3D打印，也稱為增材制造，往往被看做是一種單純的直接成型技術(shù)。然而很少有人會想到，3D打印過程中所蘊(yùn)含的獨(dú)特的物理過程在合金設(shè)計(jì)中同樣可以發(fā)揮意想不到的優(yōu)勢。 

在此，來自香港城市大學(xué)的張?zhí)炻〔┦吭趪H著名材料科學(xué)家劉錦川院士的指導(dǎo)下，創(chuàng)造性地提出了一種違反直覺的3D打印策略，即通過精心調(diào)控熔池中不同粉末的混合程度，設(shè)計(jì)出一種前所未見的微米級成分梯度結(jié)構(gòu)，從而形成熔巖狀組織并由此帶來優(yōu)異的力學(xué)性能。 

通常而言金屬材料中的成分不均勻性往往被看做材料內(nèi)部的重大缺陷，是研究人員一直所努力避免的。然而，材料的成分不均勻性卻很少被積極地利用起來作為有效的合金設(shè)計(jì)方法。一方面，這是由于人們對成分不均勻性的積極作用缺乏足夠的認(rèn)識；另一方面，也是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的鑄造、鍛造等方法往往無法對材料內(nèi)部的成分波動實(shí)現(xiàn)人為有效的調(diào)控。 

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，為研究人員提供了這樣一種有效調(diào)控成分波動的手段。基于這種全新的思路，研究人員嘗試在3D打印過程中采用兩種常見合金粉末（Ti64和316L不銹鋼）進(jìn)行混合打印。通過精心選擇的粉末種類，以及特殊的打印參數(shù)，在Ti-6Al-4V基礎(chǔ)合金中，成功實(shí)現(xiàn)了以Fe元素為主的微米級成分梯度。研究表明，打印完成狀態(tài)的合金并不是兩種原始合金的簡單混合，也即合金中并不存在純粹的Ti64合金或者316不銹鋼區(qū)域。與此相反，在兩種粉末的融化、混合過程中，所有合金元素都進(jìn)行了有效的擴(kuò)散和融合。不銹鋼中的Fe、Cr、Ni、Mo等元素完全溶解在Ti64合金基體中，實(shí)現(xiàn)了原位合金化。更重要的是，經(jīng)過特殊選擇的打印參數(shù)可以有效控制Fe、Cr等元素的濃度梯度和空間分布。這是一種前所未有的成分梯度組織。

這種微米級成分梯度帶來了三個有利影響。其一，合金元素濃度在空間上的調(diào)制帶來了相穩(wěn)定性以及微觀組織在空間上的調(diào)制，從而形成了α’馬氏體和亞穩(wěn)定β母相在三維空間中的周期性分布，并形成了熔巖狀的獨(dú)特微觀組織。其二，微米尺度上彌散且周期性分布的馬氏體-亞穩(wěn)態(tài)母相的特殊雙相組織有效地提高了鈦合金的力學(xué)性能。相比于傳統(tǒng)增材制造鈦合金而言，具有微米級成分梯度的鈦合金一方面在拉伸過程中，亞穩(wěn)定β相發(fā)生明顯的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體行為和相變誘導(dǎo)塑性，從而極大地改善了增材制造鈦合金的均勻變形和加工硬化能力，均勻延伸率提高了一倍以上；另一方面，高度彌散分布的超細(xì)馬氏體組織有效地維持了材料的高屈服強(qiáng)度（~1GPa），避免了傳統(tǒng)TRIP鈦合金低屈服強(qiáng)度情況的出現(xiàn)；其三，F(xiàn)e、Cr等元素的添加對于增材制造鈦合金的晶粒細(xì)化起到了明顯的作用。這些合金化元素可以有效提升鈦合金凝固過程中的成分過冷能力，阻止了常規(guī)粗大柱狀晶的形成。因此打印態(tài)的TI64-(4.5%)316L合金的晶粒尺寸只有約16微米，是目前所有增材制造鈦合金中所能實(shí)現(xiàn)的最小晶粒尺寸之一。

綜上所述，研究者創(chuàng)造性地將成分調(diào)制的概念和3D打印結(jié)合起來，另辟蹊徑地設(shè)計(jì)出具有微米級成分梯度結(jié)構(gòu)的合金設(shè)計(jì)策略。本研究工作不僅將增材制造原位合金化中的成分不均勻性變廢為寶，成功用來設(shè)計(jì)成分非均勻的高性能合金材料，更是極大地開拓了增材制造技術(shù)的想象空間，使得這項(xiàng)技術(shù)不僅僅被用作復(fù)雜構(gòu)件的成型技術(shù)，更可以被開發(fā)為一種全新的合金設(shè)計(jì)和制造方法，從而有力地推動增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)“材料-結(jié)構(gòu)-性能”一體化智能設(shè)計(jì)的夢想。

圖1 微米尺度成分梯度結(jié)構(gòu)和由此產(chǎn)生的熔巖狀微觀結(jié)構(gòu)

圖2 Ti64-x316L的微觀組織和力學(xué)性能 。其中Ti64-(4.5%)316L合金具有良好的強(qiáng)度-均勻延伸率組合，抗拉強(qiáng)度高達(dá)1.3 GPa的同時具有9%的均勻變形能力。

圖4 合金元素對材料成分過冷能力的影響。Ti64-(4.5%)316L合金的晶粒尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通增材制造Ti64合金，有效防止了粗大柱狀晶粒的產(chǎn)生。