专栏 l 刘锦川院士团队《APM》综述：基于增材制造技术的先进钛合金设计
日前，香港城市大学刘锦川院士团队针对增材制造过程中，钛合金的“工艺-成分-组织-性能”的综合设计发表了综述论文。文章题目为：
'Design of titanium alloys by additive manufacturing: A criticalreview'
本期谷.专栏文章将对该论文的研究背景以及创新点进行介绍。
▲期刊：Advanced Powder Materials
Doi：10.1016/j.apmate.2021.11.001
....▲来源：Advanced Powder Materials
增材制造，也称为3D打印，是现代制造业中的一项革命性技术。过去十年间金属材料的增材制造技术取得了从快速原型制作、小规模生产到大规模工业化生产的蓬勃发展。几种众所周知的合金，如316L不锈钢、铝合金（AlSi10Mg）、钛合金（Ti-6Al-4V）等，也已成功用于生产致密、可靠的结构部件。此外，近期研究中出现了越来越多的专为增材制造技术设计的新合金。因此完全可以预见，增材制造技术和材料的进步都迎来了爆发性发展的临界点。
从材料的角度来看，增材制造最显着的优势之一是近净成形能力。因此，除了减少原材料浪费外，增材制造在制造钛合金或高温合金等难加工材料方面有着无可比拟的优势。例如，就材料成本而言，钛在从矿石中提炼成金属的过程中比铝贵约五倍。然而，在生产合金铸锭以及进一步将铸锭制造成板材、棒材的过程中，钛合金比铝合金则要贵15倍以上，更不用说钛合金昂贵的精密加工成本。因此钛合金由于成本高、可加工性差等原因，其应用场景往往被限制在少数高端制造领域。考虑到增材制造技术较高的成型自由度，实际上增材制造技术为降低这些难加工材料（如钛合金）的加工成本并拓宽其应用场景提供了绝佳机会。
除了成型上的自由度外，增材制造在合金设计和处理方面的另一个优势是其独特的物理冶金过程。完全不同于传统的制造过程，在增材制造期间，合金经历了复杂的物理过程和热历史。例如，强烈的液体对流和元素扩散会影响熔池内合金熔体的化学均匀性；陡峭的温度梯度和超高的冷却速度决定了金属在冷却过程中的凝固模式，从而影响构件的晶粒结构和性能；此外，快速冷却和快速热循环也会导致合金具有独特的微观结构。如此复杂的热历史为合金设计同时带来了挑战和机遇。
因此，刘锦川院士团队在综述论文中全面概述了增材制造技术在设计和制造钛合金中的的“工艺-成分-组织-性能”关系。从增材制造过程中的复杂动力学-热力学过程与钛合金成分和微观组织之间的相互作用出发，提出了一个关于先进合金设计的全新视角。
首先，论文系统地回顾了增材制造工艺对几种常用商业钛合金微观组织演变的影响。并总结了其中的微观组织-力学性能之间的关系。随后基于对复杂热-动力学条件下微观组织演化过程和路径的深刻认识，总结了现有的在不同尺度上设计具有独特微观结构的先进钛合金的成功范例。最后，对合金设计与增材制造技术之间的关系提出了新的观点，并且预计这将成为未来合金与工艺协同发展的趋势。
研究团队系统地研究了增材制造技术和合金成分之间的相互作用，即合金的显微组织和力学性能是由合金成分和增材制造工艺共同决定的。
一方面，增材制造中复杂的热-动力学过程会影响合金在不同尺度上的微观组织。
(1)熔池中陡峭的热梯度抑制了凝固界面前方的潜在形核能力，从而导致大多数打印态的钛合金具有粗大的柱状晶粒结构。
(2)增材制造中的高冷却速率在β钛合金中保留了大部分高温相（bcc相）或在(α+β)钛合金中诱发了马氏体转变。
(3)此外，基体散热不充分能够降低熔池的冷却速度，逐层制造的热循环也会对材料施加固有的循环热处理，导致亚稳定相的分解。因此，在合金制造和微观组织优化中，应针对所需的特定微观组织和加工工艺来设计加工参数。
同时，可以根据增材制造工艺的特征，进行先进钛合金的多尺度结构设计。
例如:
(1)通过添加具有高成分过冷能力的溶质元素，增材制造能够一步到位地在打印态的钛合金中产生超细的等轴晶粒。
(2)增材制造的成型自由度可以被充分利用来设计用于生物医学工程领域的多孔结构，实现大范围的力学性能调节。
(3)遵循“在正确位置打印正确材料”的概念，可以将多种材料集成到单一金属组件中，制造出具有定向成分梯度的层级结构或者多种材料共存的体系。
进一步地，增材制造过程中所蕴含的独特的物理过程在合金设计中同样可以发挥意想不到的优势。
一方面，增材制造可以被视为一种独特的合金原位处理工艺。因此，制造过程中的快速冷却和循环热处理过程可以有效地形成均匀、细小的微观组织。
另一方面，增材制造过程中所固有的金属粉末快速融化和凝固过程，以及超快的冷却速度，更为研究人员提供了这样一种有效调控成分波动的手段，从而形成多尺度的异构组织，并实现性能优化。因此，由于增材制造的热环境、凝固过程、相变机制等与传统的铸造或锻造工艺完全不同，只有综合考虑合金设计和增材制造的独特特性，才能协同推进新材料和加工技术的共同进步。
论文系统回顾了先进钛基合金增材制造的最新进展。基于合金选择和设计的角度，对增材制造工艺与合金成分之间的相互作用进行了仔细研究和讨论。
虽然增材制造技术对制造无缺陷、各向同性和均质的金属零件提出了巨大挑战，但增材制造工艺的非平衡特点实际上有助于实现一些前所未有的微观组织、相组成和成分结构等。
论文的目的是提出合金设计和工艺协同进步的新视角。与仅将增材制造视为生产近净成形部件的成形技术不同，研究团队将增材制造视为一种不可替代的材料处理和设计方法。将合金成分组织设计与增材制造特点相结合，可以极大地促进在3D打印时代设计具有可控微观结构和性能的先进结构材料。
Doi：10.1016/j.apmate.2021.11.001
l 作者 l
刘锦川院士
现任香港城市大学杰出教授，美国工程院院士，中国工程院外籍院士，美国橡树岭国家研究院资深院士，美国橡树岭国家实验室金属与陶瓷部合金行为与设计组前组长。
张天隆博士
现任职于香港高等研究院(HKIAS)。2015年获西安交通大学理学学士学位，2021年获香港城市大学哲学博士学位。
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