四校聯合發表《Materials Today》：高強低合金化鈦合金研發！

鈦合金因具有優異的比強度、耐腐蝕性、疲勞性能及生物相容性，在航空航天、生物醫療和高端裝備制造等領域具有重要應用價值。尤其是在航空航天輕量化結構和高可靠服役需求持續提升的背景下，開發兼具高強度與高塑性的低成本鈦合金材料，已成為先進結構材料領域的重要研究方向。然而長期以來，高性能鈦合金的發展通常依賴較高含量的合金元素。例如，典型商用鈦合金Ti-6Al-4V、Ti-6Al-6V-2Sn等通過較高比例的Al、V、Sn等元素實現優異綜合力學性能，但其原材料成本高、制備工藝復雜，限制了更大范圍的工程推廣應用。相比之下，低合金鈦體系具有成本低、易加工等優勢，但由于強化能力不足以及脆性第二相易形成，通常存在強度不足和塑性顯著下降等問題，難以同時滿足高強高韌的服役要求。

近期，香港理工大學陳子斌教授團隊在前期高性能鈦合金結構設計與變形機制研究的基礎上，聯合美國佐治亞理工學院朱廷教授團隊、上海交通大學陳登科教授團隊以及澳大利亞悉尼大學Simon P. Ringer教授團隊，受高強低合金鋼（HSLA steel）設計理念啟發，創新性地將“高強低合金”概念拓展至鈦合金體系，提出在總合金含量約5 wt.%及以下條件下實現優異強塑匹配和低合金化協同優化的新型設計思路，并在Ti-Cu合金體系中成功制備出兩種兼具超高強度和良好塑性的高強低合金化鈦合金。相關研究成果以“Ultra-strong and ductile low-alloy titanium by additive manufacturing”為題發表在 Materials Today 雜志上。任川兮博士和王昊博士為論文共同第一作者，朱廷教授、陳登科教授、Simon P. Ringer教授和陳子斌教授為共同通訊作者。

在傳統制備工藝下，低合金鈦中往往容易形成尺寸較大且界面不相干的脆性析出相，如Ti?Cu、Ti?Al及ω相等，這些組織特征易引發應力集中，顯著削弱塑性和損傷容限。近年來，增材制造技術，特別是激光選區熔化，因其快速熔化和超快凝固等高度非平衡加工特征，為新型鈦合金微結構調控提供了重要技術支撐。該技術能夠有效抑制溶質元素擴散，突破傳統平衡相圖限制，促進亞穩相及納米析出相形成，從而為構筑多尺度層級強化結構創造了條件。

基于此，研究人員利用增材制造過程中的非平衡特征，成功實現了Ti-Cu低合金體系中擴散相變行為的精準調控，開發出HSLA-Ti材料體系。在Ti-3Cu合金體系中，由于擴散相變受到顯著抑制，材料內部形成亞微米級的α′板條組織，并在板條內部及板條界面處形成細小且高密度分布的富Cu共格納米析出相(η′)。該微觀結構賦予Ti-3Cu合金優異的強塑性，其抗拉強度可達到約940 MPa，斷后延伸率約22%，這與同工藝參數商業純Ti的延伸率相當。隨著Cu含量進一步提高至Ti-5Cu合金，繼續形成亞微米級α′板條組織，同時構筑出“雙納米析出強化”結構，即富Cu共格納米析出相(η′)以及納米尺度的非共格金屬間化合物Ti?Cu。該合金表現出優異的綜合力學性能，其抗拉強度可達到1,340 MPa，斷后延伸率達到 12%。這些性能顯著優于多數現有商用鈦合金，甚至超過部分高強度β鈦合金體系。

進一步通過分子動力學模擬以及先進電子顯微鏡觀察手段等，發現在Ti-3Cu合金中變形主要受細化α′板條和高密度η′納米析出相協同控制。塑性變形初期以位錯滑移為主，隨應變增加逐步激活 位錯以協調局部變形。細小共格且可剪切的η′析出相對位錯具有顯著釘扎作用，同時允許位錯剪切穿過，形成“釘扎-剪切”機制。隨著應變繼續增加，交滑移和多滑移系持續激活，持續增強加工硬化能力，從而在顯著提高強度的同時保持較高塑性。在Ti-5Cu合金中，則表現為η與η′雙納米析出相協同作用下的復雜變形過程。不可剪切的共格η析出相沿特定方向呈陣列分布，強烈釘扎 位錯并誘導位錯塞積，這是超高強度的主要來源。與此同時，細小可剪切η′析出相彌散分布于η陣列之間，這些η′相允許 位錯剪切和滑移，為加工硬化能力和塑性提供了支持。

以上研究工作表明，增材制造驅動的非平衡組織調控策略有望進一步拓展至更多低合金鈦體系，如Ti-Fe、Ti-Mo及多元微合金化體系，實現更廣泛的高性能低成本鈦合金設計。同時，通過進一步優化打印參數、熱歷史調控及后處理工藝，可實現析出相尺寸、分布及界面特征的精準控制，進一步提升材料的強韌協同性能。此外，Cu元素賦予材料優異的抗菌性能，使該類Ti-Cu合金在航空航天輕量化結構件及醫療器械領域均具有廣闊應用前景。未來圍繞服役環境下疲勞、腐蝕及生物相容性等性能開展系統研究，將有助于推動其工程化和醫用行業應用。

圖1 增材制造高強低合金化鈦合金的力學性能。

圖2 增材制造高強低合金化鈦合金的微觀組織。

圖3 增材制造Ti-3Cu合金中的析出相成分分析。

圖4 增材制造高強低合金化鈦合金變形過程中位錯結構觀察。

圖5 增材制造高強低合金化鈦合金中η′相變形過程中分子動力學模擬。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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