具有定制微观结构及增强断裂韧性的混合钛合金的设计与热处理工艺

《Journal of Alloys and Compounds》：Design and Post-Heat Treatment of a Hybrid Titanium Alloy with Tailored Microstructure and Enhanced Fracture Toughness

通过激光粉末床熔融技术制备80wt.% Ti-42Nb与20wt.% Ti-5553的混合钛合金（HYTA），利用异质微观结构协同效应实现高强度（16%抗压强度提升）与高韧性（断裂韧性54MPa√m），在500℃热处理时达到最佳力学性能平衡。

　　这项研究提出了一种全新的钛合金设计方法，旨在解决现代应用中对强度、延展性和断裂韧性等相互冲突性能的同步优化需求。传统的钛材料设计通常追求单一成分的均匀性，但这种策略在面对需要同时满足多种性能指标的应用时显得不足。因此，研究人员开发了一种名为“混合钛合金”（Hybrid Titanium Alloy, HYTA）的新材料，通过激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion，L-PBF）技术，将80 wt.%的Ti-0Al-β合金（Ti–Al–β）和Ti–Al–Nb–Mo–Cr合金（Ti–Al–Nb–Mo–Cr）进行组合。Ti–Al–Nb–Mo–Cr合金（Ti–Al–Nb–Mo–Cr）具有较高的强度，而Ti–Al–β合金则表现出较低的弹性模量和较好的延展性。通过这种组合，研究人员创造了一种化学成分不均的微观结构，该结构能够同时发挥两种合金的优势，从而获得前所未有的综合性能。

为了实现这一目标，研究人员首先对两种钛合金粉末进行了混合。Ti–Al–Nb–Mo–Cr合金和Ti–Al–β合金分别由AP&C（加拿大）和TANiOS（德国）提供。混合过程在氩气氛围下进行，使用一个离心机械混合器以每分钟转速为1次的速度持续混合两小时。这种混合方式确保了两种合金粉末在微观尺度上的均匀分布，从而为后续的激光粉末床熔融工艺提供了稳定的原料。在L-PBF工艺中，使用了OmniSINT–16型激光设备，其核心组件为YAG光纤激光器。通过这种方式，研究人员成功制造出具有不同区域特征的HYTA材料，这些区域在热处理过程中表现出不同的行为。

在热分析结果中，研究人员利用差示扫描量热法（DSC）对材料进行了研究。结果表明，Ti–Al–β合金在原始制造状态下没有显示出吸热或放热峰，这说明其具有良好的热稳定性。而Ti–Al–Nb–Mo–Cr合金则在4到约一个温度范围内显示出放热事件，这一事件与α相的析出有关。通过进一步的高温X射线衍射（HT-XRD）分析，研究人员发现α相的形成开始于约摄氏度，其析出峰出现在约摄氏度，随后在约摄氏度的β相变温度下部分逆转。这一结果表明，通过精确控制热处理过程，可以有效调控α相的形成与分布，从而优化材料的性能。

研究还指出，在约摄氏度的温度下，HYTA材料表现出最佳的机械性能。此时，其压缩强度提升了1，而拉伸强度则增加了。尽管强度有所提升，但材料的延展性并未受到明显影响。这表明，通过混合两种合金，可以在不牺牲延展性的情况下显著提高强度。此外，研究发现，这种混合材料的断裂韧性显著高于传统的β钛合金。断裂韧性值达到了约，这主要归功于α相的细化以及材料的异质结构，这些结构能够有效阻碍裂纹的扩展。

这一研究成果表明，通过控制混合策略，可以开发出一种全新的钛合金设计方法，该方法能够为工程领域的多功能钛合金组件提供可调的性能参数。这种设计方法不仅适用于结构材料，还具有在生物医学领域的应用潜力。例如，生物医学植入物需要具备良好的力学性能，同时还要与周围组织的弹性行为相匹配，以减少应力屏蔽效应。通过这种混合材料，可以实现这些目标，从而为生物医学领域提供更优的材料选择。

此外，研究还探讨了不同比例的β相和α相对钛合金性能的影响。通过调整两种合金的比例，可以优化材料的力学性能。例如，研究发现，Ti–Al–β合金在含有42 wt.%的铌（Nb）时，其弹性模量较低，且具有良好的延展性。而Ti–Al–Nb–Mo–Cr合金则在热处理后表现出较高的强度。通过混合这两种合金，研究人员能够创造出一种异质结构，该结构在保持较低弹性模量的同时，显著提升了材料的强度。

这一研究还强调了热处理对材料性能的重要影响。热处理不仅能够调控α相的形成，还能够改变材料的微观结构，从而影响其力学性能。例如，通过控制热处理温度和时间，可以实现α相的均匀分布，从而提升材料的强度和断裂韧性。此外，研究还发现，不同比例的合金混合会影响材料的热处理响应。例如，当Ti–Al–Nb–Mo–Cr合金的比例低于20%时，其热处理响应可能不足，无法实现显著的强化效果。而当比例高于20%时，弹性模量可能会升高，从而影响材料的力学性能。

研究还指出，通过控制混合策略，可以开发出一种具有不同区域特征的材料。这些区域在热处理过程中表现出不同的行为，从而形成一种异质结构。这种异质结构不仅能够提升材料的力学性能，还能够增强其断裂韧性。例如，在Ti合金中引入钢合金可以显著提升其强度和硬度。而在Ti合金中引入其他Ti合金则可以实现更精细的性能调控。这种策略不仅适用于结构材料的开发，还具有在生物医学领域的应用潜力。

总体而言，在这项研究中开发的HYTA材料为钛合金设计提供了一种新的思路。通过精确控制混合比例和热处理条件，在保持较低弹性模量的同时显著提升材料的强度和断裂韧性。这种材料不仅能够满足结构材料的需求，在生物医学领域也具有广阔的应用前景。通过这种策略，研究人员能够开发出一种具有异质结构的材料，在保持材料整体性能的同时实现局部性能的优化。这种设计方法为未来的钛合金研究提供了重要的参考，同时也为材料科学的发展开辟了新的方向。