引入所需的異質結構、添加溶質作為異質成核位點的晶粒細化劑 ，以及具有高過冷能力的溶質的摻入。諸如β-共析穩定劑元素Cu、Fe、Cr、Co和Ni，這些元素限制了在鈦中的溶解度。

新研究帶來的重大突破研究人員此次沒有使用可能導致鈦合金中形成脆性金屬間共析體的β-共析穩定劑元素，而是選擇了來自β-同晶族的Mo [包括鈮 (Nb)、鉭 (Ta) 和釩 (V)] 用于Ti-5553（Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr）。原位合金化過程中，將鉬精確輸送到熔池中，在每層掃描期間充當晶體形成和細化的籽晶核。Mo添加劑促進了從大柱狀晶向細等軸和窄柱狀晶結構的轉變。Mo還可以穩定所需的β相并抑制熱循環過程中相異質性的形成。

Ti-5553鈦合金摻Mo表征

研究人員比較了Ti-5553+5Mo與在L-PBF狀態和打印后熱處理下生產的Ti-5553（以及 Ti-55531和 Ti55511）的屈服強度和斷裂伸長率。與制造狀態下的Ti-5553及其類似合金相比，Ti-5553+5Mo顯示出相當的屈服強度，但顯著提高了延展性。打印后熱處理通常用于平衡L-PBF生產的Ti-5553的機械性能。盡管在某些熱處理條件下可以實現高屈服強度（>1100 MPa），但延展性通常會大幅惡化，斷裂伸長率<10%，這限制了在安全關鍵型應用中的使用。例如，作為鈦工業中所謂主力的Ti6Al4V，建議使用的最小斷裂伸長率為10%。相比之下，無需下游熱處理，Ti-5553+5Mo材料L-PBF直接打印件就表現出優異的強度和延展性平衡，這使其在在類似合金中脫穎而出。最終，研究人員通過該策略制造了具有優秀性能均勻性的材料，屈服強度926MPa，斷裂伸長率26%。

L-PBF生產的Ti-5553的顯微組織和力學性能

L-PBF生產的Ti-5553和Ti-5553+5Mo的機械性能

相對于Ti-5553，Ti-5553+5Mo的機械性能異常均勻且機械性能得以提升。通過微焦點計算機斷層掃描 (micro-CT)發現，以評估零件質量，兩種材料均表現出非常高的密度，總孔體積分數分別為0.004024%和0.001589%。如此高的密度表明孔隙率不太可能導致Ti-5333高度分散的拉伸性能，并且也與Ti-5553+5Mo機械性能的高度一致性相符。為了揭示Mo添加對晶粒結構的影響，研究人對Ti-5553和Mo摻雜的Ti-5553進行了電子背散射衍射（EBSD）表征。Ti-5553的微觀結構由沿掃描方向相對較大的晶粒組成，表現出很強的晶體織構。在Ti-5553中添加5.0wt% Mo會導致晶粒結構和相關晶體結構發生顯著變化。許多細小的等軸晶粒（直徑約20μm）非常明顯，沿著Ti-5553+5Mo的掃描軌跡邊緣形成。相比之下，Ti-5553+5Mo的顯微組織的特征為沿構造方向細小的等軸晶和窄的柱狀晶。對微觀結構的仔細檢查揭示了細小柱狀晶粒的周期性分布。與Ti-5553中高度織構的柱狀晶跨越多層不同，Ti-5553+5Mo中柱狀晶的長度尺度由熔池尺寸決定，并且晶體織構變得隨機且弱?。

Ti-5553和Ti-5553+5Mo的顯微組織表征

Ti-5553和摻鉬Ti-5553的相分析

由Ti-55535制成的斷裂試樣的EBSD表征END

然而，研究人員在微觀結構中識別出了未溶解的鉬顆粒，并且它們的潛在影響尚不清楚。事實上，原位合金化策略中未溶解顆粒的隨機存在引起了與機械和腐蝕性能相關的擔憂。例如，原位合金添加顆粒的完全熔化可能需要更高的能量，并且過熱可能導致微觀結構改變和機械性能變差。此外，未溶解的Mo顆粒引起的動態疲勞和腐蝕性能尚不清楚。盡管打印后熱處理可以消除未溶解的顆粒，但它可能會改變微觀結構，從而可能影響機械性能。

總的來說，本篇Science研究提出的設計策略為探索不同的金屬粉末原料、不同的可打印合金系統、不同的3D打印技術以及先進的多材料打印開辟了一條途徑。它還能夠抑制柱狀晶粒的形成并防止不良相的不均勻性。這些問題是由于不同的熱分布而產生的，而熱分布受每種粉末的打印參數的影響。該策略還克服了打印狀態下的強度與延展性的平衡，最大限度減少了打印后處理的需要，這些優勢無疑將在3D打印領域引起研究熱潮。

3D打印新突破！2024年第二篇Science研究！最先出現在三帝科技股份有限公司。

　　北京隆源自動成型系統有限公司CTO、中國粉末冶金產業技術創新戰略聯盟3D打印專業委員會委員李子夫博士受邀在會中作了題為《3D打印增材數字化制造技術的發展現狀和趨勢》的專家報告。李博士在報告中指出，增材制造技術（3D打印）因其具有無需成型模具、立體成型非常復雜結構、提升產品結構優化和附加值、大幅度提高材料利用率、降低研發成本、加速產品入市、實現個性化和定制化設計與制造、柔性和“去中心”化制造等優勢特點，已成為助力國家制造業轉型升級發展的戰略需求。有數據顯示，2014年全球增材制造市場規模約為41億美元，比2013年同比增長35.2%，未來這一產業將持續保持高速增長，預計到2020年達到200多億美元。目前我國的增材制造市場規模約占全球的8-10%，并將保持高速發展，已成為全球增材制造產業增長最快的地區之一。

李子夫博士在會中作專家報告

 　　金屬3D打印是一項能夠直接立體制造高性能金屬功能件的高端增材制造技術，被美國、英國、德國等世界發達國家視為鞏固和提升本國高端制造業主導權的關鍵技術，并已從國家科技發展戰略層面進行規劃布局。高品質的金屬粉末材料是實現高性能產品打印的前提基礎，金屬增材制造技術的高速發展，既給金屬粉末冶金行業提出了新的課題，又帶來了新的機遇。李博士表示，目前金屬增材制造設備由國外高端產品壟斷，由于設備和材料存在適配性，從而形成了國外金屬粉末材料的供應壟斷。國外品牌金屬粉末價格昂貴，供應周期長，如果涉及敏感材料，還會受到國外出口限制。因而，實現增材制造金屬粉末的國產化勢在必行。

　　展望金屬增材制造的未來發展，李博士表示，在材料與工藝方面，需要提高材料的多樣性，開發具有成本優勢的國產化金屬粉末材料，加強增材制造技術與傳統材料成型技術的深度融合，建立整合粉末材料設計和制備、增材制造工藝優化、后續處理工藝優化的大數據庫等；在設備系統方面，將趨向于成型空間更大，增材制造過程監控系統更為智能，設備專用化，“金屬增材制造+”的智能制造模式等；應用方面，將趨向于功能件的直接制造、醫療和健康領域、汽車和航空航天等領域。

　　北京隆源自動成型系統有限公司為三帝打印科技有限公司控股子公司。成立于1994年，是北京市科委認定的高新技術企業、中關村高新技術企業和海淀區創新企業，于2002年通過了ISO9001國際質量體系認證。自1994年研制成功第一臺激光快速成型機始，便傾力開發選區激光粉末燒結（SLS）快速成型機，同時致力于快速原型的應用加工服務。作為我國最早研發、生產、銷售工業級增材數字化制造設備的企業，隆源成型已為航空航天、國防、汽車摩托車、醫療等領域400余家客戶提供了優質解決方案服務。（文/佳語）

2015年金屬粉末制備工藝技術專題研討會在京舉行最先出現在三帝科技股份有限公司。