由澳大利亚蒙纳士大学、中科院金属所、上海理工大学、澳大利亚国立大学、澳大利亚迪肯大学以及美国俄亥俄州立大学展开全方位合作，利用3D打印技术大幅提升现有商用钛合金的强度，使其具有现有所有3D打印金属中最高的比强度。研究人员利用3D打印工艺独特的热循环和快速凝固特点，在材料中形成致密、稳定和多重内部孪晶的独特纳米沉淀微观组织结构，从而获得前所未有的机械性能。虽然现有工作已经证明在纯金属中实现高密度的纳米孪晶和纳米沉淀相可以获得异常高的强度和足够的延展性，但这种具有致密内部孪晶的纳米沉淀相在现有商用合金中的研究还是首次报道。

近日，相关研究成果以Ultrastrong nanotwinnedtitanium alloys through additive manufacturing为题发表在Nature Materials上。

在该项工作中，研究人员使用常用的激光粉床3D打印技术，制备了一种商业钛合金（Beta-C）。对打印试样进行了两种不同温度的直接时效热处理。拉伸应力应变曲线显示经过480 ℃和520 ℃热处理的样品具有出人意料的高强度。经过480 ℃热处理后，极限强度达到了1611 MPa并保持了5.4%的均匀伸长率。这种强度高于迄今为止报道的所有3D打印钛合金、钢、铝合金以及镍基高温合金。此外，这种合金的强度和延展性可以通过调整热处理方案来调控，从而满足特定应用需求。

为了揭示这种激光粉床3D打印超高强钛合金的特殊强化机制的根源，研究人员对热处理前后的打印样品进行了细致的微观组织研究。结果表明，成形态的微观结构为纯体心立方β以及高密度的螺位错组态。在此基础上进行热处理形成的显微组织（宽度在10~50 nm尺度的纳米级α-沉淀物）与传统工艺制备的钛合金有很大不同，并抑制了晶界α相在热处理过程中的析出。

该项工作采用增材制造技术在材料组织中引入高密度纳米孪晶沉淀物，从而获得了超高强钛合金。这种在商业钛合金中实现的独特微观组织和性能可能会产生实际的工业应用。同时该项工作的研究结果也为物理冶金领域的传统沉淀强化机理和位错工程带来新的视角。