澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)（RMIT University）的研究人員與捷克Tescan集團(tuán)和美國北德克薩斯大學(xué)合作，開發(fā)出了專為增材制造（AM）設(shè)計的新型貝氏體鈦合金（Ti-Cu-Fe）。這一突破有望顯著提升通過增材制造技術(shù)生產(chǎn)的部件的質(zhì)量和性能，特別是在需要高強(qiáng)度材料的行業(yè)中。

增材制造用合金設(shè)計的進(jìn)步

發(fā)表在《材料與設(shè)計》（Materials & Design）上的這項研究，重點關(guān)注在Ti-Cu-Fe合金中利用成分過冷來抑制粗大柱狀晶粒的生長，這是增材制造鈦合金中的一個常見挑戰(zhàn)。這一過程促進(jìn)了精細(xì)等軸晶結(jié)構(gòu)的形成，這對于改善材料的機(jī)械性能至關(guān)重要。

研究人員使用了一種特定的增材制造技術(shù)——定向能量沉積（DED），成功地控制了凝固微觀結(jié)構(gòu)。該方法產(chǎn)生了以α相、Ti2Cu金屬間相和保留的β相基體為特征的貝氏體微觀結(jié)構(gòu)。這種微觀結(jié)構(gòu)對增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和耐久性極為有利，使其更適合于要求苛刻的應(yīng)用。

創(chuàng)新型貝氏體鈦合金用于增材制造

通過定向能量沉積（DED）生產(chǎn)的Ti-Cu-Fe合金的微觀結(jié)構(gòu)分析。圖a)和b)顯示的是Ti-2Cu-4Fe，其中紅色箭頭指示Ti2Cu顆粒。圖c)和d)展示的是Ti-4Cu-4Fe，而圖e)和f)則展示了Ti-6Cu-4Fe。最后，圖g)和h)顯示的是Ti-4Cu-6Fe。紅色方框標(biāo)出了在相鄰圖像中放大的區(qū)域。在這些微觀結(jié)構(gòu)中，最暗的顆粒/板條代表α相，灰色基體是β相，最亮的顆粒是Ti2Cu金屬間相。（圖片來源：《材料與設(shè)計》）

潛在應(yīng)用和未來研究

研究人員開發(fā)的Ti-Cu-Fe合金體系通過晶界工程和引入額外的形核點，有望進(jìn)一步提升機(jī)械性能。這一潛在的改進(jìn)可能導(dǎo)致生產(chǎn)出更強(qiáng)韌的部件。

這項研究的意義重大，特別是在航空航天、汽車和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，高性能材料至關(guān)重要。將低成本元素粉末與定向能量沉積等先進(jìn)制造技術(shù)相結(jié)合，也可能使這項技術(shù)更加普及和成本效益更高。

最后思考

總之，這些新型貝氏體鈦合金的開發(fā)是增材制造領(lǐng)域的一個重大進(jìn)步。通過解決增材制造部件微觀結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，這項研究為創(chuàng)造具有優(yōu)異機(jī)械性能的材料開辟了新的可能性。隨著增材制造領(lǐng)域的不斷發(fā)展，這樣的創(chuàng)新將在塑造其未來方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。