Nature：3D打印新型高性能Ti-O-Fe合金！

钛合金是先进的轻金属材料，在许多关键应用中不可或缺。钛合金工业的支柱是α–β钛合金，其通过稳定α和β相的合金添加剂配制而成。两种最强大的稳定元素和强化剂：氧和铁，通常用来制造α–β钛合金，因为这两种元素非常丰富。然而，氧脆化效应（俗称“钛的氪石‘the kryptonite to titanium”）和铁微观偏析阻碍了二者的结合，也阻碍了强韧α-β钛-氧-铁合金的发展。

鉴于此，近期，澳大利亚皇家墨尔本理工大学增材制造中心的马前杰出教授团队、悉尼大学的Simon Ringer教授和廖晓舟教授团队，联合香港理工大学的陈子斌助理教授以及墨尔本的Hexagon Manufacturing Intelligence公司，共同在 Nature期刊 上发表了题为“ Strong and ductile titanium-oxygen-iron alloys by additive manufacturing” 的新研究。

图1：激光粉末沉积钛合金打印窗口（c中绿区）和激光粉末沉积打印态Ti-O-Fe合金的微观结构。d – g 的比例尺是一百微米，h – k 的比例尺是一微米。

氧和铁的引入会直接影响凝固后原始相钛晶体（称之为晶粒）的形貌与大小。低氧含量的Ti-0.14O-3.23Fe合金凝固后，形成短柱状和近球形（称之为等轴形）混杂的较为粗大的原始β相晶粒，但随着O含量的增加，原始相钛晶粒均趋于变成均匀的等轴形晶粒。另一个特点是，在打印窗口内，所设计的Ti-O-Fe合金的打印态室温组织是α-β双相超细的板条形貌。其中，α相的体积分数约为70%（β相约占30%），其板条的厚度一般小于400 nm。所打印的系列Ti-O-Fe合金组织均匀，没有发现任何的β斑缺陷。其中含氧量为0.3-0.5%的Ti-O-3Fe合金与Ti-6Al-4V合金相比，具有类似的延展性，然而其强度更高（参见图2）。这些合金均具有细小原始相等轴晶粒且其内部为超细双相α-β板条组织。

图2：激光粉末沉积3D打印态Ti-O-Fe合金室温下的拉伸力学性能（合金成分改变，3D打印工艺不变）。

为了进一步解释这些Ti-O-Fe合金在打印态所表现出的优异的拉伸性能，研究团队利用三维原子探针（参见图3）和第一性原理计算（参见图4）探究了氧原子和铁原子在α相和β相超细双相板条中的分布。研究发现氧含量在β相中近于零，铁含量在α相中近于零；而氧在α相和铁在β相中均呈现出纳米尺度的梯度分布特征。α相超细板条中氧的分布将α相板条划分为低氧和高氧区域。α相板条内部为低氧区，具有良好的塑性或延展性，而高氧部位则毗邻α/β相界处，具备较高的强度。这种氧原子的分布或α相超细板条中的低氧-高氧组合有利于减轻氧脆化的风险。对拉伸变形后α相β相内部位错情况的观察证实了上述假设。

图3：激光粉末沉积3D打印态Ti-O-Fe合金中Fe原子和O原子的分布。

图4：α-β Ti-O-Fe合金的BCC(β)和HCP(α)相中Fe原子和O原子分布的DFT模拟。

本研究表明，通过充分契合合金设计和3D打印工艺过程设计（基于详细的过程模拟），可以开发出一种全新的高性能合金，其设计思路迥异于传统方法。该方法探索使用一些被传统制造工艺"冷落"而富有潜力的合金元素，例如利用氧和铁对钛进行Ti-O-Fe的合金设计。此外，该新合金设计更有利于实现低合金或素化，从而节省资源并促进可持续发展。 以3D打印的Ti-O-Fe合金为例，预计可以使用海绵钛生产过程中超标的等级外海绵钛以及球形或非球形高氧钛粉作为制粉原料来实现这些合金的打印。同样，锆合金的生产也可以采用类似方法。 虽然氮比氧更适用于稳定和强化钛晶体，但在钛合金中的氮含量往往受到严格的限制。 借助本研究所展示的思路，应该有望开发出基于3D打印的高性能Ti-N-Fe合金。 脆性问题不仅存在于钛合金中，还出现在其他金属和合金中。 为了解决或降低由间隙元素引起的脆性问题，本研究建议通过合金设计引入一个能够"容忍"氧或其他间隙元素的第二组成相，并结合第一性原理计算预测该间隙元素的分布，然后采用量身定制的3D打印工艺来实现。 这将为解决或减轻由氧或类似间隙元素引起的脆性问题提供一个有效的方案。

文献链接

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05952-6

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