《Materials Chemistry and Physics》：Simultaneously improved strength and ductility of EBM-fabricated high-temperature near-α titanium alloy with hybrid Ti65/TC4 powders
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摘要高温钛合金是航空航天部件中极为重要的结构材料。本研究采用电子束熔炼技术，以质量比为1:1的Ti65和TC4预合金粉末为原料，制备出一种新型近α型钛合金Ti-5.9Al-2.0Sn-1.8Zr-2.0V-0.3Mo-0.2Nb-0.5Ta-0.5W-0.2Si-0.03C，并对
摘要
高温钛合金是航空航天部件中极为重要的结构材料。本研究采用电子束熔炼技术，以质量比为1:1的Ti65和TC4预合金粉末为原料，制备出一种新型近α型钛合金Ti-5.9Al-2.0Sn-1.8Zr-2.0V-0.3Mo-0.2Nb-0.5Ta-0.5W-0.2Si-0.03C，并对其微观结构、织构及力学性能进行了研究。该合金具有典型的篮状织构，细小的硅化物析出物分布在α/β相界处，同时还存在少量定向排列的α晶粒。粗大的α晶粒则呈现出明显的纤维状织构。该合金在室温下以及600℃条件下均表现出优异的拉伸性能：室温下屈服强度为835±10 MPa，抗拉强度为922±8 MPa，伸长率为16±0.3%；600℃时屈服强度为432±12 MPa，抗拉强度为529±14 MPa，伸长率为19.5±4%。其出色的强度源于晶界强化、析出强化以及固溶强化的协同作用。微裂纹倾向于在α/β界面处萌生，并沿着粗大的α晶界扩展，形成曲折的裂纹路径，最终导致合金发生断裂。这项研究为设计用于极端环境的高性能钛合金提供了理论依据。
引言
由于具有高比强度和优异的高温耐久性，高温钛合金是先进航空航天领域中的关键结构材料[1]、[2]、[3]。这类合金被广泛用于航空发动机的涡轮盘、压缩机壳体以及高速飞机的隔热机身面板等关键高温部件中[4]、[5]。随着航空航天应用环境日益苛刻，传统的制造方法在加工复杂、薄壁且要求高精度的钛合金部件时面临着诸多限制。增材制造技术则为高性能航空航天部件的制造带来了革命性的变化，它能够有效克服传统减材加工在制造几何结构复杂的钛合金零件时的局限性[6]、[7]、[8]、[9]。常见的能量束增材制造技术包括选择性激光熔化技术[10]、[11]、电子束熔炼技术[12]以及直接能量沉积技术[13]、[14]。这些技术能够在可控的能量输入下实现金属粉末的局部熔化及精确的冶金结合，从而能够自由地制造出结构复杂的部件。其中，电子束熔炼技术因其极高的能量密度以及通过均匀的预热所维持的持续高温成型环境而具有独特的加工优势[12]。这些优点有助于有效降低内部残余应力及冶金缺陷，从而实现复杂薄壁钛合金部件的高精度近净成形。因此，电子束熔炼技术非常适合用于制造用于极端高温环境的高性能钛合金。
作为典型的近α型高温钛合金，Ti65（化学成分：Ti-5.9Al-4Sn-3.5Zr-0.3Mo-0.4Si-0.3Nb-2.0Ta-1.0W-0.05C，按重量百分比计算）在高达650℃的工作温度下仍能保持优异的高温拉伸强度和微观结构稳定性[15]、[16]。然而，通过增材制造工艺得到的Ti65合金在室温下的延展性较差，这严重影响了其成型能力及与其他材料的装配兼容性，进而限制了其在大型工程中的应用[17]。相比之下，传统的TC4合金（化学成分：Ti-6Al-4V，按重量百分比计算）具有更好的室温延展性和可加工性，已被广泛用于航空航天器中的承重结构和连接结构中[18]。不过，TC4合金在长期处于高温环境下时，其力学性能会显著下降，微观结构也会变得不稳定[19]、[20]。采用混合粉末的制造策略是一种有效且高效的方法，可用于克服单一成分钛合金的固有性能缺陷。多项先前的研究已经证明，通过调整粉末的混合比例，可以显著改善增材制造钛合金的综合力学性能[19]、[21]、[22]。然而，现有的研究大多采用试错法来混合不同成分的合金粉末，以调整其力学性能。Zhang等人[22]将高强度的近β型Ti6554合金与耐热的近α型Ti60合金进行混合，通过调整两种粉末的混合比例，得到了兼具高强度和良好高温稳定性的合金。他们的实验结果表明，增加Ti60与Ti6554的混合比例会逐渐减小α晶粒的体积分数和宽度，从而提高合金的室温延展性，但同时也会降低其拉伸强度。尽管以往关于粉末混合的研究已经取得了一些进展，但大多数研究仅能实现单一方面的性能提升，缺乏合理的、有针对性的成分设计，因此无法从根本上解决室温成型性与高温微观结构稳定性之间的矛盾。Ti65和TC4都是两种应用较为广泛的商用合金粉末，常用于航空航天领域的增材制造，它们的力学性能具有很强的互补性。然而，通过电子束熔炼技术制备的Ti65/TC4混合合金体系的协同性能优化机制、其独特的微观结构特征以及相应的强化机制至今仍未得到充分研究。
本研究采用电子束熔炼技术，以质量比为1:1的Ti65和TC4预合金粉末为原料，制备出一种新型高温钛合金。研究了该合金在室温及600℃条件下的微观结构、织构及拉伸性能，同时分析了其背后的强化机制以及裂纹的萌生与扩展行为。这项研究为开发适用于极端高温环境的全新增材制造钛合金提供了可行的技术指导。
章节节选
实验方法
在室温条件下，将球形的Ti65和TC4预合金粉末以1:1的质量比进行机械混合，混合时间为8小时。所设计的近α型高温钛合金的化学成分为Ti-5.9Al-2.0Sn-1.8Zr-2.0V-0.3Mo-0.2Nb-0.5Ta-0.5W-0.2Si-0.03C（按重量百分比计算），以下简称DH11。如图1(a-b)所示，通过扫描电子显微镜对混合后的粉末的形貌和化学成分进行了分析。此外，还使用了能量分散X射线光谱仪进行进一步分析。
微观结构
图4展示了沿沉积方向Z轴方向的DH11合金的扫描电子显微镜图像。如图4(a)所示，由于电子束熔炼过程存在较高的热梯度以及定向凝固的特性，沉积后的DH11合金中形成了大量平行于沉积方向的β柱状晶粒[23]。这些初始的β柱状晶粒贯穿多个沉积层，其典型宽度约为120微米。图中标记为A的两个区域为典型的晶粒分布区域。
微观结构演变
图11(a-d)展示了室温及600℃下对沉积后的DH11合金横截面进行的扫描电子显微镜观察结果。如图11(a)和(c)所示，600℃下拉伸处理后的DH11合金中，α相和β相的厚度以及保留的β相体积分数几乎没有任何变化。该合金依然保持着良好的篮状织构，其特征相的尺寸和比例也基本保持一致，这证明了其α/β层状结构的稳定性。
结论
综上所述，本研究探讨了采用电子束熔炼技术，以混合型的Ti65和TC4预合金粉末为原料所制备的新型近α型钛合金的微观结构、织构及拉伸性能。主要结论如下：
- (1)
该合金具有典型的篮状织构，细小的硅化物颗粒分布于α/β相界处，同时还存在少量定向排列的α晶粒。粗大的α晶粒则呈现出明显的纤维状织构，这一织构特征与
作者贡献说明
朱志豪：论文撰写与编辑、原始稿件撰写、结果验证、方法设计、实验研究、资金申请、数据统计分析。刘楠：方法设计。牛景哲：结果验证、方法设计、数据统计分析。张学哲：结果验证、方法设计、概念构思。贾亮：结果验证、方法设计、数据统计分析。
利益冲突声明
? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了以下项目的支持：陕西省重点研发计划（项目编号：2025CY-YBXM-579、2025CY-GJHX-17），国家自然科学基金（项目编号：52304387），以及西北有色金属研究院的研究项目（项目编号：0601YK2520）。
Zhihao Zhu|Liang Jia|Xuezhe Zhang|Jingzhe Niu|Nan Liu
中国西安市710016，西北有色金属研究院，多孔金属材料国家重点实验室
