日前，香港城市大學劉錦川院士團隊針對增材制造過程中，鈦合金的“工藝-成分-組織-性能”的綜合設計發表了綜述論文，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的資助。

　　研究背景

　　增材制造，也稱為3D打印，是現代制造業中的一項革命性技術。過去十年間金屬材料的增材制造技術取得了從快速原型制作、小規模生產到大規模工業化生產的蓬勃發展。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，也已成功用于生產致密、可靠的結構部件。此外，近期研究中出現了越來越多的專為增材制造技術設計的新合金。因此完全可以預見，增材制造技術和材料的進步都迎來了爆發性發展的臨界點。

　　從材料的角度來看，增材制造最顯著的優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，在生產合金鑄錠以及進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，其應用場景往往被限制在少數高端制造領域。考慮到增材制造技術較高的成型自由度，實際上增材制造技術為降低這些難加工材料（如鈦合金）的加工成本并拓寬其應用場景提供了絕佳機會。

　　除了成型上的自由度外，增材制造在合金設計和處理方面的另一個優勢是其獨特的物理冶金過程。完全不同于傳統的制造過程，在增材制造期間，合金經歷了復雜的物理過程和熱歷史。例如，強烈的液體對流和元素擴散會影響熔池內合金熔體的化學均勻性；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，從而影響構件的晶粒結構和性能；此外，快速冷卻和快速熱循環也會導致合金具有獨特的微觀結構。如此復雜的熱歷史為合金設計同時帶來了挑戰和機遇。

　　因此，本文全面概述了增材制造技術在設計和制造鈦合金中的的“工藝-成分-組織-性能”關系。從增材制造過程中的復雜動力學-熱力學過程與鈦合金成分和微觀組織之間的相互作用出發，提出了一個關于先進合金設計的全新視角。首先，本文系統地回顧了增材制造工藝對幾種常用商業鈦合金微觀組織演變的影響。并總結了其中的微觀組織-力學性能之間的關系。隨后基于對復雜熱-動力學條件下微觀組織演化過程和路徑的深刻認識，我們總結現有的在不同尺度上設計具有獨特微觀結構的先進鈦合金的成功范例。最后，我們對合金設計與增材制造技術之間的關系提出了新的觀點，并且預計這將成為未來合金與工藝協同發展的趨勢。

　　創新點

　　系統地研究了增材制造技術和合金成分之間的相互作用，即合金的顯微組織和力學性能是由合金成分和增材制造工藝共同決定的。一方面，增材制造中復雜的熱-動力學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，從而導致大多數打印態的鈦合金具有粗大的柱狀晶粒結構。

　　(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)鈦合金中誘發了馬氏體轉變。

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

　　同時，我們可以根據增材制造工藝的特征，進行先進鈦合金的多尺度結構設計。例如:

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

　　(2)增材制造的成型自由度可以被充分利用來設計用于生物醫學工程領域的多孔結構，實現大范圍的力學性能調節。

　　(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構或者多種材料共存的體系。

　　進一步地，增材制造過程中所蘊含的獨特的物理過程在合金設計中同樣可以發揮意想不到的優勢。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熱處理過程可以有效地形成均勻、細小的微觀組織。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控成分波動的手段，從而形成多尺度的異構組織，并實現性能優化。因此，由于增材制造的熱環境、凝固過程、相變機制等與傳統的鑄造或鍛造工藝完全不同，只有綜合考慮合金設計和增材制造的獨特特性，才能協同推進新材料和加工技術的共同進步。

　　結論

　　本文系統回顧了先進鈦基合金增材制造的最新進展。基于合金選擇和設計的角度，對增材制造工藝與合金成分之間的相互作用進行了仔細研究和討論。雖然增材制造技術對制造無缺陷、各向同性和均質的金屬零件提出了巨大挑戰，但增材制造工藝的非平衡特點實際上有助于實現一些前所未有的微觀組織、相組成和成分結構等。本文的目的是提出合金設計和工藝協同進步的新視角。與僅將增材制造視為生產近凈成形部件的成形技術不同，我們將增材制造視為一種不可替代的材料處理和設計方法。將合金成分組織設計與增材制造特點相結合，可以極大地促進在3D打印時代設計具有可控微觀結構和性能的先進結構材料。

　　作者簡介

　　劉錦川院士：現任香港城市大學杰出教授，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計組前組長。劉錦川院士主要從事材料科學與工程和先進金屬材料的研究工作，在金屬間化合物、高熵合金、貴金屬合金設計、大塊金屬玻璃材料、鈦合金和增材制造等領域均做出了開創性的貢獻, 是國際材料界具有重要影響的杰出科學家。先后榮獲美國能源部（US-DOE）能源技術重大影響獎，美國能源部勞倫斯獎（美國總統獎），中國政府友誼獎以及中國國際科學技術合作獎等重大獎項。1995年被評為全球材料科學與冶金學術期刊被引用最多的前五位作者之一。2003年，被國際科學資訊（ISI）評為材料科學領域世界高引用科學家，并當選世界科技聯席組織院士會員。近三十余年來，劉錦川院士一直致力于加強中美的學術交流與技術合作，特別是推進在高溫結構材料、高熵合金、塊狀非晶及高性能鈦合金設計與制造等尖端領域的科學研究，為中國科學家在相關課題與領域的研究迅速進入國際先進水平做出了突出貢獻。

　　張天隆博士：現任職于香港高等研究院(HKIAS)。2015年獲西安交通大學理學學士學位，2021年獲香港城市大學哲學博士學位。張天隆博士近年來從事先進鈦基合金的成分和結構設計，并在材料計算模擬-實驗表征等交叉學科領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)的先進高性能合金設計；金屬材料微觀組織演化和相變路徑的實驗表征-相場動力學研究；以及亞穩態合金的力學響應和相變行為等。已在Science, Acta Materialia和scripta Materialia等國際權威學術期刊上發表十余篇研究論文，并申請2項相關專利和軟件著作權，同時先后擔任多個國際期刊與雜志的審稿人。