Nature最新：超越TC4，3D打印获得更高强韧性钛-氧-铁合金

大多数工业钛合金都具有基于Ti的两个基本相的微观结构，即密排六方(HCP)α相和体心立方(BCC)β相，因此，按照基体组织可分为α型钛合金、β型钛合金和α＋β型钛合金。α型钛合金的室温强度不高，在低温和较高温度下组织稳定，不能进行热处理强化；β型钛合金未热处理即具有较高的强度，但热稳定性较差，不宜在高温下使用；α＋β型钛合金的综合性能较好，具有较好的强韧性，能够在高温下使用，最多使用的就是Ti6Al4V，可谓是钛工业的支柱。

α＋β型钛合金通过将Ti与α相和β相稳定剂合金化而成。α相稳定剂仅限于Al、N、O、C、Ga和Ge，其中N和C是严格控制的杂质，而Ga和Ge无法满足商业低成本使用要求。因此，Al和O成为钛α相和β相的两种最强大的稳定剂和强化剂。需要注意的是，O比Al对α相的增强作用强约20倍，对α相的稳定作用强约10倍，在凝固过程中对于β晶粒的生长限制能力强40倍。然而，O的这些属性在α＋β型钛合金的开发中未得到充分利用。

O作为Ti中主要的α相稳定剂的问题是它的脆化效应，它在变形过程中与位错有强烈的相互作用。此外，O会改变相平衡，促进脆化相的形成。这些限制导致工业钛合金的设计需要遵循相关规则。Fe是Ti中的β相最有效和最便宜的稳定剂，但Fe的使用也会产生导致影响机械性能较差的β斑点。因此，在一些工业钛合金中，Fe的使用量会受到限制。

尽管如此，O和Fe的上述优势也吸引了大量团队来努力开发α＋β型Ti-O-Fe钛合金以作为Ti6Al4V的替代品，最初期望是在钢锭开裂热加工操作期间改善热加工性和表面质量。这些努力取得了不同程度的成功，一些合金在热加工和退火条件下都表现出与Ti6Al4V相当的拉伸性能，但在铸态条件下的拉伸强度和延展性较低。

《自然》杂志最新的研究介绍了在Ti中结合使用O和Fe的另一种考虑，研究人员试图通过将合金设计概念与增材制造工艺相结合来规避Ti与O、Fe合金化所带来的冶金挑战。目标是通过增材制造创建一类新型的高韧性和高强度的α＋β型Ti-O-Fe合金。

根据合金中钼元素的含量，在Ti中添加3.5%的Fe可以通过淬火将先前的β相保留到室温。根据经验规则，最大O含量设定为0.7%（大多数Ti合金在氧含量超过0.7%时会失去拉伸延展性）。因此，在Fe含量为3%的前提下，分别实验氧含量为0.15%、0.35%、0.50%、0.70%共四个水平的十种合金。在增材制造工艺方面，选择了激光金属粉末定向能量沉积(DED)，在高保真模拟的帮助下，可以制造具有一致微观结构的大型近净形部件。

用于通过激光DED制造合金的原料粉末包括氩气雾化商业纯钛 (CP-Ti) 粉末（50–100µm）、水雾化铁粉（20–50µm）和 TiO2粉末（<5 μm），其中CP-Ti 的成分为Ti–0.13O–0.15Fe。

研究人员结合合金设计、计算模拟和实验表征绘制了增材制造工艺与以前未报道的α＋β型Ti-O-Fe合金的微观结构和性能之间的关系。通过计算模拟了DED过程，并使用计算热力学方法和量子力学方法分别检查合金的热力学和电子结构。然后，使用激光能量沉积制造合金试样，并使用先进的电子显微镜和原子探针显微镜对它们进行拉伸机械测试和成像。

研究表明，所开发的Ti-O-Fe合金包含稳定的α相和β相，可以使用多种参数进行3D打印。合金的微观结构非常理想，其中约70%的体积为富氧α相，约30%由细小的富铁β相晶粒组成。所开发的α＋β型Ti-O-Fe合金具有0.3-0.5%的氧重量，比具有相似延展性的Ti-6Al-4V合金强度更高，因此在室温下具有多种应用潜力。