作者

第一作者：刘洋

通讯作者：陆体文，王永刚

机构

宁波大学，华东理工大学

Citation

Liu Y, Zhang K K, Lu T W, Hu Y X, Chen H Y, Wang D, Zhang M, Kosiba K, Wang Y G. 2026. Overcoming the strength-ductility trade-off in additive manufacturing of titanium alloy by in situ fabrication of heterogeneous lamellar microstructure. Int. J. Extrem. Manuf. 8 015004.

免费获取全文

https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae0797

01文章导读

针对3D打印钛合金强韧倒置问题，近期，宁波大学王永刚教授团队基于相工程和原位合金化，利用粉末床激光熔融技术原位制备了层状异构钛合金，实现材料的强度-塑性协同增强，并在SCI期刊《极端制造（英文）》发表了题为“Overcoming the strength-ductility trade-off in additive manufacturing of titanium alloy by in-situ fabrication of heterogeneous lamellar microstructure”的文章。

图1 本基于粉末床激光熔融原位制备层状异构钛合金及其变形机制。

02 图文解析

本研究基于双相钛合金Ti-6Al-4V（TC4）的铁致相变，提出一种通过激光粉末床熔融（LPBF）工艺和亚稳态工程的原位制备层状异构钛合金的策略。在热力学计算的指导下，将TC4与纯Fe粉末按优化配比进行精确混合，然后采用高、低激光能量密度进行周期性打印，形成Fe非均匀分布为特征的周期性层状微观结构（如图2、3所示）。该方法不同于传统轧制等层状异构的制备手段，利用同种材料简单快速地构建了层状结构合金材料，避免了层间缺陷，为合金材料的可编程设计和制造提供了一种新思路。

图2 采用高、低激光能量打印的TC4-Fe合金的微观组织及相的形貌。

图3  原位制备的层状异构钛合金的微观组织及相的形貌。

在拉伸条件下，所设计的层状异构钛合金的屈服强度和极限拉伸强度分别达到1036和1419 MPa，均匀延伸率为4.2%。在压缩条件下，其屈服强度为1083 MPa、极限抗压强度为1570 MPa，断裂塑性达到12.6%。与传统增材制造TC4钛合金相比，其强度均得到提高，而塑性不仅没有损失，甚至有一定提高，显示出较好的强度-塑性协同性（如图5所示）。

图4 所设计材料的拉伸和压缩力学性能及其对比。

所设计的层状异构的高强度源于纳米级α相与ω相析出物均匀分布引起的析出强化效应，而高UE与加工硬化能力则归因于加速的应变诱导马氏体行为及强异质变形诱导应力。其中，低激光能量层中更密集的双相界面及更细小的晶粒增强了其对SIM行为的敏感性。加载过程中软/硬层间的应变梯度进一步强化了HDI效应并促进SIM行为，如图5所示。

图5 层状异构钛合金的变形机制。

03 总结与展望

Ti-Fe合金中较高密度的ω析出物对材料的塑性存在负面影响，是导致合金脆断的原因之一。钛合金中的ω析出物可通过热处理减少，如此能进一步改善合金的延展性。

04 作者团队及介绍

本团队主要开展面向极端服役环境的增材制造金属材料和结构的服役性能研究，承担了国家自然科学联合基金重点项目、科学挑战专题、国家自然科学基金、省重点研发计划等国家级、省部级项目10余项，发表SCI论文40余篇、申请发明专利5项。第一作者刘洋教授主要开展抗冲击性能驱动激光增材制造合金材料的设计及多尺度变形行为研究，近三年，在International Journal of Extreme Manufacturing、Journal of Materials Science & Technology、Composites part B、Additive Manufacturing等国际知名期刊以第一/通讯作者发表相关论文20余篇，促进了机械、材料、力学等学科的交叉融合。代表论文如下：

1. Hongyu Chen, Xiaofeng Yang, Dongdong Gu, Yang Liu*, Shengze Yang, Xiyu Chen, Konrad Kosiba, Yufei Chen, Junhang Du, Konda Gokuldoss Prashanth, Yonggang Wang, Tiwen Lu*. Unusual deformation substructure and strain hardening in an additively manufactured CoCrFeMnNi high entropy alloy under high-velocity impact loading[J]. Journal of Materials Science & Technology 241 (2026) 35-51.

2. Tao Wang, Chen Li*, Yixiong Hu, Hongyu Chen, Tiwen Lu, Mina Zhang, Feng Yu, Yang Liu*, Yonggang Wang. Correlation between the microstructure and anisotropic mechanical behavior of laser powder bed fusion of Fe-riched FeCoCrNiMn high-entropy alloy: Experimental and crystal plasticity finite element analysis[J]. Additive Manufacturing 110 (2025) 104927.

3. Shengze Yang, Tiwen Lu*, Yixiong Hu, Guangsheng Ma, Hongyu Chen, Zhiguo Li, Di Wang, Mina Zhang, Yang Liu*, Yonggang Wang. Periodically layered heterostructure enhances strength-ductility trade-off in an additive manufactured dual-phase medium-entropy ferrous alloy[J]. Composites Part B-Engineering 300 (2025) 112494.

4. Shengze Yang, Yang Liu*, Hongyu Chen, Yonggang Wang, Konrad Kosiba. Laser powder bed fusion of Fe60(CoCrNiMn)40 medium-entropy alloy with excellent strength-ductility balance[J]. Materials & Design 238 (2024) 112720.

5. Lijin Dai, Yang Liu*, Shengze Yang, Hongyu Chen, Shuxin Li, Yonggang Wang. Orientation-dependent dynamic shearing properties and underlying failure mechanisms of laser powder bed fusion of CoCrFeNi high-entropy alloy[J]. Materials Science & Engineering A 890 (2024) 145918.

6. Yang Liu, Tao Wang, Hongyu Chen, Zhiguo Li, Shuxin Li, Di Wang, Yonggang Wang*. Konrad Kosiba. Impact behaviors of additively manufactured metals and structures: A review[J]. International Journal of Impact Engineering 191 (2024) 104992.

7. Yang Liu*, Jinhui Meng, Lei Zhu, Hongyu Chen, Zhiguo Li, Shuxin Li, Di Wang*, Yonggang Wang*, Konrad Kosiba. Dynamic compressive properties and underlying failure mechanisms of selective laser melted Ti-6Al-4V alloy under high temperature and strain rate conditions[J]. Additive Manufacturing 54 (2022) 102772.

8. Hongyu Chen, Yang Liu*, Yonggang Wang, Zhiguo Li, Di Wang, Konrad Kosiba. Temperature-dependent dynamic compressive properties and failure mechanisms of the additively manufactured CoCrFeMnNi high entropy alloy[J]. Materials & Design 224 (2022) 111324.

关于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing (《极端制造》），简称IJEM，中国机械工程学会极端制造分会会刊，致力于发表极端制造领域相关的高质量最新研究成果。自2019年创刊至今，期刊陆续被SCIE、EI、Scopus等20余个国际数据库收录。JCR最新影响因子21.3，位列工程/制造学科领域第一。中国科学院分区工程技术1区，TOP期刊。入选中国科技期刊卓越行动计划二期英文领军期刊。

期刊网址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

作者福利：

• 金色开放获取

• 提供绿色通道快速评审原创突破性成果

• 接收后24h内在线

• 免费全球化宣传推广

• 免费高质量图片编辑与规范化文献校对