3D科学谷洞察

循环变形处理通过改变高熵合金的位错结构、晶粒与亚晶结构、晶界与界面行为、沉淀相以及微观缺陷等方面，对其微观结构产生了复杂的影响。这些微观结构的变化共同作用，最终影响了高熵合金的力学性能和应用性能。其中，在循环变形过程中，材料内部会不断产生新的位错，这些位错在晶格中滑移、增殖，导致位错密度逐渐增加，位错的增多为材料提供了更多的变形机制，有助于提高其塑性。”

导读:难熔高熵合金（RHEAs）作为一类新型的多主元素合金，因其优异的性能而备受关注。然而，它们的低塑性限制了它们的潜在应用，而合金元素的高熔点则面临增材制造（AM）的挑战。本文成功地利用AM技术制备了具有广泛分布的细胞结构的RHEA。此外，提出了一种简单的策略，通过弹性阶段（微塑性变形）的循环变形处理，在胞状结构区域内提前形成完整的位错网络。位错网络与其他位错纠缠在一起，在细胞壁附近形成许多钉住点，阻碍了位错的运动。结果表明，RHEA的循环变形处理在保持50%变形应变不破裂的情况下，屈服强度达到1136 MPa。循环变形加工方法为增材制造合金的强化提供了一条途径，为克服强度和塑性之间的权衡提供了一种解决方案

自青铜时代以来，合金化已被广泛认为是增强金属性能的重要方法。在过去，通常的做法是使用一种主要成分作为基材，然后添加其他成分作为溶质材料设计和开发中的元素，通过操纵材料的微观结构来提高合金性能。高熵合金又称多主元素合金或Cantor合金。HEAs通常由五种或五种以上的元素组成，它们的原子比几乎相等，形成单相固溶体，并表现出多种独特的性质。近年来，HEAs的研究重点已经从面心立方（FCC） HEAs转向体心立方（BCC） HEAs。BCC HEAs，也称为难熔HEAs (RHEAs)，通常由难熔元素组成。

然而，由于合金成分的高熔点，传统的熔融凝固法制备RHEAs面临着巨大的挑战。

激光金属增材制造（AM）被认为是一种颠覆性的制备技术，它将材料的合成和制造集成到一个单一的过程中。增材制造被认为是推动技术创新和促进工业可持续发展的关键战略技术。增材制造中采用的逐域（点逐点、逐行和逐层）方法可以制造复杂的拓扑结构，从而产生具有优异宏观性能的合金。

最近，AM制造的材料不仅细化了细胞结构，而且有可能在细胞内部或周围形成网络（细胞结构）。这些网络还可以显著提高材料的性能。例如，在AM制造的钛基复合材料中，观察到TiB在晶界处析出，形成TiB网络。这种网络有效地限制了高温变形时细胞间的位错滑移，最终提高了钛基复合材料的高温塑性。对于AM制铜合金，热场影响细胞内位错网络的形成。与冷轧铜相比，该网络可以产生更多的洛默锁，有效地锚定位错。

之前的研究表明，RHEAs的细胞结构包括细胞壁和细胞内部，这是由元素分离交替产生的。此外，在变形过程中，细胞结构能够锁定和限制位错运动，导致在细胞壁区域内形成位错网络。然而，这些位错网络通常在塑性变形阶段开始形成高度的完整性，从而限制了它们对RHEAs屈服强度的贡献。上海交通大学王立强团队采用激光粉末床熔接技术成功制备了具有细胞结构的RHEA。此外，在弹性变形阶段（微塑性变形阶段），通过100次变形处理的预处理，将位错预钉在细胞壁区域。与构建的RHEA相比，循环变形处理的RHEA（简称CP RHEA）的细胞结构表现出更高的位错密度，并初步形成位错网络。这种新的位错网络促进了细胞结构和位错之间前所未有的相互作用，从而产生了优异的力学性能。这项工作揭示了一种由细胞结构调节的新型位错构型，为在没有严重塑性变形的情况下提高HEAs的机械性能提供了一条途径。

相关研究成果以“Improving strength and plasticity via pre-assembled dislocation
networks in additively manufactured refractory high entropy alloy”发表在Acta Materialia上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645424008759

图1机械合金化粉末的SEM形貌及相应的能谱元素分布。

图2构建和循环变形处理（CP） RHEA结果的细胞分布和晶体结构。

A-B图为大步长为1 μm (a)和小步长为0.1 μm (B)的电子背散射衍射（EBSD）结果，未发现明显的柱状颗粒。

C-D， CP RHEA的EBSD结果为大步长为1 μm (C)，小步长为0.1 μm (D)， CP RHEA中没有明显的柱状颗粒。

E、成品和CP RHEA的粒度分布。

F， as-built和CP RHEA的晶界取向偏差。

G，构建的和CP RHEA的x射线衍射（XRD）结果。

图2A显示，在构建的RHEA中只存在一种BCC晶体结构，并且颗粒在所有平面上都显示出扭曲的形态。这种独特的颗粒分布区分了弧熔化的RHEA。此外，构建的RHEA中细胞分布不均匀，大多数细胞尺寸在10 μm左右，也有一些微小的纳米颗粒和超过25 μm的大颗粒。实际上，在构建的RHEA中观察到的不均匀细胞分布是AM过程的结果。激光产生的高能量在局部产生高的热梯度，促使熔体池中发生强烈的流体流动（马兰戈尼对流）。这种流体流动破坏了颗粒的成核和生长，最终导致在构建的RHEA中形成不均匀的颗粒分布。

图3增材制造的RHEA细胞结构的形态和机理。

A，扫描电镜观察到的细胞结构分布。B，等轴晶区。C.板条状晶区。

D，透射电镜（TEM）观察到的细胞壁和细胞内部。

E，包含细胞壁和细胞内部的区域的选定区域电子衍射（SAED）模式。

F.能谱图显示Ta和Nb偏析到凝固胞壁，Ti偏析到凝固胞壁。

图4在as-built和CP RHEA中的位错分布。

A、循环变形过程中应力变化示意图。

B，高角度环形暗场（HADDF）模式下构建的RHEA细胞结构形态。

C， B的亮场（BF） TEM图像，显示了构建的RHEA在细胞结构中的位错。

D， HADDF模式下CP RHEA的细胞结构形态。

E， D的BF TEM图像，显示CP RHEA在细胞结构中的位错。

F、循环变形过程中位错滑移到细胞壁的示意图。

图5A为室温下施工状态和CP RHEA（垂直加载）的压缩工程应力-应变曲线。值得注意的是，CP RHEA的屈服强度达到1136±27 MPa，高于成品RHEA的897±17MPa。此外，构建的RHEA和CP RHEA均表现出50%的压缩变形应变而不断裂，证明AM -制备的RHEA具有较大的塑性。为了说明这一点，图5B将成品和CP RHEAs与其他合金的屈服强度和弹塑性功（根据压缩曲线下的面积计算）进行了比较。与最近在CrMoNbV、TiNbTaZrMo、NbTaTiVZr、NbMoTaWO和NbTaTiV等RHEAs上进行的压缩实验相比，AM制备的RHEA表现出更高的弹塑性工作。同时，这种独特的性能也将AM制造的RHEAs与传统合金（包括低碳钢，钛合金和Zr合金）区分开来。

图5成品和CP RHEA的力学性能。A，具有代表性的竣工和CP RHEA压缩工程应力-应变曲线。B、成品和CP RHEA与其他优秀的RHEAs（均在压缩条件下进行测试）、Zn合金、Cu合金、Ti合金、Zr合金、低碳钢和镁合金的屈服强度与弹塑性比较。

图6 ~10%应变下的as-built和CP RHEA的细胞分布和晶体结构。

A -B为10%应变下大步长为1 μm (a)和大步长为0.1 μm (B)的as-built RHEA的EBSD结果，C- d为大步长为1 μm (C)和小步长为0.1 μm (B)的CP RHEA的EBSD结果，表明变形后细胞尺寸变化较小。

图7胞状结构和位错网络形成示意图。

A，熔池中细胞形核和长大。B、个别晶界生长和接触面积形成晶界。

C，分布在细胞的细胞结构中，细胞内部为富Nb、富Ta区，细胞壁为富Ti区。

D，构建后的RHEA中的位错分布。E、循环变形初期的位错分布。

F，循环变形后期位错分布。

图8 ~10%应变下CP RHEA的位错分布。

A，在构建的RHEA中位错的演化过程，位错向细胞壁区域滑动，形成位错壁。

B，~10%菌株下HADDF模式下CP RHEA的细胞结构形态。

C-D, (D)的放大图像分别描绘了细胞壁(C)和细胞内部(D)的Frank-Read源。

图9 as-built和CP – RHEA变形过程中位错演化示意图。

A，在构建的RHEA中位错的演化过程，位错向细胞壁区域滑动，形成位错壁。

B，在已构建的RHEA中，位错演化，位错网络与位错纠缠，形成钉住点，并提供大量的Frank-Read源。

本研究在RHEA颗粒内实现了细胞结构，构建的和CP的RHEAs均表现出优异的可塑性。主要成果如下：

(1)本研究介绍了一种提高AM -制备的RHEA性能的方法。在弹性变形阶段（微塑性变形阶段）采用循环变形处理，AM -制备的RHEA屈服强度提高239 MPa。

(2)通过循环变形过程引入外部剪切应力，促进位错向细胞壁区域运动，从而在RHEA中提前形成完整的位错网络。这些位错网络集中在细胞结构的细胞壁内，使CP RHEA在达到产率之前达到更高水平的位错网络完整性。

(3)CP RHEA中的位错网络在变形过程中与位错相互作用，在细胞壁周围形成大量的钉住点来限制位错的运动。这项工作表明，循环变形过程可以作为一种有效的策略，以提高AM制造的合金的强度而不影响塑性。

来源
材料学网 l 上海交通大学《Acta Materialia》增材制造难熔高熵合金中预组装位错网络提高其强度和塑性

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▲文献信息：
Ren, Hongyuan, et al. “AMRTO: Automated CAD model reconstruction of topology optimization result.” Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 435 (2025): 117673.
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cma.2024.117673

3D科学谷洞察

在拓扑优化设计中平衡可编辑性和设计自由度是一个挑战，开发自动从拓扑优化结果重构CAD模型的方法，清华大学提出的AMRTO框架，能够生成光滑、显式、精确且易于编辑的边界表示（B-rep）模型，有效缩减控制点数量和NURBS面片数量，降低模型复杂度及下游应用难度。”

与尺寸或形状优化相比，拓扑优化（Topology Optimization）提供了更大的设计自由度，在航空航天、电子芯片、汽车、机械制造等领域展现出巨大的应用潜力。然而，目前拓扑优化的设计结果难以直接应用于工业设计与制造。其原因在于，目前最流行的拓扑优化方法所产生的最优拓扑缺乏显式的、CAD友好的表达形式。经过常规平滑化后处理后，拓扑优化结果通常以三角面片网格表示，编辑困难且缺乏参数控制，传统的人工重构过程繁琐复杂且严重依赖设计人员的经验。若将下游应用需求纳入拓扑优化算法约束，则会减小设计空间，可能降低优化性能。主流商业软件的重构方法鲁棒性差、生成模型的NURBS面片和控制点数量过多，对设计探索和详细参数设计等下游应用带来了挑战。

为此，来自清华大学航天航空学院的杜建镔课题组提出了一种从复杂拓扑优化结果自动重构CAD模型的通用框架和方法，能够生成光滑、显式、精确、且易于编辑的边界表示（B-rep）模型。该方法将模型光滑化、重网格化、广义摩托车图法、改进的调和映射、自适应采样、多分辨率控制策略等有机结合，实现了全自动程序处理，可取代传统繁琐低效的拓扑优化结果的人工模型重建。

该方法可有效缩减控制点数量和NURBS面片数量，使所生成的模型的复杂度及下游应用（如参数优化、二次设计）难度得以进一步降低，对于推动工业结构从概念（拓扑）设计到详细（参数、形状）设计的一体化和自动化具有重要意义，也有助于推动拓扑优化、计算机图形学及CAD/CAM等交叉领域的理论发展与技术创新。

▲CAD模型重构框架

▲重构CAD模型及有限元网格生成

▲主流商业软件重构结果，子图（a）-（e）分别对应Rhino 7、HyperMesh 2021、Geomagic Studio 12、nTopology 5.3.2、Design X 2022软件。

重构模型详细参数对比

基于测地线的调和映射初始化策略

▲NURBS面片的多分辨率控制策略

▲悬臂梁模型的CAD重构流程

▲悬臂梁模型商业软件重构结果，子图（a）-（d）分别对应HyperMesh 2021、Geomagic Studio 12、nTopology 5.3.2、Design X 2022软件。

重构CAD模型详细参数对比

多分辨率控制策略可以有效减少控制点数量

▲重构前后模型力学分析结果对比

▲本重构框架对输入网格的容忍度更高

不同输入与重构方法下计算结果对比

▲超材料模型OPT-P2重构结果对比

▲超材料模型OPT-P5重构结果对比

超材料模型OPT-P2及OPT-P5重构结果参数对比

▲重构模型中控制网格分布更均匀且控制点数量更少

Python代码（PYTOCAD）和所有测试模型均可在https://github.com/rhy-thu/AMRTO或https://zenodo.org/records/14381998上下载。该方法在多项性能指标（包括运行效率、CAD模型的NURBS面片及控制点数量、模型文件大小、鲁棒性、对输入网格的容忍度、细碎面片的数量及调控灵活性）上优于多款主流商业软件，包括Rhino 7、Hypermesh 2021、Design X 2022、nTopology 5.3.2、Geomagic Studio 12、Abaqus 6.14和COMSOL 6.2。

相关研究成果以“AMRTO: Automated CAD model reconstruction of topology optimization result”为题于2024年12月24日发表在计算力学顶级期刊《Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering》（CMAME，一区Top）。清华航院2022级博士研究生任宏塬为论文的第一作者，杜建镔副教授为通讯作者，合作者包括夏博、王文睿、陈雪乾、刘洋和优解未来公司CTO周平章。该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目（编号：12272200）和北京优解未来科技有限公司课题项目（编号：20212002316）资助。

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1月5日消息，据“中国航发”官微发文，中国航发自主研制的160公斤推力级增材制造涡喷发动机在株洲完成压气机性能考核试验。

这款发动机通过结构优化设计，成功实现了发动机重量的显著降低。这一成果有效验证了多学科拓扑优化设计方法在航空发动机领域的应用前景，为科研理论向工程应用的转化提供了强大支持。

根据3D科学谷的技术追踪与观察，中国航发在涡喷发动机的设计与工艺开发方面积累了多年的经验，以下援引航空动力上发表的《基于增材制造的微型涡喷发动机轻量化设计及试验》，以领略其中的创新精神与实力。

 项目总体思路和方案

本项目的预期目标是：与采用传统加工工艺的发动机相比，发动机本体零件数减少50%以上，发动机本体减轻质量不低于15%，推力提升不低于10%。整个项目分为三个阶段实施：发动机集成化设计阶段、发动机轻量化设计阶段，以及为提升发动机性能的创新型冷却构型设计研究，如图1所示。

图1 增材制造发动机研究总体思路

 发动机集成化设计研究

当前的微型涡喷发动机采用了大量螺栓连接和焊接等形式进行零件装配。如果采用增材制造技术直接制备传统结构零部件，则无法充分发挥增材制造技术的优势，甚至可能放大增材制造技术的局限性。为此，创新团队须结合增材制造技术的特点及局限性，打破传统工艺下发动机设计思维定式，在满足结构构型约束、性能约束、工艺约束、强度约束及刚度约束等多约束的基础上，开展发动机零件结构集成化设计研究，实现一体化打印，从而省去连接件和焊接件的使用，减少发动机零件个数，降低发动机装配难度，提高发动机寿命及可靠性；同时，省去部分零件安装边的设计，达到减轻零件质量的效果。因此，最终确定零件整合方案以减轻发动机质量、提高结构可靠性为目标。集成化设计研究思路如图2所示。

图2 集成化设计研究思路

 发动机轻量化设计研究

结合发动机零部件结构功能与承载性能约束，创新团队将面向增材制造工艺的拓扑优化技术应用至零件的轻量化设计中。利用变密度拓扑优化设计驱动材料分布，从而获得零件高效、轻量化的创新构型。在此基础上考虑增材制造工艺约束性，对拓扑优化构型进行重构，优化零件结构形式，实现拓扑构型的可制造性及工程适用性。针对拓扑空间较小的集成化静子件，则利用增材制造可实现高度复杂构型成形的特点，对集成化零件进行结构适应性改进，在确保结构刚度和强度的基础上，实现静子件的轻量化设计。轻量化设计研究方案如图3所示。

图3 轻量化设计研究方案

 空心叶轮盘冷却设计研究

根据拓扑优化设计后的转子件空腔结构特点，创新团队提出了一种新的气冷叶轮盘结构（如图4所示）。其基本原理是从离心叶轮背腔引冷气，通过空心涡轮轴，到达叶轮盘内部进行冷却，从而达到叶轮盘温度降低的效果，可以显著提升发动机性能。

图4 新型冷却构型设计研究方案

 项目实施情况

集成化设计方案

创新团队在详细剖析传统发动机零件结构、功能、材料及装配关系后，制订了多种零件集成化方案。针对集成化结构开展了性能评估、结构强度评估、转静子间隙评估及增材制造工艺可行性评估，突破了可提升结构可靠性的集成化设计技术，实现发动机本体零部件数量减少81%。发动机集成化前后结构对比示意图如图5所示。

图5 发动机集成化设计对比图

轻量化设计方案

创新团队采用面向增材制造工艺的拓扑优化技术完成了发动机主要零部件轻量化设计，包括转子件和静子件等，优化后零件结构如图6所示，最终实现整机减轻质量17.3%。，详细情况见表1

图6 集成化静子件轻量设计前后

表1 增材制造发动机结构优化前后质量减轻情况

整机试验

现阶段，创新团队已完成所有零部件的增材制造制备（如图7所示），串装增材制造静子件和传统工艺转子件的发动机已完成两次点火试验，发动机性能达标，状态稳定。

图7 试验后发动机分解图

为验证串装增材制造发动机的场外工作能力，创新团队将串装增材制造发动机装在航模飞机上，并对航模飞机进行改装，开发专门的数据传输系统，进行了飞行试验（如图8所示）。

图8 串装发动机装机航模并试飞

 创新点

本项目创新点主要体现在产品结构创新和生产工艺创新上，具体创新点如下。

一是建立了基于增材制造技术的发动机零件集成化设计技术。通过该集成化技术，研制了一型基于增材制造技术的高度集成化的小型涡喷发动机，零件集成率高达81%，降低发动机装配难度，提高发动机的可靠性和维修性。

二是建立了面向增材制造和拓扑优化技术的零件轻量化设计技术。通过本项目发展的轻量化设计技术，使创新结构空心离心叶轮、空心涡轮轴及空心涡轮盘等优化设计有了重大突破，并采用增材制造工艺实现了空心转子件的加工制备。

三是创新性地提出了一种基于增材制造工艺的气冷叶轮盘构型。通过本项目发展的气冷叶轮盘新构型是通过轮盘腔内引入冷气来冷却叶轮盘，初步估算可有效降低轮盘温度，从而提升发动机性能。

 结束语

创新团队以微型涡喷航空发动机为技术验证平台，探索增材制造技术在航空发动机设计和制造领域的应用研究，开展了基于增材制造技术的发动机结构集成化、轻量化及创新型冷却构型设计技术研究，实现了航空发动机集成化、轻量化及高可靠性设计，并初步完成串装增材制造发动机的整机试验验证。从本项目获得的集成化、轻量化设计技术对提升发动机设计和制造能力具有重要意义，可推广应用至高性能发动机的研制。

来源：航空动力 l

基于增材制造的微型涡喷发动机轻量化设计及试验

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3D科学谷洞察

钛合金增材制造过程中，特别是在基于粉末床的选区激光熔化（L-PBF）过程中，由于快速的冷却速率，可以在钛合金基体中形成均匀分布的薄片状TiC沉淀相以及复杂的位错网络结构。这些位错网络不仅将TiC颗粒相互连接，同时也将它们与晶界相连接。通过控制位错的密度和分布，可以优化钛合金的力学性能。

本文将介绍北京航空航天大学邱春雷教授团队研究人员在材料科学领域国际知名期刊Materials Research Letters (Impact Factor: 8.6) 上发表的论文 “Dislocation network mediated grain boundary engineering in an additively manufactured titanium alloy”。论文第一作者为陈旭博士，通讯作者为邱春雷教授。

 摘要

钛合金在制造或热处理过程中经常会形成连续的晶界α相(CGB-α)，导致诸如塑性、疲劳等力学性能的降低。增材制造因其快速的冷却速率能够抑制钛合金晶界α相的形成，但在之后的热处理过程中易析出CGB-α。为了克服该问题，北航邱春雷团队提出了基于增材制造钛合金中复杂位错网络结构开展晶界工程的新概念，通过晶界工程在热处理过程在晶界优先析出分散的沉淀颗粒，以抑制CGB-α的形成。具体地，他们在一种含碳的钛合金中通过选区激光熔化在基体形成了均匀分布的薄片状TiC沉淀相以及复杂的位错网络结构。该网络结构将TiC颗粒相互连接，同时又将它们与晶界相连接，固溶处理时，位错网络促进了晶内碳化物的溶解和晶界离散TiC颗粒的形成。在时效处理过程，这些晶界碳化物抑制了CGB-α的形成，取而代之的是不连续的晶界α。该晶界结构与晶内高密度的纳米α颗粒一同使合金展现出优异的强度-延展性结合。该研究表明，基于增材制造金属材料位错网络结构的晶界工程是有效调控微观组织，改善力学性能的重要手段。

 关键词

钛合金；选区激光熔化；晶界工程；微观结构；拉伸性能

研究人员在选区激光熔化的Ti-Mo-Cr-Co-0.1C合金中观察到大量均匀弥散分布的薄片状TiC沉淀相（如图1a-b,f），这些TiC颗粒通过复杂的位错网络彼此连接，并与晶界相连通（如图1d-e）。合金经固溶处理后，位错网络促进了TiC颗粒溶解，碳原子扩散到晶界，形成离散分布的TiC颗粒（图1g-i）。由于这些碳化物颗粒的存在，时效处理后，晶界处并未形成连续α相（图1j,k），实际上晶界α相被TiC颗粒打断（如图2a），有的晶界甚至没有α相的存在（如图2b），这表明晶界TiC颗粒抑制了连续的晶界α相的形成。此外，时效还促使合金晶粒内部析出高密度的纳米级α沉淀相（图1j-l、图2）。

图1 (a-f) 打印态、(g-i) 固溶态和(j-l) 时效态Ti-Mo-Cr-Co-0.1C合金的微观结构

图2 时效处理的Ti-Mo-Cr-Co-0.1C合金微观组织

图3展示了不同制备状态的Ti-Mo-Cr-Co-0.1C合金的拉伸性能。从中可见，打印态的合金发生了脆性断裂，这是由于合金基体中均匀分布着薄片状TiC颗粒，会使位错运动变得非常困难，从而导致合金脆化。薄片状TiC的形态及其本身的脆性属性也会导致合金脆化。固溶处理后的合金展现出较高的屈服强度（～1100 MPa）和延伸率（>10%）。合金具有良好塑性的原因是固溶处理使晶内TiC溶解，消除了TiC对位错运动的阻碍作用，使位错可以更自由地滑移。时效使合金的屈服强度进一步提高，达到1170 MPa，极限强度则达到了1199 MPa，延伸率接近8%，合金的应变硬化率和均匀延伸率也大幅提高。对合金二次裂纹扩展行为的研究发现，晶界TiC颗粒的存在改变了合金的断裂模式（图4d-f），即晶界TiC颗粒导致裂纹扩展路径发生偏转，使裂纹尖端发生钝化，有效阻碍裂纹扩展，提高了材料的塑韧性。

图3 不同状态的Ti-Mo-Cr-Co-0.1C合金的（a）工程应力-应变曲线和（b）真应力-应变曲线

图4 (a) 打印态、(b) 固溶态和(c) 时效态Ti-Mo-Cr-Co-0.1C合金拉伸后的断口形貌以及(d-f)时效态合金中的二次裂纹扩展路径

对时效态合金的变形亚结构进行研究后发现，变形后的合金中α沉淀相周围聚集了高密度的位错（图5a-b），表明α相可以有效阻碍位错运动，有利于提高应变硬化率、最高强度和均匀延伸率。另一方面，α沉淀相内部也存在一定密度的位错（图5c-d），表明位错可以剪切通过α析出物，有利于塑性变形，防止材料过早地失效。这与不连续的GB-α结合促进了良好总延伸率的获得。

图5 拉伸后的(a) 固溶态和(b-d) 时效态Ti-Mo-Cr-Co-0.1C合金中的变形亚结构

本研究首次提出了一种基于增材制造钛合金中复杂位错网络结构的晶界工程策略，有效抑制了连续晶界α相的形成，促进优异强度-塑性结合的获得。本研究的发现为抑制钛合金中连续晶界α相的形成提供了新途径，对钛合金的微观结构优化设计具有重要参考价值。

文献链接：

Chunlei Qiu* & Xu Chen (2024) Dislocation network mediated grain boundary engineering in an additivelymanufactured titanium alloy, Materials Research Letters,12:11,797-805. (原文链接：https://doi.org/10.1080/21663831.2024.2385969)

来源
Materials Research Letters l

北航邱春雷团队：抑制钛合金中连续晶界α相新策略

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钛合金增材制造技术在航空航天、医疗、汽车等行业的应用将进一步扩大。特别是在航空航天领域，钛合金构件能够满足复杂需求，缩短研发周期，在医疗器械领域，如人工关节等的应用也在不断增加。

钛合金的增材制造技术处在快速发展中，例如，研究人员发现，在激光增材制造过程中，由于高温和快速凝固作用，以及熔池内的Marangoni流动，可以在金属基体中生成分布均匀的REO颗粒，有助于提高材料的整体性能，通过控制位错的密度和分布，可以优化钛合金的力学性能。

随着对钛合金增材制造的深度研究，钛合金增材制造技术正朝着生产复杂化、高精度化、大型化以及低成本的方向发展，实现生产的快速化，促进制造业的快速发展。”

 引用格式

毛雅梅, 赵秦阳, 耿纪华, 刘燮, 陈永楠, 张凤英, 徐义库, 宋绪丁, 赵永庆. 粉末床熔融式增材制造钛合金研究进展及应用[J]. 中国有色金属学报, 2024, 34(09): 2831-2856.

 研究背景

钛及其合金的粉末床熔融式（PBF）增材制造技术因具有定制制造、成本节约和时间优化等优势，在航空以及生物医学领域备受关注。但在PBF制造钛合金时，多种因素如热导率低、热积累、氧化敏感性及快速冷却引起的热应力共同导致成形件缺陷、组织差异、性能不稳定与质量参差不齐等问题。因此，本文通过分析PBF技术中的激光粉末床熔融（Laser powder bed fusion, L-PBF）和电子束粉末床熔融（Electron beam powder bed fusion, EB-PBF）技术原理，讨论了PBF增材制造钛合金微观组织特征、力学性能、耐腐蚀性能、耐磨损性能与生物相容性的特点；同时，聚焦成形过程中的缺陷形成机理及影响因素，提出缺陷消除方案，展望两种技术的未来发展方向，为促进创新钛合金增材制造提供新的研究思路。

 文章亮点

（1）详细阐述了L – PBF和EB – PBF技术制造不同类型钛合金（α、β、α+β）微观组织的差异，明确了微观组织对钛合金在力学性能、耐腐蚀性能、耐磨损性能和生物相容性等方面的影响。
（2）类比了PBF技术制造钛合金的缺陷并提出优化方案，将PBF增材制造钛合金过程中的缺陷大致分为融合不良、几何结构缺陷、成分缺陷三类。可通过控制粉层厚度、提高粉层均匀性、预处理、优化光学系统参数、人工智能以及数值模拟相结合等方法提高钛合金成形件的质量。
（3）通过L-PBF和EB-PBF技术在航空航天和生物医学领域制造钛合金的应用实例，基于增材原料、工艺、设备、应用四个方面，对粉末床熔融式（PBF）增材制造钛合金未来可能的发展方向进行了展望。

 图文解析

增材制造技术因具备高质量制造结构复杂的高性能金属零部件的能力而在工业生产和高性能机械系统方面占据中心地位。根据材料进给方式不同，增材制造可分为粉末床熔融式（Powder bed fusion, PBF）和直接能量沉积式（Direct energy deposition, DED），两种技术原理示意图如图1所示。PBF技术中铺粉在激光或电子束作用前已完成；而DED技术中，粉末随激光或电子束作用被同时送给。

图1　增材制造技术原理示意图

图2为L-PBF过程中激光与粉末床相互作用的示意图以及物理现象，L-PBF过程与激光焊接类似，在L-PBF过程中，激光束与粉末材料相互作用，粉末被高温熔化又快速凝固，层层堆叠，形成金属部件，该过程中粉末的热对流、热传导、热辐射以及熔池内部的热量转移过程更加复杂。该技术的主要优势是激光热源所适用的材料范围广、能量密度高和成形精度高等。

图2 L-PBF技术（a）示意图；（b）物理现象

图3为EB-PBF技术中电子束与粉末床的相互作用及物理场变化示意图，控制系统将合金粉末按照一定的厚度均匀地平铺在基板上，并以电流通过钨丝形成的电子束作为热源，在聚焦线圈和电磁偏转线圈的作用下，对基板上的合金粉末进行扫描熔化；在成形过程中存在相变、润湿、蒸发等现象；电子束每扫描熔化一层，工作台就下降一层的高度，然后重新铺粉，电子束重复扫描熔化加工，各加工层相互凝结成为整体。整个制造过程是在真空环境下进行的，因而有效地避免了钛合金在加工过程中被氧化的可能性。

图3　EB-PBF技术（a）示意图；（b）物理现象

在增材制造过程中，使用不同的热源（如EB-PBF的电子束与L-PBF的激光）对不同种类的钛合金（如TC11与TC4）进行成形，会导致显著不同的微观组织特征。钛合金微观组织差异主要指α和β两相晶粒的尺寸与含量，通常晶粒尺寸主要受生长时间（即凝固速率）的影响。由于热源特性、能量分布与扫描策略的差异，L-PBF成形的α和β钛合金具有较小的晶粒尺寸和随机的晶体取向，通常具有较高的α和β相含量以及较高的残余应力，宏观形貌中常存在较多的表面缺陷和孔洞，EB-PBF成形的α和β钛合金则具有相反的特点。

L-PBF成形α钛合金微观组织可分为3类，即针状马氏体α′组织、针状马氏体α′+岛状αₘ混合组织与岛状αₘ组织，如图4(a)~(c)所示。与L-PBF钛合金不同，EB-PBF成形的α钛合金组织主要为条状、针状和块状α相。各组织特征存在差异，EB-PBF制备的α钛合金组织以α大晶团与小晶团层状交替排列为主，如图4(d)所示；大晶团内片层定向生长，大晶团片层的下方存在一个由较小的γ等轴晶团组成的过渡区，如图4(e)所示；此外，还可能存在由于逐层堆积过程的导热作用所致γ等轴晶和少量α₂/γ双相态形成的层状组织，如图4(f)和(g)所示；L-PBF成形的β钛合金微观组织由柱状β-Ti基体包围着薄壳状组织组成，如图5(i)所示。

图4　典型α-钛合金的显微组织特征：(a-c) L-PBF成形的TA7合金显微组织；(d, e) EB-PBF成形的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金显微组织：(f, g) L-PBF成形的Ti-34.2Nb-6.8Zr-4.9Ta-2.3Si合金显微组织：(h, i) L-PBF成形的β钛合金微观组织

由增材制造钛合金常通过调节工艺参数调控组织实现力学性能的改善。如调节激光功率，制备出力学性能各向同性的弱织构CP-Ti（激光功率高）和力学性能各向异性的强织构CP-Ti（激光功率低），合金垂直于成形方向的屈服强度（832±24 MPa）低于平行于成形方向的屈服强度（1049±40 MPa），如图5(a)和(b)所示；垂直方向韧性断裂的小韧窝断口形貌如图5(c)所示；此外，如图5(d)所示，水平方向断口组织中存在未熔区域，使得应变失效更早发生。如图5(e)所示，通过控制L-PBF过程中的氧含量，制备了CP-Ti，当氧含量为0.17 wt.%时，其断裂抗拉强度可达731.5±5.7 MPa，断口形貌中的韧窝表明合金以韧性断裂为主，并且相比于与其他方法，调节氧含量可使CP-Ti拥有更好的塑性，如图5(f)所示。

图5 EB-PBF在不同方向上形成的CP-Ti合金应力-应变曲线:(a, c)垂直；(b, d)横向；(e, f) L-PBF成形的CP-Ti合金力学性能和显微组织：(e)垂直于沉积方向的工程拉伸应力-应变曲线（插入断口）；(f)本研究与其他研究的断裂拉伸性能比较。

图6为粉末床熔融式增材制造过程中激光与粉末的交互作用以及产生缺陷的多尺度、多物理场现象的示意图。激光对钛合金粉末的作用是一个复杂的过程，宏观上表现为粉末在激光作用下的热效应，而微观上表现为激光在钛合金粉末上的能量交换过程。PBF增材制造钛合金过程中的缺陷分别发生在铺粉和打印过程中，飞溅、球化、气孔等缺陷主要在打印过程中形成，最终保留在成形件中，降低了其性能。

 研究结论

（1）本文以粉末床熔融式（PBF）增材制造钛合金研究现状为背景，简要分析了PBF技术中两种方法（L-PBF和EB-PBF）的原理和特点，概述了L-PBF和EB-PBF成形过程中产生的缺陷，以及缺陷的形成机理与解决方法，讨论了两种技术成形的钛合金（α、β、α+β）的组织特征与性能关系，简要列举了部分增材制造钛合金的应用现状，展望了粉末床熔融式（PBF）增材制造钛合金未来可能的发展方向，得出以下观点。

（2）增材制造的非平衡快速凝固特点会导致钛合金成形件性能无法实现最佳，需要从工艺适用性角度发展该技术的专用合金材料，以提高性能。此外，在保证成形件性能的基础上，通过设计引入铁、氧等元素，可以实现降低成本的目标。

（3）L-PBF技术效率低，由于精度和沉积效率不可兼得，在保证高精度高柔性的同时往往需要牺牲效率，因此需要深度优化工艺，提高效率，降低残余应力，增强稳定性，提高尺寸精度；减少支撑、或者无支撑的设计，提高柔性。

（4）由于增材制造过程中高冷却速率造成的缺陷无法有效避免。因此，未来增材设备应考虑添加与快冷相匹配的均匀散热模块，在制造过程中更为有效地减少甚至杜绝缺陷的产生。应结合数值模拟，降低缺陷存在率，降低研发成本。

 团队介绍

赵秦阳，1993年生，博士，教授，长安大学材料学院成型系副主任，从事高性能钛合金领域研究工作。入选中国科协青年人才托举工程项目、陕西省高层次人才计划青年拔尖人才；主持国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、173项目子课题、陕西省科技重大专项课题等科研项目；发表第一/通讯作者论文80余篇，作为副主编出版教材3部。担任《中国有色金属学报》等期刊青年编委，主持陕西省教改重点项目1项，获陕西省高等教育科技奖一等奖1项。

陈永楠，教授，博士生导师，教育部首批国家万人创新创业人才导师，交通运输部青年科技英才。长期从事轻合金表面处理技术及产业化、钛合金加工变形及模拟等领域科研工作，先后获批国家自然科学基金、国家重点研发计划、陕西省重大专项等多项国家级、省部级项目，在国际影响力期刊发表论文120余篇，授权并转化国家发明专利7件。

毛雅梅，博士研究生。研究方向为高强钛合金及钛合金表面处理，以第一作者在 Chemical Engineering Journal、Surface and Coatings Technology、机械工程学报、表面技术等期刊发表学术论文5篇。

来源
中国有色金属学报 l

长安大学赵秦阳教授、陈永楠教授团队：粉末床熔融式增材制造钛合金研究进展及应用 |《中国有色金属学报》重点推荐文章

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3D科学谷洞察

搅拌摩擦增材制造技术的研究进展表明，该技术在轻质大型结构件增材制造、特征结构添加、梯度材料与涂层制备、缺陷损伤修复及新型复合材料制备等方面具备较大的应用潜力。”

 大尺寸、大壁厚

南航柔性成形技术与装备研究团队利用搅拌摩擦沉积增材制造技术，成功制造出1m级高强铝合金圆环样件，在大型构件整体增材制造的工艺稳定性、精度控制及应力变形调控等方面实现技术突破，为大尺寸、大壁厚圆环/筒类复杂结构件加工制造开辟了新途径。

搅拌摩擦沉积增材技术是一种基于摩擦产热的新型固态增材制造工艺，利用旋转工具与金属材料的摩擦热，使材料达到塑性状态并实现逐层沉积，最终形成三维实体零件，通过精确控制工艺参数，可以实现高质量、高效率的增材制造。该技术具有增材组织致密、热影响区小、残余应力低等优点，在航空航天、汽车制造等领域展现出广阔的应用前景。

 团队简介：

南京航空航天大学柔性成形技术及装备研究团队始终坚持“立足空天、服务国防”的科研理念，以高质量党建引领高质量发展，以服务国家和国防重大需求为牵引，系统开展柔性成形基础理论、关键技术攻关、数字化柔性精确成形装备研发与航空航天重大工程应用等工作。目前，团队具有国家级高层次人才、国家级青年人才、重大基础研究项目首席科学家、中国科协青年托举、博新计划等教师8名、博士研究生20余名、硕士研究生60余名。

团队承担某国家级人才项目、国家重大基础研究项目、国家重大转化项目、国家科技重大专项（07）、国家重点研发计划重点专项、领域基金重点项目、国家级青年人才项目、国家自然科学基金项目（重点、面上、青年、国合）以及江苏省重点研发计划重点项目、国际合作项目等30余项，千万级项目4项；另外承担国防军工型号预研、民口科技成果转化关键技术和工艺研发等企业横向项目等20余项。团队获授权专利110余件，出版中英文学术专著6部，发表学术论文240余篇【Nature Communications (IF=16.6)，Progress in Materials Science（IF=37.4），International Journal of Machine Tools & Manufacture（IF=14）】，牵头制定国家标准4项；荣获江苏省科学技术一等奖、军事科技进步二等奖、国防技术发明二等奖、教育部科技进步二等奖、日内瓦国际发明展特别金奖（大会最高奖）等省部级奖8项。

来源
NUAA柔性成形技术与装备研究团队l

南航柔性成形技术与装备研究团队利用搅拌摩擦沉积增材制造技术成功制造出1m级高强铝合金圆环样件

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3D科学谷洞察

根据3D科学谷的市场研究，未来的驱动任务-无论是在工业领域还是交通领域-都对各个组件提出了很高的要求。基于传统的制造工艺，优化的几何形状通常是不可能的，结果是设计者在性能和效率上痛苦折衷，某种意义上电动机的经典制造工艺达到了极限。而另一方面，随着增材制造 (AM) 技术日趋成熟，增材制造为电机的制造开辟了另外一条曲径通幽之路：3D打印-增材制造电机（EM）只是时间问题。

预测在未来几年内原型领域的电机组件3D打印将急剧增加，最有可能集中在3D打印机器绕组、热交换器和同步转子上。此外，提升电机效率的一个关键在于其内部定子和转子所用的软磁合金材料，增材制造高性能软磁合金对高频电机铁芯的制造和应用具有重要的工程意义。”

DeepTech深科技报道了华中科技大学非晶态材料实验室在电机领域的突破：

在现代工业生产和社会生活中，电机被广泛应用于电动汽车、高铁、精密机床等多个关键领域，其所消耗的电能占全国总用电量的 40%。

电机所消耗的电能除了转化为机械能发挥作用外，剩余部分全部转化为热能浪费掉，其中机械能相较于电机总耗电量的占比就是电机的效率。

研究表明，如果电机的效率可以提升 1%，那么每年中国就能节省 500 亿度电。想要提升电机的效率，其内部定子和转子所用的软磁合金材料是关键。

目前普遍使用的软磁材料是硅钢，其矫顽力高和电阻率低的固有属性，制约了降低电机损耗的进一步降低。

近些年来新兴的多组元合金，比如高熵合金、中熵合金和非晶合金，得益于其广阔的成分空间，可以在很大范围内进行微观组织和性能的调控，有望获得性能更为优异的软磁材料。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

然而，软磁多组元合金的成形性通常较差，通过传统的加工方式难以制备复杂构件。

激光增材制造是一种以激光为热源，逐层熔化粉末从而成形零件的新技术，可以加工任意复杂形状的零件。目前，已有不少增材制造软磁多组元合金的工作报道。

但是，增材制造过程中复杂的热历史会导致软磁多组元合金形成复杂的微观组织结构，这导致最终得到样品的软磁性能（如矫顽力过大）无法满足实际需求。

为了解决这个问题，华中科技大学非晶态材料实验室的柳林教授、张诚教授团队瞄准目前高频电机亟需解决的节能问题开展研究。

软磁非晶合金由于其独特的原子排布结构特征具有一系列优异的软磁性能，比如：高磁导率、高电阻率、低矫顽力和低损耗等优点。

然而，由于铁基非晶合金具有硬度高、脆性大的特点，使得传统加工方式难以对其进行加工成形。

于是，他们利用紫外皮秒脉冲激光切割软磁非晶条带并进行叠片制备出非晶定子样件，实现了低损耗非晶定子的快速无损加工。

（来源：Scripta Materialia）

然而该技术无法用于复杂异形结构铁芯的制备，制约了其进一步的发展。为了突破异形结构铁芯的成形难题，他们同步开展第二个方向研究工作——增材制造多组元软磁合金。

期间，他们进行了大量的软磁无序合金成分设计工作，采用铸造法制备得到了一批具有优异软磁性能的合金体系，随后采用增材制造技术对这些体系进行加工成形。

由于增材制造过程中极快速升降温的效应会导致样品中非平衡相的形成，使得最终制得样品的性能相较于铸态样品发生恶化。

如何在激光这种高能热源导致的极端环境中得到对软磁性能有益的物相结构，是他们遇到的一个瓶颈问题。

为了解决这一问题，他们结合以往工作中粉末表面改性的经验对本工作中所使用的粉末进行表面改性，并对增材制造工艺进行了大量优化，对不同粉末改性和增材制造工艺下得到的微观组织结构的演变规律和磁学性能进行探索。

经过不懈的努力，最终他们寻找到了 FeCoNi 和 Fe2O3 这一组合及其对应的最优工艺参数。

除此之外，他们还采用增材制造技术对软磁非晶合金进行成形，即在增材制造软磁多组元合金中引入原位物相调控的策略来调控微观结构，从而获得了优异的软磁性能。

该策略基于纳米氧化物表面改性的元素粉末，在激光增材制造过程中原位调控物相结构（体心立方结构（BCC，body-centered cubic）/面心立方晶格（FCC，face centered cubic）双相变 FCC 单相），实现软磁性能的优化，从而有效解决当前增材制造软磁多组元合金在性能上的不足。

具体来说，他们首先选择了一种非等摩尔比的 FeCoNi 中熵合金作为基础合金，该合金体系具有高饱和磁感应强度的优点，但其双相结构的特点导致其矫顽力较高。

于是，他们采用原位物相调控的策略对其相结构和磁学性能进行了优化。

这一过程包含三个步骤：

首先，通过湿化学法在单质元素粉末表面均匀包覆一层纳米 Fe2O3 颗粒；

随后，采用激光增材制造技术将预处理后的粉末加工成形成样品，在该过程中 BCC/FCC 双相结构转变为 FCC 单相结构，纳米 Fe2O3 颗粒转变为 FeO 颗粒；

最后，通过高温热处理进一步优化组织结构及磁学性能。

经过上述步骤，他们得到了单一 FCC 结构的 FeCoNi 中熵合金/FeO 复合材料，该材料的饱和磁感应强度达到 2.05T，矫顽力低至 115A/m，这些性能优于大多数增材制造软磁合金。

另外，FeO 颗粒将电阻率提高至未添加纳米颗粒样品的两倍，从而有效降低铁损。

总的来说，本研究中提出的创新策略为增材制造高性能软磁合金提供了新的思路，也对高频电机铁芯的制造和应用具有重要的工程意义。

这一成果潜在的应用场景主要是电机，尤其是高频电机中的铁芯。如前所述，电机效率任何微小的提升都可以节约大量的能源。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

为了做到这一点，电机中所采用软磁材料需要同时具有低矫顽力和高电阻率的性能特点。而且随着技术的发展，电机内部的结构也越来越复杂，传统加工技术在成形这些复杂形状时显得力不从心。

而本次工作可以同时解决上述两个问题：

首先增材制造技术可以解决样件复杂度的问题；其次采用原位物相调控策略制备的多组元无序合金展现出优异的软磁性能，从而满足电机对软磁材料性能的要求。

然而由于软磁非晶合金的玻璃形成能力通常较低，导致在激光 3D 打印过程中形成了许多脆性硬磁晶化相，这些相会增大了矫顽力。因此后续他们将继续探索增材制造成形软磁非晶合金的新方法，致力于解决当前面临的技术难题。

来源
DeepTech深科技 l

科学家提出增材制造原位物相调控新策略，材料饱和磁感应强度达到2.05T

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新的一年即将开启的时刻，按照3D科学谷的惯例，借此机会与谷友们畅谈这一年的所观所得。

 现状

根据中商产业研究院，中国在2023年的3D打印市场的规模将达到367亿元人民币，在2024年，将增加到415亿元人民币。

3D科学谷认为，随着技术的持续发展和成本逐渐下降，3D打印在航空航天和医疗设备等领域（例如高准确性和高复杂性要求）进行了产业化，助力传统制造进行产业升级。新兴的人形机器人以及低空经济区（例如无人机）正在采用3D打印技术作为关键组件开发的核心技术。

 展望

中国增材制造业的规模将继续增长，中国将基于创新能力和降低成本的能力以及从应用市场的采用率提高的能力来领导增材制造业的发展。从追赶到自主创新，中国将诞生最好的创新，这里面包括学院方面出现的，和企业的研发中心出现的创新。抱着向全世界开放的决心，中国将在世界范围承担积极的推动增材制造行业发展的角色，为AM增材制造行业铺平道路，以实现更可持续的制造以及更绿色的环境。

国际合作与竞争力：基于双赢的出发点，中国的增材制造行业发展将更加开放，品牌和产品有望成为领导全球行业发展的积极元素，以优化和分配全球创新资源，并集成到全球市场，实现共同发展。

工业生态系统建设：中国正在建设一个完整的增材制造产业链，涵盖材料、工艺、软件、设备等核心元素，并打造制造生态系统的良性发展，包括测量、标准、测试、认证等。

 技术

无支撑3D打印技术：大多数中国制造商已经发布自己的无支撑/更少支撑的3D打印技术。

超级尺寸：例如，铂力特发布了新的优化BLT-S825，该设备配备了24个激光器。BLT-S825的成形尺寸为850mm×850mm×2500mm（W×D×H），净成形高度突破2.5m，满足超高尺寸零部件一体化成形需求。

针对特定应用的解决方案：例如，联泰科技开发了光敏感树脂3D打印技术的特殊精确度，以创建轮胎模具的细节，准确性和细节远远超过了传统的工艺。这使轮胎模具打开了无限的设计空间，并且可以实现人为难以达到的复杂形状。

 趋势

指数级别的速度，人工智能将重新定义增材制造硬件的迭代

通常，软件的迭代速度是快的，硬件的迭代速度是慢的，增材制造从诞生起就带有数字化的特点，通过人工智能推动数字孪生的发展，AI的出现提供了解决方案，以应对当前技术硬件方面效率低下和成本高昂的挑战。（延伸阅读：人工智能带来3D打印设备开发效率和准确性的巨大飞跃！）

历史机遇，商业航天成为增材制造发展的巨大金矿

商业航天领域对增材制造技术的需求不断增长，商业航天对于低成本、大尺寸增材制造部件的需求有望提升，以满足更密集的发射任务以及降本增效的需求。中国的增材制造技术的应用不仅推动了商业航天技术的进步，也为其带来了显著的成本效益和效率提升，成为推动行业发展的重要力量。（延伸阅读：国内商业航天产业将进入发展黄金期，将催生金属3D打印怎样的发展？）

全球化，以一种新的方式呈现

全球化不再是单一的、由少数国家主导的过程，而是变得更加多元、平等和包容，同时也更加依赖于数字技术和网络社会的发展。中国公司还需要与国际合作伙伴进行更多的合作，这可以引入不同的观点，并促进技术交流，这最终使多方受益，并为未来的增材制造行业增长铺平道路，系统布局全球发展的中国企业将抓住更广阔的发展机遇。（延伸阅读：从研发端催化高通量3D打印势能！Dyndrite加入ACAM德国亚琛增材制造中心社区）

 竞争，新维度

此前，中国增材制造公司之间的过度价格竞争会影响利润率, 为了更可持续的发展，在竞争中脱颖而出，增材制造公司需要通过专注于质量，独特的产品和价值服务的服务来脱颖而出。同时，公司需要为国际市场开展专利布局，以确保未来的竞争力和长期发展实力，在这方面香港和新加坡是设立区域性海外管理总部的战略支点（延伸阅读：NAMIC 全球增材制造峰会GAMS：新加坡的创新、可持续性和战略合作)。

一起期待建立更好的信任、合作、共创，面向更可持续的未来，2025年共同见证中国伟大的变化！

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3D科学谷洞察

“通过模拟电弧增材制造过程中的温度场、微观组织变化，并结合晶体塑性模型，可以有效地预测和理解电弧增材制造中材料的各向异性力学行为。这些研究对于优化增材制造工艺、提高构件性能具有重要的指导意义。”

摘 要：为了研究电弧增材制造中材料的各向异性力学行为,本文建立了双椭球热源模拟电弧增材制造过程中的温度场,建立Monte Carlo模型模拟增材层截面微观组织的变化,建立晶体塑性模型表征晶粒形貌对材料力学行为的影响规律,从而修正位错动力学模型,得到基于晶粒形貌特征的电弧增材制造中各向异性的力学行为数值模拟方法。

修正后的位错动力学模型可以很好地反映出电弧增材制造工艺特征导致的材料各向异性行为,且与试验结果一致。电弧增材制造构件在增材高度方向上的力学性能显著低于热源移动方向的力学性能,在增材高度方向上和热源移动方向上晶粒尺寸比达到7.5 mm/1.3 mm时,屈服强度比达到787.8 MPa/865.2 MPa。钛合金在600℃以上出现明显的材料软化,这主要是晶粒球化导致的。

关键词：电弧增材制造;位错动力学;蒙特卡洛模型;晶体塑性模型;力学性能

 1 引言

Ti-6Al-4V合金具有良好的比强度、抗拉强度和耐腐蚀性,广泛应用于航空航天、汽车、化工与海洋工程等领域[1]。丝材电弧增材技术(WAAM)因其成本低、增材效率高、适用广泛和材料利用率高等优点,成为制备大尺寸且形状复杂的Ti-6Al-4V合金部件的重要方法[2]。

对增材制造的数值模拟是展示增材制造机理和提升增材制造水平的重要手段,其中对微观结构和力学性能的数值模拟尤为重要[3]。在模拟微观机构的方法中,蒙特卡洛模型是一种常用的方法,具有计算效率高的特点。Zhang等[4]采用双尺度蒙特卡洛方法模拟了激光增材制造工艺下Ti-6Al-4V凝固过程中β晶粒的形成以及冷却后β晶粒向α晶粒转变的过程。在电弧增材过程中,增材截面上β晶粒以等轴晶和柱状晶的方式生长,晶粒尺寸的变化影响了结构的力学性能,材料的屈服强度随晶粒尺寸增大而减小。Wang等[5]研究了电弧移动方向及层间停留时间对钛合金的晶粒形貌和力学性能的影响。Wu等[6]采用光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜和标准拉伸实验等试验研究了热累积对电弧增材Ti-6Al-4V的微观结构和力学性能的影响。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

晶体塑性力学模型根据材料内部各滑移系开动后的累积剪切应变来模拟材料的塑性变形,可以有效计算模型的塑性变形和力学性能。苑红磊等[7]根据蒙特卡洛方法和晶体塑性模型,研究了搅拌摩擦焊工艺下6005A-T6 铝合金的力学行为。Ti-6Al-4V的力学性能由位错密度和晶粒尺寸共同决定[8,9]。Zhang等[10]研究了搅拌摩擦焊工艺下Ti-6Al-4V的微观组织变化和基于位错演化的力学性能,预测屈服强度与试验吻合良好。Babu等[11]建立了基于位错密度和空位浓度演化的本构模型,研究了Ti-6Al-4V材料在不同应变率及不同温度下的塑性变形。

在增材层材料中,柱状晶具有各向异性的力学性能,而基于位错密度和空位浓度演化的本构模型建立在各向同性的假设上,难以准确模拟柱状晶的力学性能。因此,本文通过蒙特卡洛与晶体塑性模型相结合的方法,计算柱状晶区域不同方向上的应力应变曲线,进而修正基于位错密度和空位浓度演化的位错动力学数值模型来表征柱状晶的各向异性力学行为。

 2 理论与方法
2.1 移动热源模型

采用ABAQUS软件建立有限元模型并进行热分析,材料为Ti-6Al-4V。有限元模型尺寸如图1所示,共有10层,扫描速度为600 mm/min,电流为140 A,增材形式为往复堆积。

图1 热传导分析有限元模型

Fig.1 Finite Element Model for heat conduction analysis

使用双椭球热源来模拟电弧增材制造过程中的热输入,其前半部分的热流密度qf由方程(1)描述,后半部分的热流密度qr由方程(2)描述[12]

(1)

(2)

式中Q图片UI表示热源热量(U为电压,I为电流,图片为热效率,图片=0.8),ff和fr为电弧能量在双椭球热源前后半轴上的分布系数,且ff+fr=2。af,ar,b和c为双椭球热源的形状参数。

2.2 蒙特卡洛数值模型

在蒙特卡洛方法中,将计算域离散成格点,每个格点上分配离散变量来表征该处的微观状态,具有相同离散变量的相邻格点共同构成一个微观晶粒。计算区域采用蒙特卡洛模型中的N1×N2=NMC网格进行离散。格点能量可以表示为

(3)

式中J为常数,m为与该格点相邻的晶格数,δSiSj为克罗内克函数,Si为随机选取的当前格点,Sj为当前格点的相邻格点。

随机选取一个晶格,计算格点能量,随后选取任意相邻格点的取向数进行更新,计算改变后能量的变化ΔE,并通过晶粒重取向准则进行判断是否接受取向数的改变。各向异性的晶粒重取向准则表示为

(4)

式中pl和pv分别为电弧移动方向和沉积方向上取向数改变的概率,取决于该方向上的温度梯度,kB为玻尔兹曼常数,T为温度。

蒙特卡洛步数在时间域离散形式下与温度和时间之间的关系可以表示为

(5)

式中l0为初始晶粒尺寸,λ为格点长度,a1和n为模型系数,K1和n1为晶粒生长系数,D可表示为

(6)

式中Vm为原子摩尔体积,A为模型系数,Z为单位面积内的平均原子数,Na为阿伏伽德罗常数,h为普朗克常量,ΔSf为熔熵,γ=0.5 J/m2为边界能。

2.3 晶体塑性力学模型

在增材过程中,增材区域上部以柱状晶为主,在电弧移动方向和沉积方向上具有不同的力学性能,因此根据蒙特卡洛方法计算得到的多晶体模型,建立晶体塑性力学模型,计算柱状晶不同方向上的力学性能。晶体的总变形梯度可以表示为

F=FeFp

(7)

式中Fe为晶格拉伸和刚性旋转的弹性变形梯度,Fp为晶体内部滑移的塑性变形梯度,与滑移速率的关系可表示为

(8)

式中N为滑移系个数,mw和nw分别为第w滑移系的滑移方向和其法线方向,图片为第w滑移系的剪切应变率,可表示为

(9)

式中图片为参考应变率,m为率敏感系数,τω为第ω滑移系的剪切应力,sgn(τω)为符号函数,gω为临界分剪切应力,演化方程为

(10)

式中N为滑移系数目,hωυ为潜硬化模量,可表示为

(11,12)

式中f为硬化比例,hww为自硬化模量,h0为初始硬化模量,τ0为屈服应力,τs为饱和临界应力,γ为所有滑移系的累积剪切应变。

2.4 位错动力学模型

钛合金的力学性能归因于晶粒尺寸、位错之间的长程相互作用和位错穿过短程障碍的运动,可以分为三部分。

(13)

式中第一项表示位错移动通过短程障碍的作用力,第二项表示位错的长程相互作用力,σath为剪切强度。kb为玻尔兹曼常数,p=0.3和q=1.8为比例系数,图片为参考应变率,图片为塑性应变率。Δf0Gb3为克服短程障碍需要的活化能,其中Δf0为温度相关的系数,b为博格斯矢量,G为剪切模量,m为泰勒因子,α为比例系数,图片i为位错密度,其演化模型分为硬化和动态回复两部分。θ为拉伸方向与热源移动方向的夹角,范围为0～π/2,kθ=1.6×103 MPa·m1/2,Dθ为该拉伸方向下的晶粒尺寸,可以表示为

(14)

在硬化过程中,固定位错密度的增殖与塑性应变率成正比

(15)

式中Λ为平均自由程,g为晶粒尺寸,s为亚晶粒尺寸。亚晶的形成和演化可表示为

(16)

式中Kc为与温度相关的模型参数,列入表1。等温条件下的晶粒生长模型可表示为

(17)

式中g0为初始晶粒尺寸,K为模型参数。

位错密度的动态回复主要由位错滑移、攀移[13]和晶粒球化[14]三部分构成

(18)

式中Ω为模型系数,cr为材料常数,图片eq为平衡位错密度,图片为球化率,Ψ为校正系数。球化分为动态和静态两部分

Xg=Xd+(1-Xd)Xs

(19)

(20)

(21)

式中Xd和Xs分别为动态球化量和静态球化量,M,kp和B为随温度变化的材料参数。

材料的表观扩散率Dapp可表示为

(22)

式中D1为晶格扩散系数,Dp为沿位错线扩散系数,Dp0为材料参数,Qp为活化能,图片为位错横截面的原子数,nρ近似等于图片为单位面积内的原子数。晶格扩散系数会受到α相和β相体积分数的影响

(23)

式中cv为空位浓度,f为β相的体分比,w为模型系数。Da和Db分别为α相和β相的晶格扩散系数。

假设只有长程作用力对空位的形成有影响,加入温度变化的影响,空位浓度产生和湮灭的模型为

(24)

式中Ω0=1.76×10-29 m3为原子体积,图片=0.1为空位生成的能量分数。

为了计算流动应力的演化过程,将位错密度和空位浓度相关公式转化为迭代形式

(25)

(26)

 3 结果与讨论

温度场与不同增材层的节点温度历程如图2所示,灰色部分代表增材过程中的熔池区域。随着增材层数的增大,热量逐渐累积,第二增材层节点的峰值温度为1844.55 ℃,到第十层节点峰值温度升高至2123.63 ℃。

图2 温度分布及不同增材层沉积时节点温度时程曲线

Fig.2 Temperature distribution and node temperature history during deposition of different additive layers

将得到的截面节点温度历程代入蒙特卡洛数值模型,得到增材层截面的微观结构,如图3所示。增材层底部的晶粒以等轴晶为主。随着增材层逐渐升高,热量逐渐累积,等轴晶的平均晶粒尺寸更大。在增材层上部,其散热以向底部单向散热为主,晶粒沿温度梯度增大的方向生长,以柱状晶为主。

图3 增材层截面微观结构

Fig.3 Cross section microstructure of additive layers

根据蒙特卡洛方法得到的微观结构,重构了晶体塑性多晶体模型,如图4所示,其中,等轴晶部分晶粒取向采用随机取向,柱状晶部分晶粒取向选取〈0 0 1〉取向,以及附近的随机取向,进行晶体塑性计算。

图4 晶体塑性有限元模型

Fig.4 Crystal plasticity finite element model

β相晶粒为体心立方(BCC)结构,具有48个滑移系,图片取为0.001/s。柱状晶区域的应力应变曲线如图5所示。其中模型沿纵向拉伸时,屈服强度为867.3 MPa。沿垂向拉伸时,屈服强度为788.4 MPa,与试验值平均屈服强度803 MPa[15]对比,误差为1.8%,验证了晶体塑性力学模型的有效性。

图5 不同拉伸方向下的应力应变曲线

Fig.5 Stress-strain curves under different tensile directions

根据修正后的位错动力学数值模型计算得到的不同温度下柱状晶纵向和垂向拉伸的应力应变曲线如图6和图7所示。纵向拉伸条件下常温时的屈服强度为865.2 MPa,600 ℃时屈服应力为418.76 MPa,1000 ℃时屈服应力为9.3 MPa。垂向拉伸条件下常温时的屈服强度为787.8 MPa,600 ℃时屈服应力为379.8 MPa,1000 ℃时屈服应力为8.3 MPa。随着温度升高,屈服应力逐渐降低。在600 ℃～1000 ℃时,应力-应变曲线出现明显软化。

图6 不同温度下纵向拉伸的应力应变曲线

Fig.6 Stress-strain curves under longitudinal tension at different temperatures

图7 不同温度下垂向拉伸的应力应变曲线

Fig.7 Stress-strain curves under vertical tension at different temperatures

 4 结 论

本文提出了基于蒙特卡洛模型和晶体塑性模型相结合的微观结构-力学行为一体化计算模型,并与试验对比验证了模型的有效性。修正了位错动力学模型,能够更好地表征具有各向异性特征的柱状晶的力学行为。在常温下,纵向拉伸的屈服强度为865.2 MPa,垂向拉伸的屈服强度为787.8 MPa,具有明显差异。随着增材层的升高,晶粒尺寸逐渐增大,晶粒形貌由等轴晶向柱状晶转变。随着温度升高,屈服强度逐渐降低。在600 ℃～1000 ℃时,应力应变曲线出现明显软化。

来源
材料成型及模拟分析 l

基于晶粒形貌的增材制造力学行为数值模拟

Citation

王艺飞,陈静远,张 昭.基于晶粒形貌的增材制造力学行为数值模拟[J].计算力学学报,2024,41(5)：837-842.

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 金属增材制造的
     多物理场物质点有限元法

李明健,陈嘉伟,廉艳平
北京理工大学先进结构技术研究院

金属增材制造过程涉及复杂的热-流-固强耦合问题，对数值模拟算法的精度和效率提出了巨大的挑战。针对该问题，本文提出了多物理场物质点有限元法。该方法采用结构化背景网格、有限单元和物质点离散求解各物理场，通过分区求解和界面耦合的方式实现热-流-固耦合求解。对于潜在熔化区域和未发生熔化的区域，分别采用物质点和有限元离散，结合了两者在求解材料特大变形和小变形问题上的各自优势，能够在保证计算精度的前提下有效提升计算效率。数值算例表明了本文算法的热-流-固多场耦合计算精度、相比于已有算法的高效性以及物质点和有限元离散区域界面处温度和应力的连续性。本文工作为金属增材制造过程多物理场耦合问题提供了一种高效的数值模拟方法。

 冷喷涂中氧化物影响的物质点法模拟

陈聪,苏浩,刘岩
清华大学航天航空学院

冷喷涂利用冲击载荷下材料的塑性变形实现金属间的固态结合，在表面修复、特殊材料制备和增材制造等工程应用方面具有重要意义。原材料表面的氧化物是影响冷喷涂中材料结合效率和粘接强度的重要因素之一。本文采用物质点法研究了颗粒及基底表面氧化物对粘接过程的影响。通过分析界面处氧化物的残留情况，借助定义的颗粒内极端塑性变形区的体积比，给出了不同冲击速度下颗粒和基底氧化物对接触面积和塑性变形程度的影响规律。当氧化物存在时，提高颗粒的冲击速度能够同时增加新鲜的金属表面和塑性变形。

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 扫描策略对增材制造
     钛铝异质合金组织性能影响

贺晨1李家栋2孙晨1赵宇辉1赵吉宾1王志国1何振丰1
1.中国科学院沈阳自动化研究所工艺装备与智能机器人研究室2.东北大学材料科学与工程学院

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 基于声音识别技术的
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广西轻工技师学院

针对增材制造过程质量不稳定的问题，提出一种基于声音识别技术的增材制造过程质量预测（Sound Recognitionbased Additive Manufacturing Process Quality Prediction,SRAM-PQP）方法。该方法通过音频信号预处理、声音特征提取、机器学习模型训练，实现增材制造零件缺陷的精准预测。实证结果表明，SRAM-PQP方法的预测准确率达96.67%,F1值达96.75%，对不同缺陷类型均展现出良好的预测性能。

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 基于选区激光熔化的多孔结构工艺性能研究

甘艺良1伊明扬1叶焰杰2曾达1陈靖1马腾1
1.大博医疗科技股份有限公司基础研究院2.厦门医疗器械研发检测中心有限公司力学实验室

增材制造(3D打印)作为一种先进成型技术，在复杂多孔结构制造领域具有天然的优势。为研究3D打印成型多孔结构的工艺-性能规律，基于Ti-6Al-4V合金(TC4)材料及选区激光熔化(SLM)的3D打印方式成型多孔结构，通过正交实验设计的方法，选取SLM选区激光熔化工艺参数包括激光功率、扫描速度、搭接距离为试验因素，利用极差及方差分析，研究不同工艺因素对金属选区激光熔化(SLM)3D打印多孔样件的力学性能影响规律及相关因素对不同性能指标的影响程度。最终利用线性回归方程拟合的方式，获得相关因素与性能指标的线性回归方程关系，通过回归关系方程预测最优性能组合的理论性能值并与实际测试值进行比对，理论值与实际值匹配良好，证明了通过正交实验方法建立因素条件与性能的函数映射关系并对SLM成型多孔结构进行性能预测的可行性和准确性。

 3D打印C-PEEK的
     仿生结构设计和力学行为分析

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1.昌河飞机工业(集团)有限责任公司2.哈尔滨工业大学材料学院特种陶瓷研究所3.哈尔滨工业大学材料结构精密焊接与连接全国重点实验室

为了分析3D打印碳纤维增强聚醚醚酮（C-PEEK）复合材料的力学行为，探索最优工艺参数进行仿生结构设计，研究了碳纤维含量、打印喷头温度、平台温度、切片层厚度、打印速度、填充度、填充直线角度、填充形状、热处理温度及保温时间等多个工艺参数下，3D打印C-PEEK的力学性能演化规律。结果表明：含10 wt.%碳纤维的C-PEEK拉伸性能最好，并且最佳的3D打印参数为：打印喷头温度440℃、平台温度130℃、切片厚度0.2mm、填充度100%、90°直线填充、打印速度40mm/s、保温腔90℃。此外，根据最佳3D打印参数设计兼具蜂窝多孔和Bouligand旋转夹层的仿生结构，开展抗压强度测试并进行压溃行为分析，发现当层间旋角为30°时对应的蜂窝-Bouligand仿生结构的抗压强度可达24.1 MPa，且具有优异的非灾难性断裂特征。

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