四校聯(lián)合發(fā)表《Materials Today》：高強(qiáng)低合金化鈦合金研發(fā)！

鈦合金因具有優(yōu)異的比強(qiáng)度、耐腐蝕性、疲勞性能及生物相容性，在航空航天、生物醫(yī)療和高端裝備制造等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。尤其是在航空航天輕量化結(jié)構(gòu)和高可靠服役需求持續(xù)提升的背景下，開發(fā)兼具高強(qiáng)度與高塑性的低成本鈦合金材料，已成為先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的重要研究方向。然而長期以來，高性能鈦合金的發(fā)展通常依賴較高含量的合金元素。例如，典型商用鈦合金Ti-6Al-4V、Ti-6Al-6V-2Sn等通過較高比例的Al、V、Sn等元素實(shí)現(xiàn)優(yōu)異綜合力學(xué)性能，但其原材料成本高、制備工藝復(fù)雜，限制了更大范圍的工程推廣應(yīng)用。相比之下，低合金鈦體系具有成本低、易加工等優(yōu)勢，但由于強(qiáng)化能力不足以及脆性第二相易形成，通常存在強(qiáng)度不足和塑性顯著下降等問題，難以同時(shí)滿足高強(qiáng)高韌的服役要求。

近期，香港理工大學(xué)陳子斌教授團(tuán)隊(duì)在前期高性能鈦合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與變形機(jī)制研究的基礎(chǔ)上，聯(lián)合美國佐治亞理工學(xué)院朱廷教授團(tuán)隊(duì)、上海交通大學(xué)陳登科教授團(tuán)隊(duì)以及澳大利亞悉尼大學(xué)Simon P. Ringer教授團(tuán)隊(duì)，受高強(qiáng)低合金鋼（HSLA steel）設(shè)計(jì)理念啟發(fā)，創(chuàng)新性地將“高強(qiáng)低合金”概念拓展至鈦合金體系，提出在總合金含量約5 wt.%及以下條件下實(shí)現(xiàn)優(yōu)異強(qiáng)塑匹配和低合金化協(xié)同優(yōu)化的新型設(shè)計(jì)思路，并在Ti-Cu合金體系中成功制備出兩種兼具超高強(qiáng)度和良好塑性的高強(qiáng)低合金化鈦合金。相關(guān)研究成果以“Ultra-strong and ductile low-alloy titanium by additive manufacturing”為題發(fā)表在 Materials Today 雜志上。任川兮博士和王昊博士為論文共同第一作者，朱廷教授、陳登科教授、Simon P. Ringer教授和陳子斌教授為共同通訊作者。

在傳統(tǒng)制備工藝下，低合金鈦中往往容易形成尺寸較大且界面不相干的脆性析出相，如Ti?Cu、Ti?Al及ω相等，這些組織特征易引發(fā)應(yīng)力集中，顯著削弱塑性和損傷容限。近年來，增材制造技術(shù)，特別是激光選區(qū)熔化，因其快速熔化和超快凝固等高度非平衡加工特征，為新型鈦合金微結(jié)構(gòu)調(diào)控提供了重要技術(shù)支撐。該技術(shù)能夠有效抑制溶質(zhì)元素?cái)U(kuò)散，突破傳統(tǒng)平衡相圖限制，促進(jìn)亞穩(wěn)相及納米析出相形成，從而為構(gòu)筑多尺度層級強(qiáng)化結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了條件。

基于此，研究人員利用增材制造過程中的非平衡特征，成功實(shí)現(xiàn)了Ti-Cu低合金體系中擴(kuò)散相變行為的精準(zhǔn)調(diào)控，開發(fā)出HSLA-Ti材料體系。在Ti-3Cu合金體系中，由于擴(kuò)散相變受到顯著抑制，材料內(nèi)部形成亞微米級的α′板條組織，并在板條內(nèi)部及板條界面處形成細(xì)小且高密度分布的富Cu共格納米析出相(η′)。該微觀結(jié)構(gòu)賦予Ti-3Cu合金優(yōu)異的強(qiáng)塑性，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)到約940 MPa，斷后延伸率約22%，這與同工藝參數(shù)商業(yè)純Ti的延伸率相當(dāng)。隨著Cu含量進(jìn)一步提高至Ti-5Cu合金，繼續(xù)形成亞微米級α′板條組織，同時(shí)構(gòu)筑出“雙納米析出強(qiáng)化”結(jié)構(gòu)，即富Cu共格納米析出相(η′)以及納米尺度的非共格金屬間化合物Ti?Cu。該合金表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)到1,340 MPa，斷后延伸率達(dá)到 12%。這些性能顯著優(yōu)于多數(shù)現(xiàn)有商用鈦合金，甚至超過部分高強(qiáng)度β鈦合金體系。

進(jìn)一步通過分子動(dòng)力學(xué)模擬以及先進(jìn)電子顯微鏡觀察手段等，發(fā)現(xiàn)在Ti-3Cu合金中變形主要受細(xì)化α′板條和高密度η′納米析出相協(xié)同控制。塑性變形初期以位錯(cuò)滑移為主，隨應(yīng)變增加逐步激活 位錯(cuò)以協(xié)調(diào)局部變形。細(xì)小共格且可剪切的η′析出相對位錯(cuò)具有顯著釘扎作用，同時(shí)允許位錯(cuò)剪切穿過，形成“釘扎-剪切”機(jī)制。隨著應(yīng)變繼續(xù)增加，交滑移和多滑移系持續(xù)激活，持續(xù)增強(qiáng)加工硬化能力，從而在顯著提高強(qiáng)度的同時(shí)保持較高塑性。在Ti-5Cu合金中，則表現(xiàn)為η與η′雙納米析出相協(xié)同作用下的復(fù)雜變形過程。不可剪切的共格η析出相沿特定方向呈陣列分布，強(qiáng)烈釘扎 位錯(cuò)并誘導(dǎo)位錯(cuò)塞積，這是超高強(qiáng)度的主要來源。與此同時(shí)，細(xì)小可剪切η′析出相彌散分布于η陣列之間，這些η′相允許 位錯(cuò)剪切和滑移，為加工硬化能力和塑性提供了支持。

以上研究工作表明，增材制造驅(qū)動(dòng)的非平衡組織調(diào)控策略有望進(jìn)一步拓展至更多低合金鈦體系，如Ti-Fe、Ti-Mo及多元微合金化體系，實(shí)現(xiàn)更廣泛的高性能低成本鈦合金設(shè)計(jì)。同時(shí)，通過進(jìn)一步優(yōu)化打印參數(shù)、熱歷史調(diào)控及后處理工藝，可實(shí)現(xiàn)析出相尺寸、分布及界面特征的精準(zhǔn)控制，進(jìn)一步提升材料的強(qiáng)韌協(xié)同性能。此外，Cu元素賦予材料優(yōu)異的抗菌性能，使該類Ti-Cu合金在航空航天輕量化結(jié)構(gòu)件及醫(yī)療器械領(lǐng)域均具有廣闊應(yīng)用前景。未來圍繞服役環(huán)境下疲勞、腐蝕及生物相容性等性能開展系統(tǒng)研究，將有助于推動(dòng)其工程化和醫(yī)用行業(yè)應(yīng)用。

圖1 增材制造高強(qiáng)低合金化鈦合金的力學(xué)性能。

圖2 增材制造高強(qiáng)低合金化鈦合金的微觀組織。

圖3 增材制造Ti-3Cu合金中的析出相成分分析。

圖4 增材制造高強(qiáng)低合金化鈦合金變形過程中位錯(cuò)結(jié)構(gòu)觀察。

圖5 增材制造高強(qiáng)低合金化鈦合金中η′相變形過程中分子動(dòng)力學(xué)模擬。

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號，感謝論文作者團(tuán)隊(duì)支持。

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