增材制造(AM)，也被称为3D打印，将多个冶金过程集成在一起，在一个单一的过程中，合金的制造、成形和处理都是同时进行的。然而，AM在很大程度上被认为是一种制造接近净形状的材料部件的成形技术，而没有充分利用AM提供的能力，同时协同推进合金和工艺。
通过一点一点、一层一层地灵活地构建组件，AM提供了创造具有特定位置成分和微观结构的异质合金的机会。在激光粉末床熔合(L-PBF)过程中，由于时间短且熔池的冷却速度快，甚至可以通过内部的部分均质化来实现更精细（例如微米级）的浓度调节（以下称为 microCM）。每个熔池使用不同合金或元素粉末的预混混合物。这种microCMs已被证明具有提供各种合金特定优势的潜力，例如β-Ti中的梯度沉淀显微组织；钢中的马氏体-奥氏体异质结构；铁弹性材料中的受控应变释放、线性超弹性和超低弹性模量。
香港城市大学刘锦川院士、杨涛博士和俄亥俄州立大学Yunzhi Wang教授（均为共同通讯作者）在Science发文，In situ design of advanced titanium alloy with concentration modulations by additive manufacturing，利用激光粉末床熔合技术将少量316L不锈钢加入到Ti64钛合金中，这一过程创造了一种合金，具有独特的微观结构，保持了高强度，同时大大提高了延展性。
作者展示了如何使用两种商业合金粉末的混合物Ti-6Al-4V (Ti64)和316L (67.5Fe-18Cr-12Ni-2.5Mo，均以重量百分比计)，通过L-PBF设计这种microCM Ti合金。这两种合金的选择基于以下考虑：
1. 采用增材制造的Ti64长期以来一直存在有害柱状晶粒大和加工硬化能力差的问题。
2. 316L中的元素（Fe、Cr、Ni和Mo）是有效的晶粒细化剂，也是Ti合金中有效的β稳定剂。
在适当选择要添加的316L量和L-PBF处理参数后，Ti64基体中这些元素的microCM将创建，与浓度相关的相位稳定性调制可在打印合金中产生精细的β+α’双相微结构。这种类型的microCM Ti合金在变形过程中在广泛的外部载荷下表现出高屈服强度和渐进的相变诱导塑性(TRIP)效应，从而导致延长的均匀伸长率和增强的加工硬化效果。具体来说，这种合金展现出了约1.3 GPa的高拉伸强度和约9%的均匀伸长率和>300 MPa的出色加工硬化能力。
这种方法为使用浓度调节异质合金结构和功能创造了一条途径，该设计策略对改善其他合金体系的力学性能也有一定的指导意义。
图1. 打印出的Ti64-(4.5%)316L合金的微米尺度浓度调制和显微结构
图2. microCM合金Ti64-x316L的显微组织和力学性能
图3. microCM合金的加工硬化行为及显微组织演变
Zhang et al., In situ design of advanced titanium alloy with concentration modulations by additive manufacturing. Science 374, 478–482 (2021)
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj3770
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