Ti64-(4.5%)316L(wt %)合金的典型microCM结构如图1 (A至C)所示 。 例如 ， 我们的扫描电子显微镜-能量色散光谱（SEM-EDS）图像（图1A）显示Ti、Al和V（Ti64元素）明显耗尽 ， Fe、Cr和Ni（316L元素）富集在熔池内的一个漩涡中 。 高倍透射电子显微镜-EDS（TEM-EDS）线扫描结果（图1、B和C）显示了沿a′-B界面区域更清晰的颗粒内浓度梯度 。 与b相区相比 ， a′马氏体相区的316L元素(b稳定剂)含量要低得多 。 在一个a′和一个b相区域的中心 ， 我们用3D原子探针层析成像（3D-APT）测量的精确成分分别为Ti-6.0Al-4.1V-0.9Fe-0.3Cr-0.1Ni-0.01Mo和Ti-5.8Al-3.9V-6.4Fe-1.7Cr-1.6Ni-0.3Mo[也可简化为Ti64-（1.3%）316L和Ti64-（9%）316L
。 因此 ， microCM合金在整个结构中具有特定位置 。
在L-PBF期间 ， 通过熔体池中两个合金熔体漩涡的部分均匀化产生microCM ， 其中 ， 在熔体池内的两个合金熔体之间 ， 通过带有Marangoni运动的流体流动进行物理混合 ， 通过原子扩散进行化学混合 。
尽管物理混合倾向于在熔体池规模上使熔体均匀化（产生两种合金熔体的漩涡） ， 但完全均匀化（例如 ， 316L元素完全分解为Ti64）需要在熔池中相邻的富316L元素和富Ti64元素漩涡之间进行充分的化学混合和充分的相互融合 。 由于小熔池尺寸和与L-PBF(3132)相关的快速凝固 ， 凝固后保持部分均质状态 。 通过APT、TEM-EDS和SEM-EDS在microCMTi64-（4.5%）316L合金中测量的316L浓度变化范围为~1.3至~9.9wt%（Dc）≈ 8.6%（重量百分比） 。
微米尺度成分梯度带来的熔岩状微观结构 ， 来源：香港城市大学实验室
这种浓度不均匀性已被报道 ， 并被认为是AM的不良反应 。 然而 ， 研究人员积极利用L-PBF的这一特性在钛合金中实现了微结构 ， 从而形成了具有优异机械性能的调制双相（a′+亚稳b）微观结构 。
microCM对印刷态合金的相稳定性和微观组织调制有直接影响 。 从印刷态Ti64-（4.5%）316L的侧视图横截面上 ， 通过背散射电子(BSE)成像 ， 我们观察到一个类似熔岩的微观结构 ， 显示了熔融池内流体流动的清晰漩涡模式(图1D和E) 。 在每个单独的熔池区域 ， 在暗(316L元素-贫)和亮(316L元素-富)漩涡中 ， 我们发现了两种截然不同的微观结构特征 。 暗漩涡由细针状a′马氏体（黄色箭头）组成 ， 典型板条厚度约为100 nm ， 内部有一些超细孪晶结构（孪晶间距约为20 nm）（图1、F和G） 。
然而 ， 明亮的漩涡由一个单一的b相组成 ， 在中心有一个细胞微结构（蓝色箭头） 。 我们利用电子背散射衍射（EBSD）结果（图1、H和I）证实了高度非均匀和精细调制的b+a′微观结构 。 与传统的沿着构建方向的大柱状晶粒不同的是 ， 在AM Ti64(35-37)中观察到的是超细晶粒 。 此外 ， 印刷态合金具有高密度（>99.9%）（图S1） 。
图2 印刷态microCM Ti64-x316L合金的微观结构和机械性能 。 （A） 印刷态Ti64-（6.0%）316L、Ti64-（4.5%）316L和Ti64-（2.0%）316L合金的工程应力-应变曲线 。 UTS由曲线中的大开放符号标记 。 （B） 与通过不同AM方法和传统技术生产的Ti64合金相比 ， 印刷态Ti64-x316L合金的工程抗拉强度与均匀伸长率（2238–47） 。 （C至I）显微组织对Ti64-x316L合金微观结构的影响 。 （C） 三种合金相组成的XRD图谱 。 a.u任意单位 。 [（D）至（I）
显示相成分和晶粒取向的三种不同印刷态合金的EBSD相图和IPF图 。
microCM的第二个影响是对亚稳性诱导的力学性能的增强 。 在凝固过程中 ， 由于局部均匀化 ， 存在316L富元素区和316L贫元素区 。 在进一步冷却后 ， 316L贫元素区发生b-to-a '马氏体转变 ， 而316L富元素区作为亚稳态b相保留 ， 形成高度分散的b + a '双相显微结构 。 此外 ， b相区域内的成分变化导致相稳定性变化 ， 这导致加载时的渐进TRIP效应 ， 因此 ， 具有良好的加工硬化能力和延长的均匀延伸率 。
研究人员对印刷态Ti64-（4.5%）316LmicroCM合金（图2A）进行了拉伸试验 ， 获得了984±14MPa的屈服强度（sg） ， 1297±10 MPa的极限拉伸强度（sUTS） ， 以及8.8±0.2%（图2A）的均匀伸长率（eu） ， 具有延性断裂模式（图S6） 。 与采用不同AM技术（如L-PBF、电子束-PBF（E-PBF）和激光定向能量沉积（L-DED））制造的各类钛合金（a、a+b和b）相比（图2B和图S7） ， microCM Ti64-（4.5%）316L合金同时表现出较高的sUTS和较大的eu ， 打破了强度和塑性之间的平衡 。 此外 ， 优异的加工硬化能力（sUTS）? sy=313±11 MPa）有利于结构应用 ， 以保证断裂前的较大安全裕度 。
【《Science》: 采用增材制造的浓度调制先进钛合金的现场设计】
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