浙江大学-多元合金化同步提高3D打印商业纯钛强度和延展性

2023年6月17日

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商业纯钛（CP-Ti）由于强度不足导致在实际工程中的应用被广泛限制。一般强度增强通常是以牺牲延展性为代价，因为这两种重要的机械性能通常是相互排斥的。最近浙江大学的科家们通过增材制造（AM）将316L不锈钢形式的多元素Fe-Cr-Ni-Mo系合金添加到CP-Ti中，实现强度和延展性的同步增强。CP-Ti和316L合金熔体在激光熔化沉积过程中局部均质化产生了ɑ板条组织、不连续ɑ晶界, 和β相的微观组织，Ti-1.35Fe-0.36Cr-0.24Ni-0.05Mo合金具有更高的极限抗拉强度（635MPa）和更大的延展性（12%）。从元素粉末到增材制造，这种方法可以为设计高性能金属材料提供指导。相关研究成果以：“Additive manufacturing of titanium alloys with enhanced strength and uniform ductility via multi-element alloying”为题，发表于中科院材料科学一区TOP期刊《Journal of Materials Research and Technology》。

www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2238785423009341

钛合金，特别是商业纯钛（CP-Ti），由于其优异的耐腐蚀性，可加工性和生物相容性，在海洋，航空航天和生物医学行业中变得越来越有吸引力。然而其强度不足和均匀延展性差，是结构应用的重要安全因素，长期以来限制了该材料的广泛应用。合金化是改善纯金属机械性能的常用方法。结合新兴的增材制造技术，从金属粉末混合物开始的原位合金化对新型钛合金的设计和验证产生了浓厚的兴趣。目前已经有研究人员使用元素粉末Fe和Ti制备了具有高强度和良好延展性的Ti-Fe合金。也有研究者通过增材制造开发了具有精细等轴初级β晶粒和超细共析层状结构的Ti-Cu合金，有助于提高机械性能。简而言之原位合金化钛基合金与铜或铁等单一元素已被用于开发具有良好机械性能的新型合金。然而过度掺入将不可避免地导致脆性二次颗粒（即Ti2Fe，Ti2Cu, Ti2Co ）的形成，进一步降低延展性。针对单元素添加的有限固溶度问题，浙江大学的研究人员重点介绍了多元素合金化，以充分利用溶解度极限内的不同合金元素，同时抑制脆性相的形成。主要制备了两种成分的钛合金，即CP-Ti合金化2wt%316L（S2），CP-Ti合金化5wt%316L（S3），同时制备了CP-Ti（S1）作为对比样品。研究通过激光熔化CP-Ti和316L粉末的混合物，成功制备Ti-Fe-Cr-Ni-Mo新型钛合金。这项工作为通过增材制造原位多元素合金化制备具有改善机械性能的新材料开辟了一条途径。

研究结果表明多元素Fe-Cr-Ni–Mo作为β相稳元素明显降低了固态相变温度。具有密排立方（hcp）晶格的ɑ相是沉积态样品的主相。并且具有少量的体心立方（bcc）β相。通过EBSD对相含量进行统计表明S2样品由97.2%的ɑ相和2.72%的β组成，样品S3由91.4%的ɑ相和8.51%的β相组成。通过对微观组织的分析表明CP-Ti以尺寸为10–100μm的等轴ɑ晶粒为主，而Ti–Fe–Cr–Ni–Mo合金则以篮状组织板条、晶界层（αGB）和β相为特征。EDS结果表明Fe-Cr-Ni-Mo元素在β相中产生富集。

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图 1.Ti-Fe-Cr-Ni-Mo合金制造工艺示意图。

表1 样品合金元素成分表。

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图2 打印样品的相组成和微观结构表征：（a）DSC曲线；（b） XRD相组成；（c-e）背散射电子（BSE）图像，S1（c）的等轴ɑ晶粒，S2（d）的初级β晶粒内的针状ɑ板条；S3（e）的细针状ɑ板条组织；（f–g）扫描透射电子显微照片（STEM）。

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图3 S2样品的EBSD和TEM分析：（a）显示ɑ板条晶粒取向的EBSD图像；（b）ɑ和β相的极点图；（c）ɑ和β板条的TEM明场图像，插入显示其所选区域电子衍射图；（d）STEM图像；（e）EDS图结果显示β相中铁、铬、镍、钼元素的富集情况。

基于微观结构特征和差异，拉伸性能和维氏硬度列于图4（a-b）和表2中。样品S1在∼350MPa的应力下开始屈服，极限拉伸强度达到∼430MPa，均匀伸长率为9%。CP-Ti在最终失效之前表现出较大的缩颈应变，然而，缩颈应变显著依赖于拉伸样品的标距长度，而与均匀伸长率无关。与S1样品相比，S2表现出约495MPa和635MPa的屈服强度和抗拉强度，延展性约12%。S3样品的抗拉强度最高（屈服强度720MPa，抗拉极限920MPa），但延展性最低，为3.37%。三个样品的显微硬度值变化也呈渐进式增加。抗拉强度和显微硬度的提高可归因于以下三个方面：（1）晶粒细化强化。具有较大生长限制因子Q的FeCrNiMo元素可以促进Ti合金的成分过冷，从而导致精制等轴β晶粒和细α晶粒；（2）固溶强化。FeCrNiMo元素作为β相稳定元素主要固溶于β相，引起明显的晶格畸变，进一步阻碍位错的移动；（3） α/β相界强化。精细的α/β微观结构有助于更大的相边界，可以与位错发生相互作用。这些高度分散的相边界将有助于增强位错存储能力和抗位错运动能力，这解释了S2中更高强度和更大延展性的协同作用。三个样品的延展性与其断裂形态一致（图4c-h）。S1和S2的断裂面呈凹陷，与断裂前的大拉伸塑性变形一致。S2中较小的凹坑（图4d）通过精细的α/β微观结构证明了增量变形阻力。在S3中观察到浅凹坑混合的解理断面。

表2 这项研究中开发的Ti材料机械性能，包括Ti-Fe-Cr-Ni-Mo样品。

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浙江大学-多元合金化同步提高3D打印商业纯钛强度和延展性图 4 三个样品的力学性能：（a）工程应力-应变曲线；（b）应变硬化速率曲线和真实应力-应变曲线；（c）S1的断裂面显示大韧窝；（d）S2的断裂面显示小韧窝；（e）S3的断裂面显示小凹陷和光滑解理面的混合物；（f-h）分别为S1、S2和S3的拉伸断裂样品的截面图。