開(kāi)發(fā)液氫動(dòng)力航空航天器，乘客飛機(jī)和汽車是最有前途的戰(zhàn)略之一減少碳排放并解決能源危機(jī)。特別是液氫燃料最有能力取代傳統(tǒng)燃料，如汽油和柴油。在 20 K 下運(yùn)行，輕質(zhì)金屬部件具有出色的性能在高達(dá) 20 K 的超低溫下的機(jī)械性能是必需。由于低密度的顯著優(yōu)勢(shì)，低溫金屬材料中最高的比強(qiáng)度和剛度，鈦合金已成為理想的航空航天低溫結(jié)構(gòu)材料，并已在液體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中得到應(yīng)用。

因此，開(kāi)發(fā)一種面向高能電子束添加劑的新型低溫近α鈦合金制造將具有巨大的科學(xué)價(jià)值和實(shí)用意義。對(duì)此，東北大學(xué)牛紅志教授團(tuán)隊(duì)采用微量釔（Y）改性Ti− 3Al− 3Mo− 3Zr合金（WT%）被選用于低溫組件的EB-PBF AM。罕見(jiàn)的選擇土元素Y是因?yàn)槠湓?span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; font-family: "Times New Roman"; visibility: visible;">EB-PBF過(guò)程中通過(guò)原位氧化反應(yīng)具有很強(qiáng)的除氧能力。液氫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的泵葉輪被選為演示器評(píng)估EB-PBF成形性的目的。采用不同的退火處理來(lái)定制PBF構(gòu)建的顯微組織實(shí)現(xiàn)了極強(qiáng)的的低溫性能，特別是在77K和20 K下具有非常有前途的優(yōu)越延展性。這微觀結(jié)構(gòu)特性與拉伸性能的相關(guān)性超低溫和底層強(qiáng)化和增韌詳細(xì)研究了機(jī)制。該樣品由粗柱狀層狀菌落組成，斷裂伸長(zhǎng)率（EI）在20 K時(shí)高達(dá)20.0%，在77 K時(shí)高達(dá)29.0%，而強(qiáng)度不會(huì)明顯降低。極具前途的低溫延展性歸因于大規(guī)模孿晶，有效降低了局部應(yīng)力集中和增強(qiáng)了硬化強(qiáng)度。相比之下，細(xì)α鈦板條的交織結(jié)構(gòu)受到強(qiáng)烈阻礙位錯(cuò)滑動(dòng)/轉(zhuǎn)移和雙胞胎成長(zhǎng)，導(dǎo)致超高的極限抗拉強(qiáng)度（UTS）在20 K時(shí)高達(dá)1500 MPa，不過(guò)中等EI≦13.5%。柱狀層狀菌落占主導(dǎo)地位的樣本在77 K時(shí)主要由基底和棱柱形滑移以及棱柱形和金字塔形滑移加到20 K時(shí)變形。

相關(guān)研究以“Achieving highly promising strength-ductility synergy of powder bed fusion additively manufactured titanium alloy components at ultra-low temperatures”為題發(fā)表在Additive Manufacturing上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221486042300057X

圖 1

圖1所示。（a）預(yù)合金粉末的形態(tài)和粒度分布，（b）電子束掃描策略，（c）PBF制造的液氫泵葉輪以及（d）同一批次的其他樣品。

圖 4

圖4，本PBF制造的合金的拉伸性能隨溫度的變化。（a） 和 （b） 拉伸工程應(yīng)力− 應(yīng)變曲線分別為 77 和 20 K，（c） 一個(gè) 950 退火拉伸斷裂樣品，在 20 K 處進(jìn)行多次頸縮，（d） 和 （e） 拉伸真應(yīng)力 − 真應(yīng)變曲線與相應(yīng)的加工硬化速率曲線分別為 77 K 和 20 K，其中交點(diǎn)表示均勻變形的結(jié)束。

 圖 5

圖5，（a）本PBF構(gòu)建樣品在不同溫度下的拉伸性能總結(jié)，以及（b）主電流拉伸性能的比較20 K的低溫金屬材料。

 圖 6

圖 8

圖8. 識(shí)別在 77 K 下應(yīng)變至 10.0% 的 950 退火樣品的滑移平面跡線。（a） 所有歐拉圖疊加有雙邊界，（b）已識(shí)別的滑移平面痕跡，（c）{1010}PF證明層狀菌落?中已識(shí)別的棱柱形滑移。 

圖 9

圖9. .識(shí)別在 20 K 下應(yīng)變至 10.0% 的 950 退火樣品的表面滑移平面跡線。（a） 全歐拉圖，（b） 重建的 IPF 圖母體β-Ti晶粒，（c）鑒定的滑移平面跡線，（0001）和{1011} α-Ti的PFs分別證明了層狀中基底滑移面和棱柱滑移面菌落?，（e）α-Ti的晶胞，展示了菌落II中α-Ti的方向和激活的棱柱形滑移系統(tǒng)。

圖 10

圖10. .施密德因子（SF）分布圖和同一EBSD測(cè)量區(qū)域內(nèi)α-Ti的單個(gè)滑移和孿生系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)平均值。在圖中。9. 每張地圖上疊加了< 1120>85?的孿生邊界，由黑線和不同菌落的SF值標(biāo)記。請(qǐng)注意，白色區(qū)域表示β-Ti矩陣。

圖 11

圖11. .GND分布圖和GND密度的統(tǒng)計(jì)平均值。（a） 在77 K下測(cè)試的熱等靜壓樣品，（b） 在77 K下測(cè)試的910退火樣品，（c）和（d）分別在77K和20K下測(cè)試了950個(gè)退火樣品。

圖 12

圖12.（a）和（b）910退火樣品和（c）-（f）在20 K下變形的950退火樣品中位錯(cuò)和雙胞胎的TEM明場(chǎng)圖像。α-Ti 雙胞胎尖端的位錯(cuò)形態(tài)，在 g= （0002） 處采集，（b） α/β 界面處堆積和糾結(jié)的位錯(cuò)，（c） 一個(gè)< 1120 > 85? 雙胞胎平行層狀界面，（D）-（F）在菌落邊界包含1120>85?雙胞胎<同一區(qū)域的位錯(cuò)形態(tài)，在z = [1120]，g = （0002）和g = （1100） 分別。

綜上所述，在這項(xiàng)研究中，首先采用EB-PBF增材制造來(lái)開(kāi)發(fā)面向液氫泵的低溫鈦合金

葉輪。低溫拉伸性能、變形機(jī)理和系統(tǒng)研究了EB-PBF構(gòu)建的近α鈦合金Ti− 3Al− 3Mo− 3Zr− 0.2Y的低溫增韌行為。

主要結(jié)論概述如下。

（1）首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明添加劑通過(guò)EB-PBF制造是可行的，用來(lái)制造幾何形狀復(fù)雜的低溫鈦合金部件，在 20 K 時(shí)具有非常強(qiáng)的延展性。

（2）EB-PBF構(gòu)建的鈦合金由柱狀層狀菌落組成，表現(xiàn)出優(yōu)異的斷裂伸長(zhǎng)率（EI），最高可達(dá)20 K 時(shí)的延展性為 20.0%，77 K 時(shí)的延展性為 29.0%。20 K的合金遠(yuǎn)高于目前主流的鍛造和PM鈦合金，而不會(huì)犧牲太多力量很大。

（3） EB-PBF制造的合金，在溫度降低至 20 K 時(shí)會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)電的激活層狀菌落中的錐體滑移和大規(guī)模{1012}和{1121}型。

（4）EB-PBF構(gòu)建的柱狀層狀菌落鈦合金是建議在 20 K 下實(shí)現(xiàn)理想的高延展性。

（5）在77K和20 K處的顯著加強(qiáng)本質(zhì)上是歸因于由臨界分離剪切應(yīng)力（CRSS）的快速增加。