近日，重庆大学材料科学与工程学院黄晓旭教授团队与澳大利亚昆士兰大学张明星教授等研究团队合作，在《Nature Communications》上发表题为“Designing against phase and property heterogeneities in additively manufactured titanium alloys”的研究成果，重庆大学为共同通讯单位，黄晓旭教授为共同通讯作者，材料学院侯自勇副教授为论文共同作者。

       增材制造作为一种灵活高效的材料制备手段，为新型合金设计和产品开发提供了新机遇。然而，3D打印所经历的超快速凝固、内禀热循环等，容易导致材料内部出现组织及成分的差异，进而造成材料整体性能的不均匀。针对上述问题，人们常常通过调控打印参数或者添加细化剂，可以有效消除诸如缺陷和柱状晶等，但对于打印过程中因热循环而造成的相(组织)成分差异一直未能解决。

       为此，研究团队以典型钛合金Ti-6Al-4V为研究对象，从合金设计角度出发，结合热动力学计算，通过添加适量CP−Ti和Fe2O3，以稀释扩散速率较慢的V、引入扩散速率较快的Fe，调控打印过程中相变发生的临界条件和速度，打印材料在各阶段均能获得成分均匀的相(组织)，消除了性能不均匀性。此外，该研究以合金设计指导3D打印，拓展了3D打印制备性能均匀合金的广度，为制备具有均匀性能的未知结构合金提供了新的解决思路和方案。

图 1：Ti-6Al-4V 和通过激光功率床融合 (L-PBF) 制造的新开发合金 (25Ti-0.25O) 的显微组织和拉伸性能比较。

图 2：原料制备和表征。

图 3：L-PBF 制造的新开发合金的机械性能。

图 4：新开发合金的原子探针断层扫描 (APT) 表征。

       在这项工作中，研究团队设计并制造了一系列钛合金，这些钛合金具有出色的拉伸性能，没有明显的机械不均匀性。已经表明，钛合金中典型的和不希望的相不均匀性与增材制造固有的热循环有关，可以通过合理的合金设计来消除。预计新开发的钛合金可以成为需要具有均匀机械性能的钛合金应用的候选材料。这需要对其他机械性能（如疲劳性能和抗蠕变性）和耐腐蚀性。此外，与以前主要关注晶粒细化（通过合金设计）和/或缺陷控制（通过工艺优化）的研究不同，工作表明，解决相异质性对于实现预期的目标同样重要，甚至更重要。