在這項研究中，香港理工大學陳子斌教授團隊開發(fā)了一種多梯度α-Ti/Ti-10Al結(jié)構(gòu)，結(jié)合了接近于高強度Ti-10Al合金的強度和接近純鈦的延展性。通過先進的表征手段揭示了這一獨特性能背后的機制。值得注意的是，在增材制造過程中觀察到鋁元素的顯著擴散，形成了具有獨特成分梯度和結(jié)構(gòu)梯度的異質(zhì)多梯度結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在變形過程中產(chǎn)生了梯度應(yīng)變效應(yīng)，有效增加了加工硬化，抑制了裂紋的產(chǎn)生與擴展，從而實現(xiàn)了強度與延展性的同步提升。這項創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計策略為制造兼具高強度與優(yōu)良延展性的鈦合金提供了有前景的解決方案，也為解決其他合金系統(tǒng)中的強度-延展性平衡難題帶來了新思路。相關(guān)研究成果以“Exceptional strength and ductility in heterogeneous multi-gradient TiAl alloys through additive manufacturing” 發(fā)表在Acta Materialia上。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645424007456

圖1所示。LENS^TM工藝制備均質(zhì)Ti、均質(zhì)TiAl和異質(zhì)TiAl樣品的示意圖。（a）LENS^TM打印工藝流程圖。（b）均質(zhì)合金的連續(xù)層打印策略。（c）異質(zhì)TiAl合金的打印策略。（d1-d3）均質(zhì)Ti、均質(zhì)TiAl和異質(zhì)TiAl樣品的截面光學顯微圖（OM圖），顯示樣品內(nèi)部幾乎沒有孔隙。

圖2所示。粉末及打印樣品的物相組成。（a）CP-Ti粉末和預合金化Ti-54Al粉末的XRD圖譜。（b）平行打印方向橫截面上均質(zhì)Ti、均質(zhì)TiAl及異質(zhì)TiAl樣品的XRD圖譜。

圖3所示。均質(zhì)Ti、均質(zhì)TiAl及異質(zhì)TiAl樣品在室溫下的機械性能對比。(a) 工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b) 本研究制備樣品的屈服強度與總伸長率與其他已報道的高強度α-Ti合金對比，包括SLM CP-Ti、SLM HDH-Ti、SLM TiNX、DED CP-Ti和PM TiAlx。

圖4所示。沿打印方向的顯微硬度分布。

圖5所示。原位DIC可視化展示不同宏觀應(yīng)變階段下沿加載方向的應(yīng)變分布。(a) 異質(zhì)TiAl合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b, c) 初始階段（階段I），應(yīng)變局域化跡象較少。(d, e) 中間階段（階段II），應(yīng)變局域化分布開始顯現(xiàn)。(f) 隨后發(fā)展階段（階段III），應(yīng)變局域化進一步增強。(g, h) 進階階段（階段IV），廣泛的應(yīng)變局域化從TiAl層過渡到相鄰Ti區(qū)域。(i) 末期階段（階段V），捕捉到全面擴展的應(yīng)變局域化，最終導致樣品斷裂。

圖6所示。SEM顯微結(jié)構(gòu)分析，均質(zhì)Ti、均質(zhì)TiAl及異質(zhì)TiAl樣品的微觀結(jié)構(gòu)觀察。(a1, a2) 均質(zhì)Ti的微觀結(jié)構(gòu)。(b1, b2) 均質(zhì)TiAl在低倍和高倍下的詳細微觀結(jié)構(gòu)。(c1) 異質(zhì)TiAl樣品的整體微觀結(jié)構(gòu)和元素分布，附帶的EDS線掃描圖顯示了從TiAl層到相鄰Ti區(qū)域的Al和Ti濃度漸變。(c2) Ti層的放大圖像，顯示主要為板條狀和片狀晶粒結(jié)構(gòu)。(c3) TiAl層在高倍放大下的微觀結(jié)構(gòu)，以網(wǎng)籃狀晶粒形態(tài)為主。

圖7所示。EPMA可視化異質(zhì)TiAl樣品沿打印方向橫截面的元素分布。(a) 二次電子成像。(b, c) 相同區(qū)域的元素分布圖，分別展示了Al和Ti的空間分布和含量。

圖8所示。LENS^TM制造的異質(zhì)TiAl樣品的原位EBSD分析結(jié)果。(a1) 與打印方向平行的橫截面概覽，展示Ti和TiAl層的整體結(jié)構(gòu)布局。(a2) GND圖，顯示Ti和TiAl層間的位錯密度分布。(a3) Ti和TiAl層內(nèi)晶粒尺寸分布的統(tǒng)計分析。(a4) GND密度在Ti層和TiAl層的分布直方圖。(b1, c1) 晶體結(jié)構(gòu)分析，分別展示8%應(yīng)變和斷裂時的微觀結(jié)構(gòu)演變。(b2, c2) 對應(yīng)的GND圖，追蹤不同應(yīng)變階段（8%應(yīng)變和斷裂時）GND密度的變化，紅色虛線標示出高密度GND的區(qū)域。(b3, c3) 8%應(yīng)變和斷裂時的晶粒尺寸分布統(tǒng)計分析。(b4, c4) 8%應(yīng)變和斷裂時的GND密度分布直方圖。

圖9所示。異質(zhì)TiAl樣品中Ti層的原位EBSD分析結(jié)果。(a1-a3) 晶體結(jié)構(gòu)分析顯示Ti層在不同應(yīng)變水平下的微觀結(jié)構(gòu)演變，隨應(yīng)變增加可見明顯的晶粒細化：初始狀態(tài) (a1)、8%應(yīng)變 (a2) 以及斷裂狀態(tài) (a3)。(b1-b3) 各應(yīng)變狀態(tài)下的GND圖，顯示位錯密度的逐漸增加及其在細化晶粒中的傳播情況：初始狀態(tài) (b1)、8%應(yīng)變 (b2) 以及斷裂狀態(tài) (b3)。

圖10所示。LENS^TM制造的異質(zhì)TiAl合金中缺鋁區(qū)和富鋁區(qū)的TEM特征。(a, b) TEM圖像展示缺鋁區(qū)域的薄片狀和板條狀晶粒結(jié)構(gòu)，紅色虛線標示板條晶粒的晶界。(c) 缺鋁區(qū)域的HRTEM圖像及其快速傅里葉變換（FFT）圖。(d) 典型的STEM圖像，顯示富鋁區(qū)與缺鋁區(qū)之間的界面，白色虛線區(qū)分了層狀與籃織晶粒結(jié)構(gòu)。(e) TEM圖像顯示富鋁區(qū)主要的網(wǎng)籃狀晶粒特征。(f) 富鋁區(qū)的HRTEM圖像及其FFT插圖。

圖11所示。斷裂后異質(zhì)TiAl樣品中缺鋁區(qū)和富鋁區(qū)的TEM特征。(a) 明場TEM（BF-TEM）圖像展示了斷裂后缺鋁區(qū)板條晶粒內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)演變。黃色箭頭標示高位錯密度特征，紫色虛線圈出位錯單元。(b) 斷裂后缺鋁區(qū)的HRTEM圖像。插圖為經(jīng)過 與反射遮蔽處理的IFFT圖像，顯示位錯存在。(c) 明場TEM圖像展示斷裂后富鋁區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)。藍色箭頭指示細小的網(wǎng)籃狀晶粒，綠色箭頭指示位錯密度高的區(qū)域。(d) 富鋁區(qū)斷裂部位的HRTEM圖像。插圖為經(jīng)過與) 反射遮蔽處理的IFFT圖像，顯示位錯分布。

圖12所示。異質(zhì)多梯度結(jié)構(gòu)演變的示意圖。(a) LENS^TM軟件獲得的增材制造（AM）過程中熔池溫度剖面圖。(b) AM過程中熔池內(nèi)溫度差引起的鋁元素梯度和馬朗哥尼力效應(yīng)。(c) 整個AM過程中的鋁元素從TiAl層向鄰近Ti層擴散的詳細示意圖。(d) 不同鋁濃度對應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。

圖13所示。異質(zhì)多梯度TiAl合金逐步變形階段的示意圖。(a1) 初始變形階段，展示合金在最早期應(yīng)變時的形態(tài)。綠色箭頭表示變形方向，垂直的藍色箭頭表示鋁梯度。(a2) 多梯度結(jié)構(gòu)的示意圖，突顯鋁濃度漸變引起的微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變：從細小的網(wǎng)籃狀晶粒逐漸演變?yōu)檩^粗的板條晶粒，鋁濃度隨之降低。(b1) 第二階段應(yīng)變增加時的描述，紅色“T”符號表示位錯與位錯單元。藍色箭頭表示梯度應(yīng)力分布方向的變化。(b2) 梯度應(yīng)力分布示意圖，展示拉伸應(yīng)力與缺鋁區(qū)的壓縮應(yīng)力之間的相互作用。(c1) 第三和第四階段的微觀結(jié)構(gòu)示意圖，缺鋁區(qū)在高應(yīng)變下出現(xiàn)位錯包，并逐漸演變?yōu)楦呓嵌?/span>/低角度晶界（以虛線表示），并伴隨顯著的晶粒細化和高GND密度。(c2) 延展性補償機制示意圖，白色標示的裂紋受到鄰近層的限制。(d1) 斷裂前階段，展示合金即將斷裂的狀態(tài)。Ti-Al層之間的應(yīng)力集中區(qū)相互連接。紅色區(qū)域表示缺鋁區(qū)的應(yīng)變局域化帶貫穿整個區(qū)域。(d2) 后期形成的缺陷通道示意圖，展示斷裂前通過晶粒細化和GND聚集形成的路徑和結(jié)構(gòu)。

圖14所示。均質(zhì)Ti、均質(zhì)TiAl及異質(zhì)TiAl合金的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線及對應(yīng)的應(yīng)變硬化率曲線。

圖15所示。均質(zhì)Ti、均質(zhì)TiAl及異質(zhì)TiAl樣品的斷裂表面觀察。(a1, a2) 均質(zhì)Ti的斷裂表面，紅色箭頭突出顯示均勻的凹坑特征。(b1, b2) 均質(zhì)TiAl的斷裂形貌，黃色虛線表示特有的階梯狀特征，黃色箭頭指示顯著的劈裂面。(c1, c2) 異質(zhì)TiAl樣品的斷裂形貌，紅色箭頭指示缺鋁區(qū)域的淺凹坑，黃色箭頭突出富鋁區(qū)域的劈裂面。EDS線掃描展示了從淺凹坑區(qū)域到裂紋主導區(qū)域的鋁濃度梯度。

本研究的主要結(jié)論如下：