添加微量钛显著提升3D打印海洋青铜性能

哈尔滨工业大学与英国德蒙福特大学研究团队在《先进材料连接》期刊发表论文指出，通过电弧增材制造（WAAM）技术3D打印的镍铝青铜常因粗大柱状晶导致力学各向异性。团队创新性地采用原位刷涂含50纳米钛粉乙醇溶液的方法，仅需添加0.05%至0.1%（质量分数）的微量钛，即可同步实现晶粒细化、强度提升与耐腐蚀性增强。

传统WAAM工艺热输入高，易沿沉积方向生长粗大柱状晶。该团队使用冷金属过渡（CMT）系统降低热输入，将不同浓度钛纳米颗粒溶液逐层刷涂于基材上，随后电弧重熔使颗粒直接溶入熔池。这一原位微合金化策略避免了传统焊后热处理，将制造与改性整合为单程。

研究发现钛含量与晶粒尺寸呈非单调关系。当添加量为0.03%时，由于有效形核位点密度低于临界值，晶粒反而粗化至75.2微米，约为未改性样品的两倍。但当添加量升至0.05%和0.1%时，存活钛颗粒触发大量异质形核并产生齐纳钉扎效应，平均晶粒尺寸骤降至17.3微米和21.6微米。电子背散射衍射证实，强织构显著减弱，晶粒取向趋于随机均匀。

力学测试表明，改性后维氏硬度普遍提升6%至8%，峰值达195.6 HV0.3。0.1%钛添加样品的综合性能Zui优：纵向抗拉强度升至718.2兆帕，屈服强度372.5兆帕，延伸率达28%。正交方向测试数据差异缩小至实验误差范围内，证明打印金属固有的力学各向异性已被有效抑制。断口形貌由准解理脆性断裂转变为韧性韧窝断裂，裂纹扩展阻力显著增加。

在模拟海洋环境的3.5%氯化钠溶液浸泡21天后，0.1%钛样品展现出耐蚀性，腐蚀速率降至0.167克/平方米/天，腐蚀产物层厚度仅1.83微米。电化学测试显示其腐蚀电流密度下降15.6%，开路电位在18秒内快速稳定，表明致密钝化膜形成迅速。透射电镜与能谱分析确认，钛元素主要固溶于α基体，未生成新相或破坏原有析出相结构，强化机制源于晶粒细化、固溶强化与位错钉扎的协同作用。

该研究突破了传统成分微调中“强韧倒置”或“耐蚀牺牲”的性能权衡瓶颈。对于造船与海洋工程领域而言，在打印过程中直接添加0.05%至0.1%钛微粒，为制备大型复杂、高强度且耐海水腐蚀的海洋装备构件提供了一条低成本工艺路径。