《Materialia》：Achieving excellent strength-ductility synergy and mechanical property isotropy in an additively manufactured hetero-structured titanium alloy
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摘要在通过增材制造制备的水平和垂直方向的Ti-3Fe-3Co-1Mo合金样品中，分别形成了两种不同的异质结构：一种是双尺度层状结构，其特征是由富α的细等轴晶粒和不含α的粗等轴晶粒交替排列；另一种是谐波结构，其特征是大的柱状晶粒被细等轴晶粒包围。在垂直方向制造的样品中，由于异质界面
摘要
在通过增材制造制备的水平和垂直方向的Ti-3Fe-3Co-1Mo合金样品中，分别形成了两种不同的异质结构：一种是双尺度层状结构，其特征是由富α的细等轴晶粒和不含α的粗等轴晶粒交替排列；另一种是谐波结构，其特征是大的柱状晶粒被细等轴晶粒包围。在垂直方向制造的样品中，由于异质界面处存在大量的几何必要位错（GND）密度梯度，因此在变形过程中产生了明显的II型背应力，这是由异质变形诱导（HDI）应力引起的；而在水平方向制造的样品中则没有宏观上可检测到的II型背应力，但其较高的α比例诱导了I型背应力。两种样品均表现出优异的强度-延展性协同效应以及机械各向同性。在异质结构样品中观察到不同的变形和断裂机制，其中粗晶区域经历了更剧烈的变形，并且更抗裂缝扩展。
引言
传统上，钛合金的强度主要依赖于固溶强化、沉淀强化和晶界强化机制[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]]。近年来，由异质结构诱导的背应力强化或异质变形诱导（HDI）应力引起了广泛关注，并逐渐被视为一种有前景且有效的钛合金强化机制[[8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]]。随着增材制造（AM）技术的引入，创建异质结构变得更加方便。由于熔池内的热分布不均匀以及AM过程中的超快速冷却和反复热循环，可以在AM处理的钛合金中轻松形成微偏析和异质微观结构。例如，Alabort等人[10]在一种新型增材制造的β-Ti合金中创建了由细晶粒和粗晶粒交替排列的“三明治”结构，这种结构在变形过程中产生了有效的背应力。Dong等人[11]在对一种新型增材制造的亚稳态β-Ti合金进行后处理热处理后，生成了由粗单相β晶粒和由α+β相组成的细晶粒交替排列的双重异质结构，从而在变形过程中产生了高背应力，并实现了优异的强度-延展性协同效应。Wang等人[12]在增材制造的Ti-6Al-4V-5Cu（重量%）合金中制造了包含富α区域和富α′区域的结构，这些区域由α′+α层状结构组成，在变形过程中诱导了强烈的背应力硬化。除了关于异质结构存在时在变形过程中激活HDI应力的报告外，还有一些研究探讨了增材制造钛合金中异质结构的变形机制[[16], [17], [18], [19], [20], [21]]。例如，Zhang等人[16]在增材制造的Ti64-(4.5%)316L合金中创建了高度分散的α′和亚稳态β双相微观结构，发现该合金经历了β→α′的逐进展变形诱导塑性（TRIP）效应，从而提高了拉伸强度并获得了良好的均匀伸长率。Chen等人[18]在增材制造的Ti-6Al-4V+5% CoCrNi合金中构建了由随机分布的富α′区域和富β区域组成的异质微观结构，发现这种微观结构在变形过程中触发了完全的两步马氏体转变（β→β/α'→α'/α'孪晶），从而实现了强度、延展性和加工硬化的前所未有的协同效应。这些优异的机械性能归因于两个协同方面：一是以固溶强化为主的多级强化机制；二是β→α′转变的固有触发应力，该应力由于微观结构的多级性而得到进一步增强。尽管有许多关于异质结构对增材制造钛合金机械性能的积极影响的报道，但也有担忧指出异质微观结构的存在可能会导致显著的机械性能各向异性[22]。遗憾的是，关于这一方面的报道较少。为了解决这个问题，本研究尝试通过热处理在新型增材制造的钛合金中创建异质结构，并对水平和垂直方向制造的样品进行了拉伸测试。同时进行了加载-卸载-重新加载（LUR）测试，以确定是否在两个方向上都激活了背应力，并研究了不同微观结构区域的变形机制，以便更好地理解异质结构材料的变形机制。
章节摘录
材料与方法
Ti-3Fe-3Co-1Mo合金（按重量%计，Ti331）粉末是通过混合不同的元素粉末颗粒合成的。详细的制备过程在参考文献[23]中有描述。这些粉末颗粒是在Renishaw AM 400系统中使用脉冲激光模式处理的。该设备的特点是能够产生直径为70 μm的脉冲激光热源。水平方向的样品尺寸为60×10×10 mm3，垂直方向的样品直径为10
结果与讨论
打印样品的微观结构如图1～2所示。水平方向制造的样品主要包含混合的大尺寸和细尺寸的等轴β晶粒（< 50 μm，图1a-c），以及少量水平伸长的β晶粒（图1b），这些细晶粒主要位于熔池的底部。打印样品内的微观结构异质性可能是由于熔池内部热分布不均匀所致[16,24,25]。经过应力诱导时效（ST）处理后，样品表现出显著的
结论
本研究通过选择性激光熔化（SLM）和随后的热处理（HT）在水平和垂直方向制造的Ti331合金样品中成功制备了两种不同的异质结构。主要发现总结如下：
1.水平方向制造的样品呈现出双尺度层状结构，其特征是由富α的细等轴晶粒和不含α的粗等轴晶粒交替排列；而垂直方向制造的样品则具有谐波结构
CRediT作者贡献声明
Wenqi Dong：撰写——原始草稿，可视化，数据分析。Yanjun Liu：方法学，数据分析。Zhichao Wang：验证，数据分析。Chunlei Qiu：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取。
Wenqi Dong|Yanjun Liu|Zhichao Wang|Chunlei Qiu
北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京，100191，中国
