增材制造(AM)，通过连续添加材料来创建数字化设计的零件。然而，由于增材制造金属零件固有的热循环特性，几乎不可避免地会产生空间相关的相非均质性和力学性能，这可能会导致不可预测的失效。

在此，来自南京理工大学、重庆大学、澳大利亚昆士兰大学等单位研究者，展示了一种协同合金设计方法，来克服激光粉末床熔合制造钛合金的这一问题。相关论文以题为“Designing against phase and property heterogeneities in additively manufactured titanium alloys”发表在Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-32446-2

       与传统的金属制造工艺(如铸造和加工)不同，增材制造(AM)通过使用高能源(如激光、电子束或等离子弧)熔化原料(如粉末或电线)来一层一层地构建数字设计的零件。增材制造进程的这一独特特性是一把双刃剑。一方面，它提供了生产理想形状、微结构和性能的可能性，而这些是传统制造方法无法实现的。另一方面，增材制造过程中固有的陡直的热梯度、高的冷却速率以及复杂的热历史，通常会导致孔隙、元素偏析、柱状晶粒和组织中不均匀的相分布——无论是在凝固过程中还是在随后的固态相变过程中——这导致了构建金属部件不同位置的不均匀力学性能。通过控制工艺参数和/或合金成分，与孔隙、元素偏析和柱状晶粒有关的问题得到了有效解决。然而，由于在增材制造凝固后发生固相转变的合金中几乎不可避免地会出现相不均匀性，因此，获得均匀的力学性能仍然是一个长期的挑战。这种现象，在具有复杂几何形状的增材制造金属部件中更为明显，这些部件包含对机械载荷响应不同的区域，从而导致不可预测的服务故障。

      Ti-6Al-4V合金是一种典型的在增材制造过程中，沿构筑方向呈现相空间变化的合金。在增材制造过程中，如激光粉末层熔化(L-PBF)(图1a)，Ti−6Al−4V在第一层凝固后，由于冷却速度快，发生了固态β(体心立方组织)→α′(六边形闭排组织)马氏体转变。随着连续层的加入，最初形成的针状α′马氏体，在热循环下分解为片层(α+β)组织(图1a)。因此，L-PBF制备的Ti−6Al−4V的微观组织沿构建方向具有空间依赖性，在顶部表面形成针状α′马氏体，而在下部形成部分或完全稳定的片层(α+β)组织。通过扫描电子显微镜(SEM)(图1b)和X射线衍射(XRD)也证实了这种梯度相分布。