日前，香港城市大學(xué)劉錦川院士團(tuán)隊針對增材制造過程中，鈦合金的“工藝-成分-組織-性能”的綜合設(shè)計發(fā)表了綜述論文，文章題目：Design of titanium alloys by additive manufacturing: A critical review, doi:10.1016/j.apmate.2021.11.001。本文得到香港城市大學(xué)的資助。

　　研究背景

　　增材制造，也稱為3D打印，是現(xiàn)代制造業(yè)中的一項革命性技術(shù)。過去十年間金屬材料的增材制造技術(shù)取得了從快速原型制作、小規(guī)模生產(chǎn)到大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的蓬勃發(fā)展。幾種眾所周知的合金，如316L不銹鋼、鋁合金（AlSi10Mg）、鈦合金（Ti-6Al-4V）等，也已成功用于生產(chǎn)致密、可靠的結(jié)構(gòu)部件。此外，近期研究中出現(xiàn)了越來越多的專為增材制造技術(shù)設(shè)計的新合金。因此完全可以預(yù)見，增材制造技術(shù)和材料的進(jìn)步都迎來了爆發(fā)性發(fā)展的臨界點。

　　從材料的角度來看，增材制造最顯著的優(yōu)勢之一是近凈成形能力。因此，除了減少原材料浪費外，增材制造在制造鈦合金或高溫合金等難加工材料方面有著無可比擬的優(yōu)勢。例如，就材料成本而言，鈦在從礦石中提煉成金屬的過程中比鋁貴約五倍。然而，在生產(chǎn)合金鑄錠以及進(jìn)一步將鑄錠制造成板材、棒材的過程中，鈦合金比鋁合金則要貴15倍以上，更不用說鈦合金昂貴的精密加工成本。因此鈦合金由于成本高、可加工性差等原因，其應(yīng)用場景往往被限制在少數(shù)高端制造領(lǐng)域。考慮到增材制造技術(shù)較高的成型自由度，實際上增材制造技術(shù)為降低這些難加工材料（如鈦合金）的加工成本并拓寬其應(yīng)用場景提供了絕佳機(jī)會。

　　除了成型上的自由度外，增材制造在合金設(shè)計和處理方面的另一個優(yōu)勢是其獨特的物理冶金過程。完全不同于傳統(tǒng)的制造過程，在增材制造期間，合金經(jīng)歷了復(fù)雜的物理過程和熱歷史。例如，強(qiáng)烈的液體對流和元素擴(kuò)散會影響熔池內(nèi)合金熔體的化學(xué)均勻性；陡峭的溫度梯度和超高的冷卻速度決定了金屬在冷卻過程中的凝固模式，從而影響構(gòu)件的晶粒結(jié)構(gòu)和性能；此外，快速冷卻和快速熱循環(huán)也會導(dǎo)致合金具有獨特的微觀結(jié)構(gòu)。如此復(fù)雜的熱歷史為合金設(shè)計同時帶來了挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

　　因此，本文全面概述了增材制造技術(shù)在設(shè)計和制造鈦合金中的的“工藝-成分-組織-性能”關(guān)系。從增材制造過程中的復(fù)雜動力學(xué)-熱力學(xué)過程與鈦合金成分和微觀組織之間的相互作用出發(fā)，提出了一個關(guān)于先進(jìn)合金設(shè)計的全新視角。首先，本文系統(tǒng)地回顧了增材制造工藝對幾種常用商業(yè)鈦合金微觀組織演變的影響。并總結(jié)了其中的微觀組織-力學(xué)性能之間的關(guān)系。隨后基于對復(fù)雜熱-動力學(xué)條件下微觀組織演化過程和路徑的深刻認(rèn)識，我們總結(jié)現(xiàn)有的在不同尺度上設(shè)計具有獨特微觀結(jié)構(gòu)的先進(jìn)鈦合金的成功范例。最后，我們對合金設(shè)計與增材制造技術(shù)之間的關(guān)系提出了新的觀點，并且預(yù)計這將成為未來合金與工藝協(xié)同發(fā)展的趨勢。

　　創(chuàng)新點

　　系統(tǒng)地研究了增材制造技術(shù)和合金成分之間的相互作用，即合金的顯微組織和力學(xué)性能是由合金成分和增材制造工藝共同決定的。一方面，增材制造中復(fù)雜的熱-動力學(xué)過程會影響合金在不同尺度上的微觀組織。

　　(1)熔池中陡峭的熱梯度抑制了凝固界面前方的潛在形核能力，從而導(dǎo)致大多數(shù)打印態(tài)的鈦合金具有粗大的柱狀晶粒結(jié)構(gòu)。

　　(2)增材制造中的高冷卻速率在β鈦合金中保留了大部分高溫相（bcc相）或在(α+β)鈦合金中誘發(fā)了馬氏體轉(zhuǎn)變。

　　(3)此外，基體散熱不充分能夠降低熔池的冷卻速度，逐層制造的熱循環(huán)也會對材料施加固有的循環(huán)熱處理，導(dǎo)致亞穩(wěn)定相的分解。因此，在合金制造和微觀組織優(yōu)化中，應(yīng)針對所需的特定微觀組織和加工工藝來設(shè)計加工參數(shù)。

　　同時，我們可以根據(jù)增材制造工藝的特征，進(jìn)行先進(jìn)鈦合金的多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計。例如:

　　(1)通過添加具有高成分過冷能力的溶質(zhì)元素，增材制造能夠一步到位地在打印態(tài)的鈦合金中產(chǎn)生超細(xì)的等軸晶粒。

　　(2)增材制造的成型自由度可以被充分利用來設(shè)計用于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的多孔結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)大范圍的力學(xué)性能調(diào)節(jié)。

　　(3)遵循“在正確位置打印正確材料”的概念，可以將多種材料集成到單一金屬組件中，制造出具有定向成分梯度的層級結(jié)構(gòu)或者多種材料共存的體系。

　　進(jìn)一步地，增材制造過程中所蘊(yùn)含的獨特的物理過程在合金設(shè)計中同樣可以發(fā)揮意想不到的優(yōu)勢。一方面，增材制造可以被視為一種獨特的合金原位處理工藝。因此，制造過程中的快速冷卻和循環(huán)熱處理過程可以有效地形成均勻、細(xì)小的微觀組織。另一方面，增材制造過程中所固有的金屬粉末快速融化和凝固過程，以及超快的冷卻速度，更為研究人員提供了這樣一種有效調(diào)控成分波動的手段，從而形成多尺度的異構(gòu)組織，并實現(xiàn)性能優(yōu)化。因此，由于增材制造的熱環(huán)境、凝固過程、相變機(jī)制等與傳統(tǒng)的鑄造或鍛造工藝完全不同，只有綜合考慮合金設(shè)計和增材制造的獨特特性，才能協(xié)同推進(jìn)新材料和加工技術(shù)的共同進(jìn)步。

　　結(jié)論

　　本文系統(tǒng)回顧了先進(jìn)鈦基合金增材制造的最新進(jìn)展。基于合金選擇和設(shè)計的角度，對增材制造工藝與合金成分之間的相互作用進(jìn)行了仔細(xì)研究和討論。雖然增材制造技術(shù)對制造無缺陷、各向同性和均質(zhì)的金屬零件提出了巨大挑戰(zhàn)，但增材制造工藝的非平衡特點實際上有助于實現(xiàn)一些前所未有的微觀組織、相組成和成分結(jié)構(gòu)等。本文的目的是提出合金設(shè)計和工藝協(xié)同進(jìn)步的新視角。與僅將增材制造視為生產(chǎn)近凈成形部件的成形技術(shù)不同，我們將增材制造視為一種不可替代的材料處理和設(shè)計方法。將合金成分組織設(shè)計與增材制造特點相結(jié)合，可以極大地促進(jìn)在3D打印時代設(shè)計具有可控微觀結(jié)構(gòu)和性能的先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料。

　　作者簡介

　　劉錦川院士：現(xiàn)任香港城市大學(xué)杰出教授，美國工程院院士，中國工程院外籍院士，美國橡樹嶺國家研究院資深院士，美國橡樹嶺國家實驗室金屬與陶瓷部合金行為與設(shè)計組前組長。劉錦川院士主要從事材料科學(xué)與工程和先進(jìn)金屬材料的研究工作，在金屬間化合物、高熵合金、貴金屬合金設(shè)計、大塊金屬玻璃材料、鈦合金和增材制造等領(lǐng)域均做出了開創(chuàng)性的貢獻(xiàn), 是國際材料界具有重要影響的杰出科學(xué)家。先后榮獲美國能源部（US-DOE）能源技術(shù)重大影響?yīng)劊绹茉床縿趥愃躬劊绹偨y(tǒng)獎），中國政府友誼獎以及中國國際科學(xué)技術(shù)合作獎等重大獎項。1995年被評為全球材料科學(xué)與冶金學(xué)術(shù)期刊被引用最多的前五位作者之一。2003年，被國際科學(xué)資訊（ISI）評為材料科學(xué)領(lǐng)域世界高引用科學(xué)家，并當(dāng)選世界科技聯(lián)席組織院士會員。近三十余年來，劉錦川院士一直致力于加強(qiáng)中美的學(xué)術(shù)交流與技術(shù)合作，特別是推進(jìn)在高溫結(jié)構(gòu)材料、高熵合金、塊狀非晶及高性能鈦合金設(shè)計與制造等尖端領(lǐng)域的科學(xué)研究，為中國科學(xué)家在相關(guān)課題與領(lǐng)域的研究迅速進(jìn)入國際先進(jìn)水平做出了突出貢獻(xiàn)。

　　張?zhí)炻〔┦浚含F(xiàn)任職于香港高等研究院(HKIAS)。2015年獲西安交通大學(xué)理學(xué)學(xué)士學(xué)位，2021年獲香港城市大學(xué)哲學(xué)博士學(xué)位。張?zhí)炻〔┦拷陙韽氖孪冗M(jìn)鈦基合金的成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計，并在材料計算模擬-實驗表征等交叉學(xué)科領(lǐng)域具有廣泛的研究興趣。主要研究方向包括基于增材制造(3D打印)的先進(jìn)高性能合金設(shè)計；金屬材料微觀組織演化和相變路徑的實驗表征-相場動力學(xué)研究；以及亞穩(wěn)態(tài)合金的力學(xué)響應(yīng)和相變行為等。已在Science, Acta Materialia和scripta Materialia等國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表十余篇研究論文，并申請2項相關(guān)專利和軟件著作權(quán)，同時先后擔(dān)任多個國際期刊與雜志的審稿人。