Nature：通过增材制造实现坚固且延展性的钛

一、通过【导读】 

大多数工业钛（Ti）合金的增材制造展性微观结构基于钛的两个基本相，即六方最密堆积（HCP）α相和体心立方（BCC）β相。实现以Ti-6Al-4V（按重量百分比计）为代表的坚固α-β钛合金是钛工业的支柱。它们可以形成不同的且延微观结构，包括层状α-β相（具有接近Burgers定向关系）、通过等轴α相和β相，增材制造展性以及在α-β层片之间存在的实现球状α相。每种微观结构都具有优点和缺点，坚固使得α-β钛合金在各种工业应用中具有多样化的且延用途。作为钛工业的通过主力，α-β钛合金通过合金添加元素来稳定α相和β相。增材制造展性聚焦于利用氧和铁这两种稳定元素和强化剂可以用来加固α-β钛合金，实现这两种元素在自然界中丰富可得。坚固然而，且延氧的脆化作用（俗称为“钛的克里普顿”）以及铁的偏析现象妨碍了它们在强韧性α-β钛-氧-铁合金的开发中的结合。

二、【成果掠影】

最近，澳大利亚皇家墨尔本理工大学Ma Qian教授联合悉尼大学Simon P. Ringer教授将合金设计与增材制造（AM）工艺设计相结合，展示了一系列具有出色拉伸性能的钛-氧-铁组成合金。使用各种表征技术解释了这些性能的原子尺度起源。氧和铁的丰富性以及通过AM进行净型或近净型制造的工艺简单性，使得这些α-β钛-氧-铁合金在各种应用中具有吸引力。此外，它们为目前的工业废料——次品海绵钛或海绵钛-氧-铁的工业规模利用提供了希望。减少耗能大量的海绵钛生产的碳足迹的经济和环境潜力是巨大的。相关成果以 “Strong and ductile titanium–oxygen–iron alloys by additive manufacturing” 为题发表在Nature上。

 三、【核心创新点】

这项创新性研究将合金设计与增材制造相结合，创造了具有出色拉伸性能的钛-氧-铁合金，为工业废料利用和减少碳足迹提供了经济和环境潜力。

 四、【数据概览】

图1DED打印的钛-氧-铁合金的显微结构。© 2023 Springer Nature

图2焦点放在改变合金组成而不改变处理条件的情况下，DED打印的钛-氧-铁合金的室温拉伸性能。 © 2023 Springer Nature

图3DED打印的α-β钛-氧-铁合金中氧和铁原子的分布情况。 © 2023 Springer Nature

图4α-β钛-氧-铁合金中BCC（β）相和HCP（α）相中铁和氧原子分布的DFT模拟结果。 © 2023 Springer Nature

五、【成果启示】

总的来说，该研究通过将合金设计与模拟为基础的增材制造工艺设计相结合，成功开发出一系列强韧性的钛-氧-铁合金。这些合金利用了氧和铁这两种丰富的元素，在宽广的增材制造工艺窗口中展现出优异的拉伸性能。成功的关键在于多尺度微观结构特征的整合，包括细小的α-β层片分布在细小的等轴β晶粒中，以及氧和铁在α相和β相中的高效强化作用。此外，通过实现α相的纳米异质分布，形成高含氧（强韧）和低含氧（韧性）区域，影响了原子键合的局部性质。这些强韧性的钛-氧-铁合金具有广泛的应用潜力，同时为利用次品海绵钛或海绵钛-氧-铁这种工业废料提供了新的可能性。此外，该研究为未来通过增材制造进行间隙工程提供了思路，例如减轻钛和锆中的氮脆化和其他金属中的氧脆化。

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

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

本文由jiojio供稿

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