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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

钛合金是先进的轻质材料，对于许多关键应用来说都是不可或缺的。钛工业的支柱是α–β钛合金，它是通过稳定α和β相的合金添加剂配制而成的。

然而，α–β钛合金的开发仍存在以下问题：

1、α–β钛合金的稳定剂受限

α-β钛合金由Ti与α相和β相稳定剂合金化而成。α相稳定剂仅限于Al、N、O、C、Ga和Ge，其中N和C是严格控制的杂质，而Ga和Ge不具有商业可行性。

2、聚焦铁氧元素的钛合金发展受阻

铁和氧是最强大的α-β钛合金稳定元素和强化剂，然而，氧的脆化效应和铁的微观偏析阻碍了它们在开发高强度和延展性α-β钛-氧-铁合金中的结合。

有鉴于此，墨尔本理工大学马前教授等人将合金设计与增材制造(AM)工艺设计相结合，以展示一系列具有出色拉伸性能的钛-氧-铁组合物。使用各种表征技术解释了这些特性的原子尺度起源。丰富的氧和铁以及增材制造净形或近净形制造的工艺简单性使得这些α-β钛-氧-铁合金在各种应用中具有吸引力。此外，它们还有望实现工业规模使用目前工业废品级海绵钛，降低高耗能海绵钛生产碳足迹的经济和环境潜力巨大。

技术方案：

1、探究了Ti-O-Fe合金的微观结构

作者使用参数模拟矩形试样模拟预测凝固后会导致亚稳相，并发现精细的 α-β 片晶是每种合金中的主要微观结构。

2、表征了室温下的拉伸性能

作者探究了设计的Ti-O-Fe合金和参考合金的代表性拉伸性能，表明Ti–(0.34–0.50)O–(3.17–3.32)Fe合金的拉伸延展性和极限拉伸强度增加。

3、分析了合金中的原子分布

作者研究了三种合金中O和Fe的原子分布，认为O间隙对晶格的键合贡献，有助于通过进一步阻碍位错运动来加强，而 β 相中大量的Fe分布不均匀，增加了强化能力通过产生阻止位错运动的局部应变来影响合金。

4、模拟分析了合金原子分布和拉伸性能

作者模拟预测O原子更喜欢驻留在α相中，但Fe原子没有表现出偏析，认为几乎无氧的β相的大体积分数和α相内的氧纳米异质性结合起来在调节整体变形过程中发挥了重要作用。

技术优势：

1、实现了工业废品级海绵钛的高值化利用

作者介绍了钛中O和Fe联合使用，将劣质海绵Ti(Ti-O-Fe)作为AM粉末生产的投入原料，具有显著的增值潜力和降低钛行业碳足迹的潜力。

2、开发了一系列具有出色性能的钛-氧-铁合金

作者将合金设计概念与AM工艺设计相结合来规避Ti与O和Fe合金化所带来的冶金挑战，开发了一系列具有高韧性和强度的α-β Ti-O-Fe合金。

Ti-O-Fe合金的微观结构

作者首先使用参数模拟矩形试样的DED，模拟预测凝固后的高冷却速率，预计会导致亚稳相。选择480–800°C作为所需的热历史界限，然后在该窗口内外打印设计成分的矩形试片。低氧 Ti-0.14O-3.23Fe 合金的微观结构包括短柱状和等轴先验 β 晶粒，随着O含量的增加形成细等轴prior-β 晶粒。在室温下，精细的 α-β 片晶是每种合金中的主要微观结构。

图  DED打印的Ti-O-Fe合金的微观结构

室温下的拉伸性能

作者探究了四种设计的Ti-O-Fe合金和两种参考合金的代表性拉伸性能，通过将合金成分固定为Ti–0.35O–3Fe并改变AM加工条件来打印单独的试样。在没有优化的情况下，在加工窗口内打印的Ti–(0.34–0.50)O–(3.17–3.32)Fe合金的拉伸延展性从9.0±0.5%到21.9±2.2%和极限拉伸强度从1034±9到1194±8 MPa。

图  DED打印的Ti-O-Fe合金在室温下的拉伸性能

原子分布

为了解释强化机制，作者研究了三种合金Ti-0.14O-3.23Fe、Ti-0.34O-3.25Fe和Ti-6Al-4V-0.22O-0.20Fe中O和Fe的原子分布。结合iDPC，STEM可以直接观察间隙光元素。观察到O原子强烈偏析到Ti-0.34O-3.25Fe 合金中的α-板条边缘。相比之下，在低氧Ti-0.14O-3.23Fe合金中很少观察到这种纳米异质微观结构。使用微分相衬(DPC)STEM 分析Ti–0.34O–3.25Fe 合金中的局部电荷密度，表明 O 间隙对晶格的进一步键合贡献。

图  DED打印的α-β Ti-O-Fe合金中O和Fe原子的分布

DFT模拟

DFT模拟预测O原子更喜欢驻留在α相中，尤其是靠近α/β界面，但Fe原子没有表现出偏析。预测结果与APT测量结果非常吻合。作者认为几乎无氧的β相的这种大体积分数和α相内的氧纳米异质性结合起来在调节整体变形过程中发挥了重要作用，从而产生了优异的拉伸性能特性。因此，使用TEM检查了合金的拉伸断口邻接的区域，为支持上述假设提供了直接证据。

图  α–β Ti–O–Fe合金β和α相中Fe和O原子分布的 DFT 模拟

总之，作者展示了合金设计与基于模拟的AM工艺设计之间的集成，以创建一类新的强韧性α–β Ti–(0.35–0.50)O–3Fe合金。作者将这些合金的成功归因于这种整合产生的多尺度微观结构特征的组合。这些坚固且具有延展性的 Ti-O-Fe合金有望在室温下产生广泛的潜在应用。此外，海绵锆(Zr)的制造方法与海绵Ti相同。因此，可以预期使用不合格的海绵Zr来开发高强度和延展性的 Zr-O-Fe合金。此外，这项工作为未来增材制造的间隙工程提供了一条潜在途径。

参考文献：

Song, T., Chen, Z., Cui, X. et al. Strong and ductile titanium–oxygen–iron alloys by additive manufacturing. Nature 618, 63–68 (2023).

DOI：10.1038/s41586-023-05952-6

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05952-6