激光3D打印助力高强韧钛基构件制造 | Cell Press青促会述评

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物质科学

Physical science

作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

第二十六期专栏文章，由来自中国科学院深圳先进技术研究院医药所副研究员 中国科学院青年创新促进会会员 童丽萍，就 iScience中的论文发表述评。

随着科技的发展，“上九天揽月，下五洋捉鳖”早已不是人类遥不可及的幻想。天宫、嫦娥、神州、蛟龙号等各类飞行器、潜水器不断助力人类探索自然的脚步。然而飞行器或潜水器在运送或工作过程中的能量消耗问题一直是科技人员迫切想解决的难题：如何在极端环境中提供长期力学支撑的前提下，尽可能减少飞行器或潜水器的自重，进而提高燃料的使用效率？

飞行器或潜水器的主体结构均由金属组成，现有的主力材料包括：高强度钛合金、铝合金、钢等。传统工艺对金属强度的增强和延展性的增加是一个矛盾点，即强度增加需要牺牲金属的延展性。此外，传统金属冶炼方式常采用合金化、热处理、冷加工等工艺来增强金属材料的强度。发展至今，传统合成和加工方法在提高包括钛在内的金属性能方面已经达到了一定的极限。为此，如果需要获得兼顾强度和延展性的高强度新型合金材料，就需要从金属强化加工工艺和材料掺杂成分上提出革新性的方法。

激光增材制造（Laser-based　additive manufacturing，又称激光3D打印）技术，由于其高度非平衡物理冶金特性、超高的加热/冷却速率(10³-10⁸ K s^-1)，使该技术在非平衡纳米相和细晶结构的制备，并由此增强的机械性能获取中具有独特的价值；在高性能/多功能构件形性调控等方面展现出卓越的构建能力，可解决航空航天等领域发展过程中对材料、结构、工艺、性能及应用等提出的新挑战，因此吸引了全世界高端产业的广泛关注。

在金属材料增强组分的选择上，含碳的纳米材料，如一维碳纳米管（CNTs）或二维石墨烯由于其超凡的轻量、高强度等特性，成为钛金属增强改性的绝佳“搭档”。目前碳纳米管的全球产能已经超过每年几千吨，产能的保证为碳纳米管的大范围使用提供了保证。然而钛金属与碳纳米材料的“联姻”之路并非轻而易举，首先需要克服的是纳米材料易于团聚和难浸润对加工带来的挑战；此外，碳纳米材料具有极高的原子反应活性，在传统粉末冶金工艺中，长时间的高温处理极易导致CNTs或石墨烯中的碳与钛金属基体发生原位化学反应，生成碳化钛（TiC），故其典型的显微组织是CNTs或石墨烯与一部分原位生成的TiC并存，进而导致复合碳材料中微结构不均匀性增加，部分增强性能损失。

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为解决这一加工难题，南京航空航天大学的顾冬冬（Dongdong Gu）教授团队利用CNTs或石墨烯，通过选区激光熔化（selective laser melting，SLM)增材制造工艺调控CNTs与Ti基之间的原位化学反应，借助于激光增材制造的超高温、超快熔化/凝固速度等特征，使CNTs完全与Ti反应，变缺点为优点，以原位生成的纳米TiC增强相强化钛基体。文章的亮点是突破性地获得了弥散均匀分布的原位层片状纳米TiC，以及原位TiC与Ti基之间最大的共格排列，从而同时获得912MPa的高抗拉强度和16%的高延伸率(1.0 wt %CNTs)，与传统纯Ti相比，“强塑积”综合提高350%。

制备方法如下。首先，利用低能量球磨获得涂覆CNTs粉末（图1B）的纯钛颗粒（图1A），通过保持Ti颗粒的球形来确保粉末的流动性。表面CNTs粉末的厚度大概是几十nm（图1C-D）。通过SLM制备CNTs/Ti复合材料,并以优化的“岛型扫描”方法（图1E-F），将SLM加工部件的内应力降到最低。激光与粉末之间的光滑交融确保本技术可以制备大于200 mm形状复杂的整体涡轮部件 （图1H）。

▲图1  含 1.0 wt % CNTs的纯钛粉末的SLM 3D打印

EBSD、SEM与TEM结果表明，350 W激光可以制备均匀超细晶Ti组织和细小弥散均匀分布的层状增强相。SEAD结果表明，层状物为沿[001]方向排列的TiC晶体，说明SLM过程中，CNTs与Ti发生了原位反应，在界面上生成了TiC。不同激光强度处理结果比较，发现激光的能量对于增强相的形貌影响显著。同时，SLM导致Ti基体形成马氏体α’-Ti，导致严重晶格畸变并伴随大量的晶格应力，晶粒细化和高位错密度（图3），对位错运动产生阻碍从而强化基体。另一方面，TiC与Ti基体之间因为原位反应的缘故，界面为共格关系(图3C,F)可以最小程度减少裂纹的产生。基于以上特殊结构，激光打印Ti基复合材料和传统纯钛相比，表现出强度与延伸率同时增强的特性，平衡了传统加工过程中此两者难兼顾的难题 (图4)。

▲图2  不同能量激光打印Ti基复合材料的组织表征

▲图3 原位TiC增强相的生长机制与界面结构

▲图4  激光打印Ti基复合材料的力学性能

其主要强化机理在于增强相与形变孪晶对位错运动的阻碍作用：位错在TiC增强相上堆积（图5A）、在高位错密度区域形成的形变孪晶（图5B-C）以及在TiC增强相附近形成的形变孪晶均说明此作用过程。TiC增强相与形变孪晶的存在如同海边的防浪堤，通过本身不规则的形状分化、减轻海浪对陆地的冲刷，保证本体的稳固。

▲图5  拉伸试验过程中的激光打印Ti基复合材料的组织表征

论文摘要

从零到二维的纳米材料已经被加入到金属基体中以提高金属的强度。然而传统加工方法中，高体积分数的纳米材料很难均匀地分散到金属基体里，由此导致金属的延展性急剧降低。在本研究中，通过激光调控的3D打印，实现Ti粉末与少量碳纳米管(1.0 wt%)发生完全的化学反应，在Ti基体中原位形成大量致密均匀分散的纳米级层状TiC增强相(16.1 wt%)。此激光打印所得部件的抗拉强度达到912 MPa，同时断裂延伸率可达到16%，与传统钛相比，其强塑积综合提高350%。原位纳米TiC增强有利于超细等轴钛晶粒和冶金相干界面的形成，使TiC片晶与钛基体之间的晶格错配最小。我们希望本研究能通过激光调控重构，为扩大碳纳米管在承重钛基工程部件中的结构应用提供一种可行的方法和借鉴。

Zero- to two-dimensional nanomaterials have been incorporated into metal matrices to improve the strength of metals, but challengingly, high-volume-fraction nanomaterials are difficult to disperse uniformly in metal matrices, severely degrading the ductility of conventionally processed metals. Here, a considerably dense uniform dispersion of in situ formed nanoscale lamellar TiC reinforcement (16.1 wt %) in Ti matrix is achieved through laser-tailored 3D printing and complete reaction of Ti powder with a small amount (1.0 wt%) of carbon nanotubes (CNTs). An enhanced tensile strength of 912 MPa and an outstanding fracture elongation of 16% are simultaneously achieved for laser-printed components, showing a maximum350% improvement in ‘‘product of strength and elongation’’ compared with conventional Ti. In situ nanoscale TiC reinforcement favors the formation of ultrafine equiaxed Ti grains and metallurgically coherent interface with minimal lattice misfit between TiC lamellae and Ti matrix. Our approach hopefully provides a feasible way to broaden structural applications of CNTs in loadbearing Ti-based engineering components via laser-tailored reorganization with Ti.

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评述人简介

童丽萍

中国科学院深圳先进技术研究院医药所副研究员

中国科学院青年创新促进会会员

E-mail: [e-mail]

童丽萍，博士，中国科学院深圳先进技术研究院医药所副研究员，主要从事功能性生物医用材料（骨、血管植介入材料）的构建，以及材料调控组织再生机理研究。近年来，围绕外界物理因素协同组织工程支架调控骨组织再生开展了系列研究工作。2020年入选中国科学院青年创新促进会。

Liping Tong is an associate Professor in Institute of Biomedicine and Biotechnology, Shenzhen Institutes of Advanced Technology CAS. She mainly focuses on the construction of biomaterials, like the bone implants and vascular graft, and research on the mechanism of tissue regeneration regulated by materials.  Dr. Tong was selected as a member of Youth Innovation Promotion Association of CAS in 2020. 

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相关论文信息

原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊 iScience上，

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中国科学院青年创新促进会（Youth Innovation Promotion Association，Chinese Academy of Sciences）于2011年6月成立，是中科院对青年科技人才进行综合培养的创新举措，旨在通过有效组织和支持，团结、凝聚全院的青年科技工作者，拓宽学术视野，促进相互交流和学科交叉，提升科研活动组织能力，培养造就新一代学术技术带头人。

Youth Innovation Promotion Association (YIPA) was founded in 2011 by the Chinese Academy of Science (CAS). It aims to provide support for excellent young scientists by promoting their academic vision and interdisciplinary research. YIPA has currently more than 4000 members from 109 institutions and across multiple disciplines, including Life Sciences, Earth Science, Chemistry& Material, Mathematics & Physics, and Engineering. They are organized in 6 discipline branches and 13 local branches.

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