通过纳米颗粒添加协同提升3D打印钛合金的强塑性

| 3DScienceValley · 2024/12/05

谷专栏

根据3D科学谷的技术洞察，在激光增材制造过程中，由于高温和快速凝固作用，以及熔池内的Marangoni流动，可以在金属基体中生成分布均匀的REO颗粒，如Y₂O₃，这种均匀分布可能有助于提高材料的整体性能。位错在钛合金中的存在和运动对材料的强度和塑性有重要影响，通过控制位错的密度和分布，可以优化钛合金的力学性能。

根据材料科学和技术，来自上海交通大学的研究通过在预合金化的Ti-4Al-4V（Ti44）粉末中添加微量的Y₂O₃纳米颗粒，用于激光粉末床熔融（LPBF）工艺，成功制造出兼具高强度与优异延展性的Ti44-Y₂O₃材料。

▲第一作者：刘英航
通讯单位：上海交通大学
DOI: 10.1016/j.jmst.2024.01.011

3D科学谷洞察

“Y₂O₃纳米颗粒在增材制造中的应用能够显著提高材料的力学性能，提高合金的强度和延展性，细化晶粒和影响微观结构。在某些材料中，Y₂O₃颗粒的掺杂还可以防止打印过程中裂纹的形成，并通过增加熔池的粘度来减少细胞和晶界处的溶质偏析。为高性能合金的制造提供了新的方法和思路。”

01 全文速览

增材制造（AM）钛合金的强度与塑性平衡一直是材料研究领域的重大挑战，传统LPBF工艺常导致强度提升的同时伴随延展性显著下降，限制了其在高性能领域的应用。本研究探讨了向预合金化Ti-4Al-4V（Ti44）粉末中添加微量Y₂O₃纳米颗粒的效果，与常用的热处理LPBF Ti64合金相比，Ti44-Y₂O₃材料展现出了更为优异的强度-塑性组合表现，突破了强度塑性无法同步提升的瓶颈。基于原位同步辐射X射线衍射及弹性-粘塑性自洽（EVPSC）建模分析了变形机制。本研究表明，LPBF是一种制造金属纳米颗粒复合材料的极佳方法。

02 研究背景

激光粉末床熔融（LPBF）作为一种先进的增材制造技术，因其在复杂结构金属构件制造中的独特优势，正逐步成为航空航天与医疗器械等高精尖领域的关键工艺。然而，尽管LPBF在精度和形状复杂性方面具备传统制造技术无法比拟的优势，如何在提升钛合金强度的同时兼顾延展性仍然是一个亟待解决的难题。传统的LPBF Ti64合金往往因延展性不足而受到限制。本研究针对这一挑战，探索了在预合金化Ti-4Al-4V（Ti44）粉末中添加微量Y₂O₃纳米颗粒的效果。

LPBF过程涉及快速凝固，导致粗大的初生β柱状晶粒形成，并伴随马氏体相变生成α’板条。这种结构降低了位错的移动性，导致材料在变形过程中过早断裂。以往的研究表明，通过在激光增材制造的钛及其合金中添加硼（B）、碳（C）或铜（Cu），可以细化初生β晶粒，从而提高材料的强度。然而，添加B、C或Cu可能导致在钛基体中原位生成脆性相（如TiB、TiC或Ti₂Cu），这些相可能在加载过程中引发早期开裂。一个更有希望的替代方案是使用稀土氧化物（REO），如Y₂O₃和La₂O₃。研究表明，在激光增材制造过程中，由于高温和快速凝固作用，以及熔池内的Marangoni流动，可以在金属基体中生成分布均匀的REO颗粒。然而迄今为止，尚未有研究探讨在LPBF钛合金中，微量Y₂O₃是否能够改变α’显微结构及其拉伸性能。

03 本文亮点

(1)Y₂O₃纳米颗粒与预合金化的Ti-4Al-4V (Ti44) 粉末混合用于LPBF

(2)LPBF Ti44–0.1Y₂O₃展现出优异的强度与延展性组合

(3)在β→α’相变过程中，Y₂O₃促进更多的变体产生

(4)Y₂O₃纳米颗粒引发了更多〈c + a〉位错的形成

(5)Y₂O₃纳米颗粒通过Orowan机制强化了材料

04 图文解析

图1 粉末混合结果。a）Y₂O₃纳米颗粒，b）混合后的Ti44粉末，c）b的EDS结果

图2 a）Ti44-Y₂O₃材料的拉伸性能以及b）与文献其他类似材料的对比

图3 Ti44-Y₂O₃等材料的显微组织分析

图4 纳米颗粒在金属基体中的形貌

图5 LPBF过程熔池的温度分析

图6 马氏体中的位错分析

图7 利用原位同步辐射X射线和EVPSC模拟滑移行为

05 总结与展望

本研究证明，纳米颗粒增强LPBF钛合金是制备兼具高强度与延展性的金属复合材料的有效途径，为未来高性能钛合金的设计提供了新的方向。

06 作者介绍

王乐耘，上海交通大学材料科学与工程学院教授、博导。清华大学本科，美国密歇根州立大学博士，曾就职于美国阿贡国家实验室、德国亥姆霍兹材料与海洋研究中心。主要研究方向包括轻金属材料、同步辐射表征、材料基因工程等。在Acta Materialia、Int J Plasticity等学术期刊上发表论文50余篇。入选教育部青年长江学者、上海市科技启明星、浦江人才计划、德国洪堡学者。主持国家自然科学基金、重点研发计划子课题等项目十余项。

07 引用本文

Yinghang Liu, Zhe Song, Yi Guo, Gaoming Zhu, Yunhao Fan, Huamiao Wang, Wentao Yan, Xiaoqin Zeng, Leyun Wang, Simultaneously enhancing strength and ductility of LPBF Ti alloy via trace Y₂O₃ nanoparticle addition, J. Mater. Sci. Technol. 191 (2024) 146-156.

来源
材料科学和技术 l

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