激光粉末床熔融原位合金化协同调控亚稳β型钛-铬-铝医用合金的相稳定性与晶体学织构

《Acta Materialia》：Simultaneous control of phase stability and crystallographic texture for low-modulus biomedical β-type Ti–Cr–Al alloys by in-situ-alloying LPBF

　　

激光粉末床熔融（LPBF）不仅提供几何自由度，还提供了一条独特路径，用以协同设计成分依赖的相稳定性与晶体学织构，这对实现低模量钛合金至关重要。研究人员通过元素粉末原位合金化制备Ti–Cr与Ti–Cr–Al合金，并借助定制扫描策略编程单晶状织构（<100>、<110>或<111>平行于构建方向（BD））。采用使熔池深度远大于层厚的工艺条件，经多次重熔获得成分均匀制件。在β相稳定性较低的Ti–12Cr（质量%）中，尽管其固溶淬火态未检出ω相，LPBF态却观察到ω相，表明LPBF特有的热-力学历史（含353 MPa拉伸残余应力）可能促进ω相析出。添加Al抑制ω相形成，获得单相β基体。此外，所有成分均一致观察到扫描策略依赖的织构。弹性模量呈显著取向各向异性，Ti–12Cr–3Al在<100>方向约达60 GPa，而平行BD的屈服强度随织构达800–1000 MPa，其弹性许用应变超过已报道LPBF成形Ti–6Al–4V。基于上述发现，研究人员提出一种增材制造工艺感知设计框架：合金成分、LPBF特有热-力学历史与晶体学织构共同决定亚稳β-Ti合金的相稳定性与定向力学性能。

研究背景与立项依据

钛合金因优异生物相容性、耐蚀性与高比强度，广泛用于骨科植入物。医用β-Ti合金的核心目标是降低杨氏模量以缓解应力屏蔽，而模量受控于亚稳β相稳定性及析出相（α/α′、ω）与晶体学织构。传统预合金粉末筛选成本高、周期长；LPBF（激光粉末床熔融）可在单层扫描中同时编程成分（元素粉末原位合金化）与织构（扫描策略调控<100>/<110>/<111>∥BD），但成分—LPBF热历史—织构—性能的耦合规律在Ti–Cr–Al体系中尚不清楚。该研究发表于《Acta Materialia》，旨在建立“工艺感知”设计框架，使相构成、弹性各向异性与强度可刻意调控。

主要关键技术方法

研究人员选用高纯Ti、Cr、Al元素粉末球磨混合，采用EOS M 290设备（激光功率360 W、扫描速度1200 mm/s、层厚60 μm、光斑扫描间距100 μm）在Ar气氛下成形5 mm×5 mm×25 mm试样；施加三种扫描策略（±X_SS、±XY_SS、+120°Rot_SS）分别诱导<110>、<100>、<111>单晶状织构平行于BD。成分用ICP与惰气熔融定氧核验；物相用XRD（Cu Kα）与TEM/STEM（含SAED）判定；织构用EBSD（IPF、极图）分析；力学性能用沿BD加载的微拉伸（应变片测模量，400–600 MPa区间拟合）；残余应力用XRD sin2ψ法测定。样本为实验室自制LPBF块体，无外部临床队列。

研究结果

3.1 成分与成分分布

ICP显示实测Cr、Al略低于名义值（Cr饱和蒸气压高致蒸发），氧约0.1%；顶面附近有轻微不均，内部因熔池深大于层厚且多重重熔而均匀，无未熔粉末。

3.2 组成相、晶体学织构与显微组织

XRD表明6Cr为α′+β，≥12Cr二元及全部Ti–Cr–Al三元为单一β峰且随Cr↑向高角偏移（Cr原子半径小于Ti）。TEM在6Cr中额外检出β+α′+ω（SAED沿[110]_β），α′具Burgers关系两变体，ω细散于β基体。12Cr仍见ω衍射斑，随Cr增至20Cr斑减弱；加3%Al后ω近完全抑制，得单相β。EBSD显示三种扫描策略在各成分均稳定生成{001}_z<100>_x、{011}_z<100>_x、{111}_z<2 1? 1?>_x类单晶织构，由熔池内<100>择优生长与外延继承实现。

3.3 力学性能

6Cr、12Cr因α′/ω硬相近脆断，无明确屈服；≥14Cr及含Al合金显屈服与塑性，位错滑移为主。<110>与<100>取向屈服强度约800 MPa，<111>超900 MPa（符合Schmid定律）。单β合金模量取向各向异性明显：<100>最低、<111>最高；Ti–16Cr与Ti–12Cr–3Al最优，后者<100>∥BD模量约60 GPa，平行BD屈服800–1000 MPa，弹性许用应变优于文献LPBF Ti–6Al–4V。

讨论与结论翻译

研究人员指出，Ti–12Cr在LPBF态析出ω而固溶淬火态无，归因于LPBF特有热-力学历史（353 MPa拉伸残余应力等）降低ω形核势垒；Al在降e/a同时抑ω，实现单相低模量β。扫描策略可跨成分复现指定单晶状织构，使模量沿<100>最小化。由此提出增材制造工艺感知设计框架：合金成分、LPBF特有热-力学历史与晶体学织构三者共同贡献于亚稳β-Ti的相稳定性与定向力学性能，为医用低模量β-Ti植入物的成分—织构—性能协同设计提供基础。