《Materials Today》：Ultra-strong and ductile low-alloy titanium by additive manufacturing
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本研究利用增材制造技术，通过控制非平衡加工条件在低合金钛合金中诱导分层微结构，包括微米级晶粒、细化片状相和纳米级沉淀物，显著提升强度（1340 MPa）并保持延展性（12%），为低成本高强度钛合金开发提供新途径。
传西仁|郝旺|崔向远|郭金金|陈汉生|宋志正|史恒超|冉亚婷|王春金|张志飞|刘宏伟|张康成|廖小周|朱婷|陈登科|西蒙·P·林格|陈志斌
香港理工大学工业与系统工程系超精密加工技术国家重点实验室，中国香港999077
摘要
高强度且具有延展性的钛合金对于航空航天和生物医学应用至关重要。虽然低合金钛体系减少了对昂贵合金元素的依赖，但它们的机械性能往往较差。我们通过利用增材制造的高度非平衡加工条件来控制扩散相变，从而开发出了高强度低合金（HSLA）钛合金。这种方法使得Ti-Cu合金形成了分层微观结构，其特征是具有精细的α′（或α）晶条和细分散的纳米沉淀物。这种结构层次有效地阻碍了位错滑移，并促进了多重滑移，从而在不牺牲延展性的情况下实现了超高强度。一种含有双重纳米沉淀物的Ti-5Cu合金达到了1,340 MPa的极限抗拉强度和12%的断裂伸长率，性能优于大多数商用钛合金。这些结果凸显了增材制造在开发更可持续的钛合金方面的潜力，这些合金既强韧又低合金化，同时具有成本效益。
引言
钛（Ti）合金因其优异的比强度、疲劳寿命、耐腐蚀性和生物相容性而在航空航天和生物医学领域得到广泛应用[1]。受到高强度低合金（HSLA）钢的成功启发，后者通过热机械加工实现了高强度和延展性的平衡[2]。高强度低合金（HSLA）材料的概念最初是为钢材开发的，并已广泛使用了数十年。在钢材中，HSLA等级通常含有相对少量的合金元素，一般约为5%或更低。例如，典型的HSLA钢材如AISI 4340、30CrNiMo8和AISI 4330V的总合金含量分别约为5%、5.5%和5%（见表S1-S3）[3]、[4]、[5]。相比之下，钛合金的机械性能，特别是屈服强度（YS）、极限抗拉强度（UTS）和总伸长率（TE），对合金元素的类型和浓度非常敏感，其中合金含量起着主导作用。如表S4所示，α-Ti合金通常含有不到10%的合金元素，但通常表现出相对较低的强度[6]。要提高钛合金的强度，通常需要显著增加合金含量。接近α相、α+β相和β-Ti合金通常含有超过10%的合金元素，这有助于提高它们的YS和UTS。实际上，在传统钛合金中，要达到约800 MPa或更高的UTS几乎总是依赖于相对较高的合金含量。
将这一概念扩展到钛合金，为开发出强韧且具有成本效益的钛合金提供了一条有前景的途径。受到与钢材对比的启发，我们提出了HSLA-Ti的概念，定义为总合金添加量约为5%或更低的钛合金，同时仍能保持高性能。具体来说，我们提出HSLA-Ti合金应满足UTS > 800 MPa和总伸长率（TE）> 10%的标准[7]、[8]。这一定义与HSLA钢材的设计原则类似，为实现同时强韧、低合金化和成本效益的钛合金指明了方向，从而能够广泛应用于各种结构[9]、[10]。最后，我们注意到“低合金”范畴（≤ 5%）可能比钢材中的低合金范畴更为宽泛。尽管如此，我们认为这一概念很有价值，因为目前的关注点主要集中在成分复杂的合金（也称为高熵合金）上，这些合金要么含有等量的合金元素，要么含有≥10%的添加量。这为我们的HSLA钛合金概念提供了额外的背景。目前的商用钛合金，如Ti-6Al-4V（Ti-6-4）、Ti-6Al-6V-2Sn（Ti-6-6-2）、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo（Ti-6-2-4-6）、Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.15Si（Ti-6-2-2-2-2），虽然具有吸引人的强度和延展性，但成本较高且生产难度较大[11]。相比之下，低合金钛变体，如商业纯钛（CP-Ti）、Ti-Al、Ti-Cu、Ti-Cr、Ti-Fe和Ti-Mo，成本较低且更容易加工，但它们的机械性能通常较差[12]。例如，Ti-3Fe和Ti-5Cr的UTS分别提高了约670 MPa和750 MPa，但断裂伸长率分别降低了15%和10%[13]、[14]，而CP-Ti的UTS约为340 MPa，伸长率为34%[15]。尽管铸造Ti-Cu合金具有较高的强度（约890 MPa），但其低延展性（约1%）[16]限制了其工业应用。
低合金钛的较差拉伸性能主要源于存在大而高密度的非相干次要相。例如，在Ti-Al合金中形成Ti3Al沉淀物，在Ti-Cu合金中形成Ti2Cu沉淀物，在Ti-Fe合金中形成脆性的β片层，在Ti-Cr合金中形成脆性的ω相[7]、[17]、[18]、[19]。这些沉淀物和次要相作为应力集中器，显著降低了拉伸延展性。为了改善钛合金的机械性能，更倾向于使用细分散的相干沉淀物。实现这一点通常需要非平衡的可剪切相，这些相在塑性变形过程中通过促进位错阻塞和增殖来增强强度并保持延展性[20]。然而，由于钛中的合金元素扩散速率较高，生成具有细分散的亚稳态可剪切相的微观结构具有挑战性。
增材制造（AM），如激光粉末床熔融（L-PBF），涉及高度局部化的熔化、快速冷却和再加热，与传统制造方法相比产生了显著的热梯度。AM已成为将非平衡相和结构引入金属材料的有效方法[21]。其局部快速冷却限制了溶质扩散，促进了非平衡相的形成，超过了平衡相图中的相[22]。本研究专注于二元Ti-Cu合金，利用了Cu在室温下的高扩散率和低溶解度。我们利用AM在低合金钛体系中创建了分层微观结构，同时实现了精细的α′（或α）晶条和高密度的非平衡（η′）及平衡（η2Cu）纳米沉淀物——称为双重纳米沉淀物。这种系统中罕见的η′相能够在不损失延展性的情况下实现同时强化。通过将HSLA概念引入钛合金，本研究建立了一种成本效益高的微观结构设计策略，其机械性能可与传统的高合金α型钛合金相媲美甚至超过后者。
部分摘录
卓越的机械性能
使用CP-Ti和Cu的机械混合粉末通过L-PBF方法制备了块状Ti-Cu合金样品（Ti-1.5Cu、Ti-3Cu、Ti-5Cu和Ti-7Cu，按重量百分比计）。图1a和图S6以及表S5展示了L-PBF钛合金和Ti-Cu合金的拉伸性能。CP-Ti的UTS约为580 MPa，拉伸延展率为约22%的断裂伸长率。相比之下，Ti-Cu合金的UTS显著提高：Ti-1.5Cu和Ti-3Cu分别达到了约770 MPa和约940 MPa，而
讨论
L-PBF钛合金（如Ti-3Cu和Ti-5Cu）的强度提高和延展性的保持，源于其分层微观结构，这种结构包含微米级的晶粒，其中含有精细的α′或α晶条（宽度约为几百纳米）和细分散的纳米沉淀物（η相约为20纳米，η′相约为5纳米）。这种结构层次有效地阻碍了位错滑移，并促进了多个滑移系统的激活，从而实现了显著的应变硬化
结论
通过利用冷却和扩散速率对相变和溶质组成的影响，增材制造[62]能够在低合金钛体系中创建分层微观结构。这些微观结构具有微米级的晶粒，其中包含精细的α′或α晶条（宽度约为几百纳米）和细分散的纳米沉淀物（η相约为20纳米，η′相约为5纳米），具体形成的相由合金成分决定。
方法
钛和Ti-Cu合金的制备材料。增材制造过程使用了两种高纯度氩气雾化粉末，包括纯钛和纯铜，颗粒大小范围为15至53微米。这些粉末购自Avimetal Additive Manufacturing Co., Ltd。Ti-Cu合金的成分有意设计为不同的比例，即Ti-1.5 wt% Cu、Ti-3 wt% Cu、Ti-5 wt% Cu和Ti-7 wt% Cu，此后分别用这些名称表示
CRediT作者贡献声明
传西仁：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据管理。郝旺：撰写——原始草稿、研究、数据管理。崔向远：方法论、研究。郭金金：形式分析、数据管理。陈汉生：方法论、研究、数据管理。宋志正：方法论、研究。史恒超：研究、数据管理。冉亚婷：方法论、研究、数据管理。王春金：方法论、研究。张志飞：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢Tab Cheng在样品制备方面的支持，以及Ruien Hu、Qi Liu、Xingdong Dan、Shengxi Jin、Yixuan Sun和Bo-Rung Chen（林格教授团队的访问学生）在实验方面的协助。我们感谢香港理工大学的3D打印研究设施（U3DP）、悉尼大学的悉尼显微镜与微分析设施（该设施是Microscopy Australia的节点）、悉尼信息中心（悉尼大学）以及国家计算
