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图片：Tingting Song和Ma Qian教授使用的激光3D打印机创建的钛合金

基于此， 皇家墨尔本理工大学 Ma Qian教授 联合悉尼大学的 Simon P. Ringer教授 使用合金设计和3D打印的组合开发了一类新型延展性和坚固的钛合金 。 作者将合金设计与增材制造（AM）工艺设计结合起来，展示了一系列具有杰出的拉伸性能钛-氧-铁成分的合金 。 作者用各种表征技术解释了这些特性的原子尺度的来源。丰富的氧气和铁，以及简单的工艺，使得这些α-β钛氧铁合金在各种应用中具有吸引力。此外，它们还为工业规模使用目前作为工业废料的非等级海绵钛或海绵钛氧铁提供方向。相关成果以“Strong and ductile titanium–oxygen–iron alloys by additive manufacturing”为题发表在 《Nature》 上，第一作者为 Tingting Song ,  Zibin Chen 为共同一作。

作者通过将合金设计概念与AM工艺设计相结合，来规避Ti与O和Fe合金化所带来的冶金挑战。作者的目标是通过AM创造一类新的韧性和强度的Ti-O-Fe合金。在AM工艺选择方面，作者选择了激光金属粉末定向能量沉积（DED），在高保真模拟的帮助下，可以制造出具有一致微观结构的大规模近净形部件。

作者首先模拟了矩形试样的DED（图1a）。模拟预测了凝固后的高冷却率（图1b）。大量的热脉冲（图1b）、高稳定温度（图1c）和近乎等温的持续时间应确保只有α和β相存在。作者选择480-800℃作为所需的热历史界限，在图1c中划定为绿色区域进行试样。低氧钛合金的微观结构包括短柱状和等轴的前β晶粒（图1d）。与类似或不同条件下印刷的Ti-6Al-4V中的长柱状先导β晶粒相比， 细小的等轴先导β晶粒随着O含量的增加而形成 （图1e-g）。在室温下，细小的α-β片层是每种合金中普遍存在的显微结构（图1h-k）。并且在这些印刷合金中都没有观察到铁稳定的β-裂纹， 避免β-裂纹是AM在制造这些合金时的一个重要优势 。

图1：DED打印的Ti-O-Fe合金的微观结构

图2显示了四个设计的Ti-O-Fe合金和两个参考合金的代表性拉伸性能。通过将合金成分固定为Ti-0.35O-3Fe并改变AM加工条件，打印了单独的试样。在没有优化的情况下，作者在加工窗口内印刷的钛合金表现出拉伸延展性（εf）从9.0%到21.9%和极限拉伸强度（σUTS）从1,034到1,194MPa。在合金中，铁的强化效力达到105 MPa/1.0 wt% Fe，接近报告的实验值75 MPa/1.0 wt% Fe。O的强化效力为76MPa/0.1wt%O，这表明，铁和O在强化这些合金中都发挥了重要作用。

图 2：DED 打印的 Ti-O-Fe 合金在室温下的拉伸性能

为了解释强化机制，作者研究了三种合金中O和Fe的原子分布。结合集成差分相位对比（iDPC），扫描透射电子显微镜（STEM）可以直接观察间隙光元素。作者观察到在Ti-0.34O-3.25Fe合金中O原子向α-板条边缘的强烈偏析（图3a）。它们存在于α/β界面附近的HCP间隙位点，形成了从α-板条内部到界面区域的独特纳米异质性。相比之下，这种纳米异质结构在低氧钛合金中很少观察到（图3b）。

Ti-0.34O-3.25Fe合金中的局部电荷密度是用差分相位对比（DPC）STEM分析的（图3d）。在α相边缘观察到局部电荷密度的增加（黄色），其中O间质已经分离（图3d）。这表明O间质在晶格中的进一步结合贡献，作者认为这有助于通过进一步阻碍位错运动来强化。此外，作者的APT数据还显示，α相几乎不含铁（0.02 at%；图3c），而β相中的大量铁是不均匀分布的（图3f），这通过产生局部应变来阻碍位错运动，增加了合金的强化能力。

图 3：DED 打印的 α-β Ti-O-Fe 合金中 O 和 Fe 原子的分布

密度函数理论（DFT）模拟（图4a）预测，O原子更倾向于在α相中，特别是靠近α/β界面（图4b），但是铁原子没有显示出向界面分离的趋势（图4c）。此外，第4和第3近邻分离构型对β相中的Fe-Fe对最有利（图4d），而第5近邻分离构型对α相中的O-O对最有利（图4e）。在此基础上，作者估计了各相中的[Fe]和[O]含量，得出β中15 at%的Fe和α中18 at%的O。

图 4：Fe 和 O 原子分布的 DFT 模拟

影响

作者的设计理念对于物理冶金学有广泛的影响。首先，氮气（N）是一种丰富且价格低廉的资源，在稳定和加强钛的α相方面甚至比氧气更有效。然而，氮气会使钛合金变得脆弱，因此其氮含量受到严格限制。作者的研究表明，可能有办法开发出强大、韧性良好且可持续制造的α-β Ti-N-Fe合金。其次，锆（Zr）海绵的生产方式与钛海绵相似。作者的设计理念可以启发通过3D打印开发出强壮、具有延展性且更可持续来源的α-β Zr-O-Fe和Zr-N-Fe合金。此外，除了钛和锆，氧气还会对其他金属（如铌和钼）进行腐蚀。作者的Ti-O-Fe合金的高拉伸强度和延展性可以为其他3D打印的金属和合金的设计提供启示。

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