可替代Ti6Al4V | 结构应用和增材制造工艺的极佳候选材料
关于亚稳β钛合金的增材制造研究目前还非常有限。以Ti5553（Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr）为例，由于添加了V、Mo和Cr作为BCC结构的稳定剂，使得该材料在SLM的快速冷却过程保留了β相。通过产生一系列具有不同比例和形态的α和β相的微观结构，可通过热处理来增强或改变3D打印的 Ti5553零件的性能。然而，由于机械性能对微小的加工变化非常敏感，因此研究增材制造的Ti5553对热处理引起的微观结构变化非常重要。
2016年，来自德国的学者证明了采用SLM技术制造此类材料的可行性，所打印的Ti-5553的致密度为99.95%，拉伸强度为800Mpa，延伸率为14%。2019年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室材料工程部的研究人员则对SLM制造Ti-5553进行了不同热处理条件下的机械性能测试，最高屈服强度达到了1400Mpa。
不同热处理条件下的强度和应变破坏趋势
•通过SLM制造的 Ti5553在300°C热处理条件下，平均极限强度为824 MPa，延伸率为17％。
•在400–500°C之间热处理的样品具有最大的极限强度（最大强度接近1400 MPa），但脆化较为严重（破坏应变降至<2％），目前尚不清楚在此温度下具有如此高强度和低延展性的原因。
•较高的热处理温度会带来延展性的提高，但同时屈服强度和极限抗拉强度会降低。700°C的样品似乎具有屈服强度和破坏应变的最佳组合，具有1000 MPa和14％的破坏应变。
总之，还需要进一步研究整个热处理过程中的组组成变化和时间-温度稳定性，才能充分解释所观察到的力学行为和微观结构演变。
然而，以Ti5553为代表的亚稳β钛合金毕竟是制造大型结构零件的理想选择，SLM技术的打印尺寸受到了极大限制。近期，来自澳大利亚的研究人员对同属亚稳β钛合金的Ti-38644 （Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr），进行了电弧增材制造技术后的热处理研究，发现通过后期时效处理，该材料可实现极高的强度，屈服强度超过了1600Mpa，几乎增加了一倍。
•电弧增材制造的Ti-38644抗压屈服强度为861Mpa，并具有极强的韧性；在300℃/24小时的初始时效条件下，降压屈服强度略有提高，达到910MPa，塑性（破坏应变）降低到约45%。
•随着在高温下的持续时效，即双相时效，α相显著析出，这对合金性能有重要影响。在450℃/24小时的最终时效后，抗压屈服强度显著提高至1622Mpa，这几乎是β-退火条件下合金屈服强度的两倍，大大高于通过金属丝电弧增材制造的Ti6Al4V。不过此时，塑性（破坏应变）仅有约15%。
•在500℃、525℃或550℃下时效24小时，强度在1385-1210MPa，而塑性则在21-27%之间进一步平衡。
A）双重时效对增材制造的Ti–3Al–8V–6Cr–4Mo–4Zr合金硬度的影响；B）与WAAM生产的Ti–6Al–4V相比，每个测试条件下的合金屈服强度和破坏应变
因此，为了保持足够的塑性，500℃-550℃可能会为合金提供更合适的机械性能平衡。而在增材制造零件的热处理过程中，精确控制析出相的尺寸和分布，是获得综合力学性能的关键。亚稳β钛合金相比于Ti64具有更容易控制的相组成，为热处理优化提供了更广阔的选择空间。
增材制造的各种亚稳β-Ti合金的屈服强度
从增材制造的各种亚稳β钛合金的强度图中可以看出，现有的大部分研究发现此类钛合金的强度水平在600-900MPa之间，本文介绍的SLM制造的Ti5553和电弧增材制造的Ti38644具有最高的屈服强度。这些相对较新的亚稳β钛合金可替代常用的α/β合金Ti6Al4V，可以提供包括强度、延展性、抗疲劳性在内的综合力学性能。
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