日前，香港城市大學(xué)劉錦川院士團(tuán)隊(duì)針對(duì)增材制造過(guò)程中，鈦合金的“工藝-成分-組織-性能”的綜合設(shè)計(jì)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(xiàng)革命性技術(shù)。過(guò)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(lái)越多的專(zhuān)為增材制造技術(shù)設(shè)計(jì)的新合金。因此完全可以預(yù)見(jiàn)，增材制造技術(shù)和材料的進(jìn)步都迎來(lái)了爆發(fā)性發(fā)展的臨界點(diǎn)。

　　從材料的角度來(lái)看，增材制造最顯著的優(yōu)勢(shì)之一是近凈成形能力。因此，除了減少原材料浪費(fèi)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(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。例如，就材料成本而言，鈦在從礦石中提煉成金屬的過(guò)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(guò)程中，鈦合金比鋁合金則要貴15倍以上，更不用說(shuō)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(chǎng)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(shí)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(chǎng)景提供了絕佳機(jī)會(huì)。

　　除了成型上的自由度外，增材制造在合金設(shè)計(jì)和處理方面的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是其獨(dú)特的物理冶金過(guò)程。完全不同于傳統(tǒng)的制造過(guò)程，在增材制造期間，合金經(jīng)歷了復(fù)雜的物理過(guò)程和熱歷史。例如，強(qiáng)烈的液體對(duì)流和元素?cái)U(kuò)散會(huì)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(guò)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(huì)導(dǎo)致合金具有獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)。如此復(fù)雜的熱歷史為合金設(shè)計(jì)同時(shí)帶來(lái)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(jì)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(guò)程中的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)-熱力學(xué)過(guò)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(gè)關(guān)于先進(jìn)合金設(shè)計(jì)的全新視角。首先，本文系統(tǒng)地回顧了增材制造工藝對(duì)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(duì)復(fù)雜熱-動(dòng)力學(xué)條件下微觀組織演化過(guò)程和路徑的深刻認(rèn)識(shí)，我們總結(jié)現(xiàn)有的在不同尺度上設(shè)計(jì)具有獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu)的先進(jìn)鈦合金的成功范例。最后，我們對(duì)合金設(shè)計(jì)與增材制造技術(shù)之間的關(guān)系提出了新的觀點(diǎn)，并且預(yù)計(jì)這將成為未來(lái)合金與工藝協(xié)同發(fā)展的趨勢(shì)。

　　創(chuàng)新點(diǎn)

　　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(dòng)力學(xué)過(guò)程會(huì)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(huì)對(duì)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(duì)所需的特定微觀組織和加工工藝來(lái)設(shè)計(jì)加工參數(shù)。

　　同時(shí)，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(jì)。例如:

　　(1)通過(guò)添加具有高成分過(guò)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(lái)設(shè)計(jì)用于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的多孔結(jié)構(gòu)，實(shí)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(jí)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(guò)程中所蘊(yùn)含的獨(dú)特的物理過(guò)程在合金設(shè)計(jì)中同樣可以發(fā)揮意想不到的優(yōu)勢(shì)。一方面，增材制造可以被視為一種獨(dú)特的合金原位處理工藝。因此，制造過(guò)程中的快速冷卻和循環(huán)熱處理過(guò)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(guò)程中所固有的金屬粉末快速融化和凝固過(guò)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(dòng)的手段，從而形成多尺度的異構(gòu)組織，并實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化。因此，由于增材制造的熱環(huán)境、凝固過(guò)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(jì)和增材制造的獨(dú)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(jì)的角度，對(duì)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(duì)制造無(wú)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(diǎn)實(shí)際上有助于實(shí)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(jì)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(jì)方法。將合金成分組織設(shè)計(jì)與增材制造特點(diǎn)相結(jié)合，可以極大地促進(jìn)在3D打印時(shí)代設(shè)計(jì)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(jiǎn)介

　　劉錦川院士：現(xiàn)任香港城市大學(xué)杰出教授，美國(guó)工程院院士，中國(guó)工程院外籍院士，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家研究院資深院士，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室金屬與陶瓷部合金行為與設(shè)計(jì)組前組長(zhǎng)。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(jì)、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(kāi)創(chuàng)性的貢獻(xiàn), 是國(guó)際材料界具有重要影響的杰出科學(xué)家。先后榮獲美國(guó)能源部（US-DOE）能源技術(shù)重大影響?yīng)劊绹?guó)能源部勞倫斯獎(jiǎng)（美國(guó)總統(tǒng)獎(jiǎng)），中國(guó)政府友誼獎(jiǎng)以及中國(guó)國(guó)際科學(xué)技術(shù)合作獎(jiǎng)等重大獎(jiǎng)項(xiàng)。1995年被評(píng)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(guó)際科學(xué)資訊（ISI）評(píng)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(huì)員。近三十余年來(lái)，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(jì)與制造等尖端領(lǐng)域的科學(xué)研究，為中國(guó)科學(xué)家在相關(guān)課題與領(lǐng)域的研究迅速進(jìn)入國(guó)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?lái)從事先進(jìn)鈦基合金的成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并在材料計(jì)算模擬-實(shí)驗(yàn)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(jì)；金屬材料微觀組織演化和相變路徑的實(shí)驗(yàn)表征-相場(chǎng)動(dòng)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(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表十余篇研究論文，并申請(qǐng)2項(xiàng)相關(guān)專(zhuān)利和軟件著作權(quán)，同時(shí)先后擔(dān)任多個(gè)國(guó)際期刊與雜志的審稿人。