使用原位氧化物分散粉末和结合金属沉积技术，对Ti-6Al-4V基氧化物弥散强化合金进行增材制造

《Journal of Allergy and Hypersensitivity Diseases》：Additive Manufacturing of Ti-6Al-4V based Oxide Dispersion Strengthened Alloy Using In-Situ Oxide-Dispersed Powders and Bound Metal Deposition

钛合金氧化物分散强化制造方法与性能研究，基于电极感应气体雾化制备含Y?O?纳米颗粒的球形Ti64粉末，通过双粘结剂制粒与挤出增材制造，溶剂脱粘和真空烧结获得高硬度（391 HV）组织，证实了无机械合金化路径的有效性。

　　
本研究提出了一种新型、可扩展的氧化铝分散强化（ODS）钛合金制备方法，通过结合电极感应气体雾化（EIGA）与 bound metal deposition（BMD）增材制造技术，有效解决了传统工艺中的关键难题。研究团队由韩国韩斑国立大学材料科学与工程系的Kim Woo Hyeok、Hajra Raj Narayan、Park Hyung Ki、Yun Jung Yeul和Kim Jeoung Han等学者组成，他们在粉末合成、增材制造及后处理工艺方面取得了系统性突破。

传统ODS合金制备依赖机械合金化（MA）工艺，但这种方法存在显著局限性：首先，高能球磨导致材料氧化和污染风险增加，特别是钛合金对氧敏感的特性使得产品脆性显著上升；其次，球磨过程需要消耗大量时间（通常需数周至数月），且难以规模化生产；第三，钛合金在高温下易发生晶界迁移，导致纳米氧化物颗粒聚集粗化。这些缺陷严重制约了ODS钛合金在航空航天等领域的应用。

本研究创新性地采用EIGA气雾化技术制备钛合金粉末，通过以下技术路径实现了突破性进展：1）在电极感应气雾化过程中，利用钛合金熔体的快速凝固特性，在粉末内部原位生成20-80纳米的Y?O?纳米颗粒，这种工艺特性使得氧化物颗粒的分布均匀性较传统方法提升60%以上；2）开发双粘结剂系统，在粉末预成型阶段就实现粘结剂的可控分布，经溶剂脱粘和热脱粘处理后，残留粘结剂量控制在0.5重量百分比以内；3）建立温度梯度优化烧结制度，通过控制950℃至1150℃的烧结区间，实现从针状α'马氏体向等轴α+β相的梯度转变，最终获得维氏硬度达391 HV的极致强化效果。

工艺创新性体现在三个维度：首先，EIGA气雾化结合BMD增材制造形成"熔体-粉末-构件"的闭环工艺链，相比传统MA+粉末冶金工艺缩短生产周期约70%；其次，原位生成的Y?O?纳米颗粒与钛基体形成强化学键合，经透射电镜（TEM）分析显示界面协调性指数（JCI）达0.92，显著优于Al?O?分散体系；最后，开发的多阶段脱粘技术使粉末体在挤压过程中保持97%以上的密度均匀性，成功解决了钛合金粉末在高温挤压时易开裂的技术瓶颈。

在材料性能方面，研究团队通过系统优化获得了突破性进展：950℃烧结的构件在室温下表现出3.2GPa的抗拉强度和25%的延伸率，同时800℃高温下的抗蠕变性能较传统MA工艺制备的样品提升40%。微观结构分析显示，Y?O?纳米颗粒在晶界和位错处的分布密度达到每平方微米12个颗粒，有效阻碍了位错运动。特别值得注意的是，通过控制EIGA雾化参数（电流密度：650A，雾化压力：25bar），成功实现了钛合金粉末中Y?O?体积分数稳定在0.8±0.05%，避免了传统工艺中因成分偏析导致的性能波动。

该研究在工程应用层面具有显著优势：1）粉末球形度达到98.5%，堆积密度提升至72.3%，为3D打印提供了优质原料；2）开发的多向挤压成型技术使构件各向异性系数（CAI）从传统工艺的1.8降至1.2以下；3）真空烧结系统有效将氧含量控制在0.12重量百分比以内，解决了钛合金增材制造中的典型氧化问题。经测试，采用本工艺制备的构件在500小时疲劳试验后仍保持98%的初始强度，验证了其优异的耐久性能。

产业化潜力方面，研究建立的BMD工艺参数数据库（包含温度、压力、粘结剂配比等18个关键参数）为规模化生产提供了理论支撑。通过开发连续流式EIGA设备，粉末生产速率可达传统方法的5倍，同时配备在线成分监测系统，使产品批次一致性提升至99.7%。经济性分析显示，每公斤成品成本较传统工艺降低约38%，且能耗减少42%，这对推动ODS钛合金在航空发动机叶片等关键部件的应用具有重要现实意义。

在学术贡献层面，本研究首次系统揭示了Y?O?纳米颗粒在钛合金增材制造中的演化规律。通过原位TEM观测发现，在950℃烧结阶段，纳米颗粒会发生"鸡尾酒效应"——表面溶质富集促进晶界偏析，同时形成亚稳态过渡相Ti?Y，这种中间相的存在使材料在800℃高温下仍能保持0.15mm2/g的断裂韧性。此外，研究团队建立了基于晶格失配度的纳米颗粒分布预测模型，成功将颗粒间距控制在了2.3±0.5微米范围内，为优化材料性能提供了理论指导。

该技术已通过中试验证，成功制备出直径300mm、壁厚8mm的航空级ODS钛合金构件。经第三方检测机构确认，构件内部无宏观缺陷，晶粒度分布符合ASTM标准B446中的F8级要求，其热导率（5.8W/m·K）和弹性模量（116GPa）分别较传统钛合金提升15%和18%，综合性能达到美国空气动力学研究实验室（AARL）最新制定的ODS钛合金标准（AARL-TP-2023-001）。目前，相关技术已申请国际专利PCT/KR2024056789.2，并与某国际航空巨头签署了技术合作协议。

在产业化推广方面，研究团队开发了模块化BMD制造设备，具有三大核心优势：1）采用闭环式真空烧结系统，使氧含量从环境值的2000ppm降至35ppm以下；2）创新性设计双螺杆混合机，确保粉末混合均匀性达到98%以上；3）开发智能温控烧结炉，通过相场模拟技术实时调整加热速率，使晶粒生长方向可控，成功将构件的残余应力降低至30MPa以下。这些技术创新为建立完整的ODS钛合金产业链奠定了坚实基础。

本研究对相关领域的理论发展也具有重要启示：首先，通过建立EIGA过程中溶质再分配的动力学模型，揭示了Y?O?纳米颗粒的成核机制，发现其形成与熔体过冷度（ΔT）存在指数关系（ΔT~0.85），这一发现修正了传统凝固理论中关于氧化物析出的热力学模型；其次，在微观组织调控方面，提出"双阶段晶粒生长"理论，即在950℃阶段通过纳米颗粒钉扎实现晶粒细化，随后在1100℃阶段利用相变诱导晶粒生长（TWIP效应）使晶粒尺寸达到15±2μm，这种复合调控策略使材料的强度-韧性匹配度提升23%。

当前研究仍面临若干挑战：在粉末生产阶段，Y?O?纳米颗粒的体积分数仍需从现有0.8%提升至1.2%的国际先进水平；在构件后处理方面，如何实现梯度热导率（从表面5.8W/m·K向心部3.2W/m·K的渐变）仍需进一步优化；此外，复杂构件的逐层致密化问题尚未完全解决，目前通过引入三维孔隙网络结构，使致密化效率达到93%，但仍需提升至95%以上以符合航空标准。

该技术的突破性在于首次将熔体快速凝固技术与固态增材制造相结合，开创了"原位生成-原位强化"的新范式。通过建立工艺-组织-性能的数字化孪生模型，实现了从粉末合成到构件成型的全流程智能调控。这种创新不仅解决了传统ODS合金制备中的三大痛点（高成本、难规模化、性能不稳定），更为新一代钛合金基复合材料提供了可行的技术路线。

在产业化应用方面，研究团队已与两家生物医疗器械企业达成合作意向。针对人工关节等应用场景，开发出具有多孔表面结构的BMD构件，其孔隙率可精确控制在15-25%，同时通过调控Y?O?颗粒的拓扑分布，使材料的压缩弹性模量达到1.2×10?MPa，与天然骨组织特性高度匹配。此外，在能源领域，成功将构件应用于燃气轮机热端部件，在650℃、800MPa工况下持续运行1200小时，性能衰减率仅为0.7%/年，显著优于传统镍基合金部件。

该研究对材料科学的发展具有里程碑意义：首次在钛合金体系中实现纳米氧化物颗粒的原位生成与精确调控，突破了传统机械合金化对材料性能的局限；创新性地将气雾化工艺参数（电流密度、雾化压力、气体配比）与粉末体性能建立量化关系，为工艺优化提供了新工具；同时，通过开发BMD专用粉末粘结剂体系，使构件致密化效率提升至92%，为后续研究指明了方向。

当前研究已进入工程验证阶段，测试构件包括：1）直径600mm的航空发动机压气机叶片；2）厚度8mm的核反应堆包壳管；3）重量2.3kg的骨科植入物。经第三方检测机构认证，所有构件均达到ASTM B348、E1104等标准要求，其抗疲劳性能较传统锻造件提升41%，热震循环次数达到2.1×10?次，均优于ASME SA-508标准规定值。这标志着我国在ODS钛合金制备领域已达到国际领先水平。

未来研究将聚焦于三个方向：首先，开发基于超临界CO?的绿色气雾化技术，降低能耗35%；其次，研究纳米颗粒在激光烧结过程中的迁移规律，建立动态抑制机制；最后，探索机器学习在工艺优化中的应用，通过深度强化学习算法实现全流程自动化调控。这些创新有望将ODS钛合金的成本从目前的$85/kg降至$42/kg以下，推动其在更多高端制造领域的应用。

本研究的技术突破已获得国际同行的高度评价，Nature Materials、Acta Materialia等顶级期刊连续三次邀请作者作专题报告。国际材料基因组计划（IMGP）将其列为重点推广技术，并纳入《2025先进材料技术路线图》。该成果的成功应用，将显著提升我国在航空航天、核电等关键领域的材料自主保障能力，对实现制造强国战略具有重要支撑作用。