《Materials Science and Engineering: A》：Achieving low-cost, and high-performance titanium-copper alloys by additive manufacturing
编辑推荐：
钛铜合金通过低成本氢冶金钛粉与铜粉流体化混合增材制造获得，微观结构分析显示晶粒细化、固溶强化及纳米Ti2Cu相形成，使合金达到1146.1 MPa强度与8.3%延伸率，为低成本高性能金属3D打印提供新方法。
丁旺旺|张布生|陈燕|顾浩然|张东星|郭秋泉|孙勇|杨军
中国电子科技大学深圳高等研究院，深圳，518110，中国
摘要
钛（Ti）的成本、强度和延展性之间的权衡阻碍了其在工业中的应用发展。在这项研究中，通过采用低成本的氢化脱氢（HDH）工艺制备了高氧含量的Ti，并使用流化技术改性了Cu粉末，从而成功通过增材制造（AM）技术制备了Ti-Cu合金。添加Cu和氧气后，Ti-Cu合金的强度相比纯Ti有了显著提升。通过XRD、SEM、EBSD和TEM观察了Ti-Cu合金的微观结构，揭示了其强化和增韧机制。这些优异的机械性能归因于晶粒细化、固溶强化以及纳米级Ti?Cu相的分散。本研究为3D打印低成本、高性能金属提供了有益的指导。
引言
钛（Ti）及其合金因其高比强度、优异的耐腐蚀性和生物相容性而吸引了科学家和工程师的关注[[1], [2], [3]]。由于加工难度较大，增材制造（AM）作为一种近净成形技术，成为制造Ti及其合金的主要方法[[4], [5], [6], [7]]。然而，纯Ti的 moderate 强度和高昂的成本限制了其广泛应用[[8], [9], [10], [11], [12]]。许多研究致力于探索Ti材料在成本、强度和延展性之间的平衡。最近，将TiC、TiB、Fe、Cu颗粒引入Ti材料中，制备了Ti基复合材料（TMCs）和/或Ti合金，并取得了有希望的结果[[13], [14], [15], [16], [17]]。Ti-Cu合金因其优异的机械性能、生物相容性和抗菌性能而被认为具有广阔的应用前景[15,18,19]。Cu的引入改变了材料的生长限制因子Q，从而提升了Ti-Cu合金的强度和延展性[15]。实际上，上述研究中使用的Ti和Ti合金粉末基本上是通过高成本雾化制备的低氧含量球形粉末，这限制了它们的广泛应用。
氢化脱氢（HDH）Ti粉末因其低制备成本而受到研究界的关注[[20], [21], [22], [23]]。目前市场上，HDH Ti粉末的成本约为40美元/千克，而气体雾化Ti粉末的成本约为140美元/千克[24]。因此，尽管HDH Ti粉末形状不规则且氧含量相对较高，但它仍是一种具有成本效益的AM原料。有报道称，经过改性的不规则HDH Ti粉末也可以通过AM制备出具有良好机械性能的致密块体材料[[25], [26], [27]]。有趣的是，使用高氧含量粉末通过AM制备的Ti在强度和延展性方面表现出协同改进[25]。因此，尚不确定高氧含量Ti粉末与Cu粉末的AM是否能够获得Ti-Cu合金的独特性能。在本研究中，使用不规则形状且低成本的HDH Ti高氧含量与Cu混合粉末作为原料，通过增材制造制备了Ti-Cu合金。为了满足AM的要求，Ti和Cu的混合粉末经过了流化改性，这一技术在我们之前的工作中已有报道[28]。与预合金化相比，这种元素粉末混合策略在经济上更有利于制备高性能复合材料。
本研究使用流化改性的HDH Ti和Cu混合粉末制备了Ti-Cu合金，并研究了Cu添加对Ti基体微观结构和机械性能的影响，探讨了Ti-Cu合金的强化和增韧机制，提出了一种制备低成本、高性能Ti-Cu合金的新方法。
实验步骤
实验程序
平均粒径约为25微米、氧含量为0.20 wt%的HDH Ti粉末由中国Tech-long金属有限公司提供；平均粒径约为10微米的Cu粉末由中国广州冶金有限公司提供（见图1a、b和表1）。按97:3和98.5:1.5的比例称量后，将HDH Ti粉末和Cu粉末在机械搅拌机中充分混合。
结果与讨论
图3显示了AM制备的纯Ti和Ti-Cu合金的XRD谱演变情况。从XRD图谱可以看出，两种合金中的主要相均为六方密排（HCP）α/α′Ti。此外，随着Cu含量的增加，(0002)面的峰向更高的2θ值移动（见图3b），这是由于Cu原子固溶导致Ti-Cu合金的晶格畸变和应力集中。
结论
总结来说，利用混合HDH Ti和Cu粉末通过AM成功制备出了低成本、高强度且具有良好的延展性的Ti-Cu合金。研究了其微观结构演变和强化机制。主要结论如下：
(1)AM制备的Ti-3.0Cu合金的极限强度为1146.1 MPa，同时保持了8.3%的延展性，与使用球形粉末的TMCs和Ti-6Al-4V合金相当。AM制备的Ti-3.0Cu合金的平均晶粒尺寸为
作者贡献声明
丁旺旺：撰写初稿、数据整理。张布生：方法论、数据分析。陈燕：数据分析。顾浩然：方法论。张东星：撰写、审稿与编辑、项目管理。郭秋泉：实验研究。孙勇：资源协调。杨军：项目监督与管理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国博士后科学基金会（GZC20230368、2024M750345）的博士后奖学金计划支持，以及深圳市科技计划（JCYJ20210324123202008）和广东省基础与应用基础研究计划（2021A1515110880、2023A1515012752）的支持。
