導(dǎo)讀：鈦合金廣泛用于航空航天、汽車(chē)和能源領(lǐng)域，需要復(fù)雜的鑄造和熱機(jī)械加工才能達(dá)到承重應(yīng)用所需的高強(qiáng)度。在此，本文利用增材制造的熱循環(huán)和快速凝固來(lái)制造超強(qiáng)和熱穩(wěn)定的鈦合金，這些鈦合金可以直接投入使用。正如在商業(yè)鈦合金中所證明的那樣，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的后熱處理，可實(shí)現(xiàn)超過(guò)1,600MPa的拉伸強(qiáng)度和足夠伸長(zhǎng)率。其優(yōu)異的性能歸因于致密、穩(wěn)定和內(nèi)部孿晶納米沉淀物的異常形成，這在傳統(tǒng)加工的鈦合金中很少觀察到。這些納米孿晶沉淀物顯示出源自具有主要螺旋特征的高密度位錯(cuò)，并由增材制造工藝形成。本研究為制造具有獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性的結(jié)構(gòu)材料鋪平了道路，以便于廣泛應(yīng)用。

輕松生產(chǎn)既堅(jiān)固又輕便的復(fù)雜形狀的金屬部件是許多制造業(yè)的最終目標(biāo)。增材制造 (AM) 是一種支持技術(shù)，提供了幾乎可以制造任何幾何零件的設(shè)計(jì)自由度。因此，增材制造正在引領(lǐng)多個(gè)行業(yè)的金屬制造新時(shí)代，包括航空航天、汽車(chē)、生物醫(yī)學(xué)和能源行業(yè)。由于增材制造提供的許多優(yōu)勢(shì)，鈦合金目前是航空航天工業(yè)中領(lǐng)先的增材制造金屬部件。鈦合金比鋁合金更堅(jiān)固，比鋼更輕，可以提高能源效率。此外，與使用傳統(tǒng)制造工藝實(shí)現(xiàn)的 10:1 至 40:1 相比，增材制造鈦部件的購(gòu)買(mǎi)與飛行比率（即起始重量與最終重量的比率）可以更接近 1:1。然而，與傳統(tǒng)生產(chǎn)的鈦部件相比，目前工業(yè)中使用的AM鈦產(chǎn)品的數(shù)量仍然有限。一個(gè)主要問(wèn)題是，大多數(shù)由增材制造 制成的市售鈦合金在許多結(jié)構(gòu)應(yīng)用中都沒(méi)有令人滿意的性能，尤其是它們?cè)谑覝叵碌膹?qiáng)度不足和在承載條件下的高溫下。迄今為止，對(duì)鈦合金中形成的 as-增材制造 微觀結(jié)構(gòu)的了解有限，鈦合金通常包含高位錯(cuò)密度、元素偏析和獨(dú)特的凝固結(jié)構(gòu)。對(duì)這些微觀結(jié)構(gòu)的基本了解最終將允許對(duì)組件進(jìn)行剪裁，以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)加工無(wú)法獲得的綜合性能。

鈦合金一般分為三類(lèi)：α（六方密排結(jié)構(gòu)）、β（體心立方結(jié)構(gòu)）和α+β。大多數(shù)鈦合金，特別是α+β-和β-基團(tuán)，都是通過(guò)固溶沉淀強(qiáng)化的，這一直是上個(gè)世紀(jì)強(qiáng)化工程合金最有效的方法之一。為此，控制析出物的形狀、尺寸和分布以抵抗位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)一直是實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的關(guān)鍵策略。當(dāng)納米沉淀物被引入金屬時(shí)，這種策略已被證明特別有效，因?yàn)樗鼈兙哂型瑫r(shí)充當(dāng)位錯(cuò)障礙和來(lái)源的獨(dú)特作用。在不損失延展性的情況下進(jìn)行強(qiáng)化的另一種方案是致密孿晶邊界 (TB) 的納米晶粒。低能TB可有效阻礙和傳輸位錯(cuò)，以提供出色的強(qiáng)度和良好的延展性。這已經(jīng)在具有面心立方結(jié)構(gòu)的純銅和鋼中實(shí)現(xiàn)，最近在使用低溫鍛造的具有六方密堆積結(jié)構(gòu)的純鈦中得到了證明。通常，在金屬中創(chuàng)建完全納米孿晶的微結(jié)構(gòu)具有挑戰(zhàn)性，并且需要不易縮放的復(fù)雜方法，例如電沉積、濺射或嚴(yán)重的塑性變形。即便如此，包含大量納米孿晶的組件通常也具有有限的尺寸、形狀和熱穩(wěn)定性。

在此，由澳大利亞蒙納士大學(xué)增材制造中心黃愛(ài)軍教授、朱玉滿高級(jí)研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究人員聯(lián)合上海理工大學(xué)、中科院金屬所、澳大利亞國(guó)立大學(xué)、澳大利亞迪肯大學(xué)以及美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)利用 3D 打印技術(shù)大幅提升現(xiàn)有商用鈦合金（BetaC合金，國(guó)內(nèi)牌號(hào)TB9）的強(qiáng)度，使其具有現(xiàn)有所有 3D 打印金屬中最高的比強(qiáng)度，證明了鈦合金可以利用 AM 固有的熱循環(huán)和快速冷卻來(lái)實(shí)現(xiàn)迄今為止尚未報(bào)道的獨(dú)特的納米沉淀微觀結(jié)構(gòu)。且沉淀物本身是納米孿晶的，平均孿晶厚度小于 10 nm。致密的內(nèi)部孿晶納米沉淀產(chǎn)生前所未有的強(qiáng)度并保持良好的延展性。相關(guān)研究成果以題“Ultrastrong nanotwinned titanium alloys through additive manufacturing”發(fā)表在國(guó)際頂刊nature materials上。

鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01359-2

熔化和沉積 β-鈦合金 (Beta-C, Ti-3.63Al8.03V-6.02Cr 4.03Mo-4.00Zr (wt%)，一種商業(yè)鈦合金）粉末以逐層的方式。然后，LPBF試樣在兩種不同的溫度下進(jìn)行直接熱處理。測(cè)量了竣工樣品和熱處理后樣品的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖 1a 中提供了作為屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度 (UTS) 函數(shù)的伸長(zhǎng)率。從曲線中可以看出，在480和520°C下熱處理的樣品顯示出出乎意料的高強(qiáng)度水平，相對(duì)于完工樣品提高了 50-70%。特別是，經(jīng)過(guò)480 °C后熱處理后的UTS達(dá)到了1611 MPa的非常高的水平（抗壓強(qiáng)度超過(guò) 2,200 MPa；并保持了 5.4% 的良好均勻伸長(zhǎng)率。據(jù)我們所知，這種強(qiáng)度高于迄今為止由 AM 制造的所有鈦合金（圖 1b）。如果我們進(jìn)一步考慮材料的重量，LPBF生產(chǎn)的這種β-鈦合金的比強(qiáng)度遠(yuǎn)高于大多數(shù)由AM制造的鋼、鋁合金和鎳基高溫合金（圖1b）。圖 1a 所示的結(jié)果還表明，這種合金的強(qiáng)度和延展性可以通過(guò)調(diào)整熱處理方案來(lái)調(diào)整：較低的溫度導(dǎo)致更高的強(qiáng)度，而較高的溫度導(dǎo)致相對(duì)更好的延伸率。

圖1 由 LPBF 和后熱處理生產(chǎn)的商用 Beta-C 鈦合金的拉伸機(jī)械響應(yīng)。a，在 480℃/6 h 和 520℃/3 h 下，竣工和熱處理后樣品的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。b，LPBF Beta-C 合金在后熱處理后的比強(qiáng)度和均勻伸長(zhǎng)率(UE)之間的相關(guān)性，并與 AM 制造的其他高強(qiáng)度鈦合金、鋼、鋁和鎳基高溫合金進(jìn)行比較。

圖2 LPBF 竣工和后熱處理 Beta-C 鈦合金的微觀結(jié)構(gòu)。a，BF TEM 圖像顯示了在建成的微觀結(jié)構(gòu)中的致密位錯(cuò)。圖像是在 {} 雙光束條件下在<110>β 附近拍攝的。b，XRD光譜證實(shí)了在制造和熱處理的微結(jié)構(gòu)中存在的相。c，HAADF-STEM 圖像顯示熱處理后的微結(jié)構(gòu)中有致密的 α-沉淀物 (480 °C/6 h)。圖像中的黃色虛線表示不存在典型 GB α 相的β基體GB的跡線。電子束平行于β晶粒頂部的<100>β。

圖3 后熱處理 (480 °C/6 h) 后，LPBF 微觀結(jié)構(gòu)中的納米孿晶 α-沉淀物。a-c，BF-STEM 圖像顯示沿 α-沉淀物中存在的三個(gè)方向取向的高密度薄片對(duì)比度。觀察方向平行于<111>β 或 {}α。d，來(lái)自a中局部區(qū)域的原子尺度HAADF-STEM圖像，顯示具有{}α-孿晶關(guān)系的三個(gè)α-變體。TB由黃色虛線表示，而每個(gè)晶粒中的基面用白線表示。雙胞胎某些邊緣的基底錐體和 {}α TBs 用紅色虛線表示。e，示意圖顯示了由它們的晶胞表示的 β 相和 {}α α-孿晶變體之間的Burgers OR。投影方向?yàn)?lt;111>β或<>α。f，原子分辨率的 HAADF-STEM 圖像，顯示 {}α TB 中的周期性溶質(zhì)偏析。圖像中的每個(gè)亮點(diǎn)表示富含 Mo/Zr 的原子柱。插圖中的原子柱強(qiáng)度分布顯示了兩個(gè)相鄰亮點(diǎn)（5.5）與 TB 上的亮點(diǎn)及其左側(cè)相對(duì)較暗的點(diǎn)（2.5）之間的距離。

圖4 密螺旋位錯(cuò)周?chē){米孿晶沉淀的MD模擬。a，1/2<111>β型螺位錯(cuò)排列在純β 模擬晶胞中。b，當(dāng)在 600 K 對(duì)超晶胞施加三維拉伸應(yīng)力時(shí)，觀察到三種 α-沉淀變體優(yōu)選從位錯(cuò)線的不同位置的三個(gè) {10}β 平面成核。c-e，這些 α- 隨著加熱時(shí)間為 37.5 ps (c)、52.5 ps (d) 和 67.5 ps (e)，沉淀變體逐漸生長(zhǎng)。三個(gè)α-變體分別用黃色、紅色和藍(lán)色表示。

總之，通過(guò)增材制造可以通過(guò)形成高密度內(nèi)部孿晶納米沉淀物來(lái)實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)鈦合金。盡管在純金屬中實(shí)現(xiàn)致密的納米孿晶可以導(dǎo)致異常高的強(qiáng)度和足夠的延展性，但以前在任何合金中都沒(méi)有報(bào)道過(guò)這種內(nèi)部孿晶納米沉淀物。這里的工作表明，可以利用增材制造 固有的熱循環(huán)和快速凝固來(lái)操縱獨(dú)特的沉淀微觀結(jié)構(gòu)，以獲得卓越的機(jī)械性能。值得注意的是，這已在可對(duì)工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)生直接影響的商業(yè)鈦合金中實(shí)現(xiàn)。此外，通過(guò) AM 后熱處理獲得的微觀結(jié)構(gòu)被證明在服務(wù)應(yīng)用的熱和應(yīng)力環(huán)境下是穩(wěn)定的。這項(xiàng)工作的發(fā)現(xiàn)有望對(duì)物理冶金領(lǐng)域的強(qiáng)化和位錯(cuò)工程原理產(chǎn)生根本性的見(jiàn)解。