在生物醫(yī)用金屬材料領(lǐng)域，一個長期存在卻始終難以解決的問題是：如何在提高強(qiáng)度的同時降低彈性模量？ Ti-Ta合金被認(rèn)為是最有潛力的解決方案之一，Ta元素不僅能夠顯著降低Ti合金的彈性模量、緩解應(yīng)力屏蔽，還能進(jìn)一步提升其生物相容性與耐腐蝕性能。然而，這一體系卻面臨一個根本性挑戰(zhàn)：“想得好，做不好”。由于Ti與Ta在熔點(diǎn)和密度上的巨大差異，傳統(tǒng)冶金方法難以實(shí)現(xiàn)均勻合金化，往往導(dǎo)致嚴(yán)重的成分偏析與組織不均，使得性能優(yōu)化缺乏可靠基礎(chǔ)。雖然激光粉末床熔融（LPBF）為Ti-Ta合金原位制備提供了新途徑，但現(xiàn)有研究仍停留在少數(shù)離散成分點(diǎn)，缺乏對成分—冷卻速率—組織—性能之間全局關(guān)系的系統(tǒng)認(rèn)知，尤其是冷卻過程如何協(xié)同調(diào)控相穩(wěn)定性與力學(xué)性能，仍未被真正理清。

針對上述關(guān)鍵科學(xué)問題，北京科技大學(xué)曲選輝教授、張百成教授團(tuán)隊提出了一種基于原位成分梯度設(shè)計的高通量研究策略。研究團(tuán)隊針對Ti到Ta成分連續(xù)變化過程中粉末熔化行為和成形特征的差異，設(shè)計了沿梯度方向連續(xù)變化的激光工藝參數(shù)，成功制備出大尺寸Ti-Ta連續(xù)梯度合金，從而在單一構(gòu)建體中實(shí)現(xiàn)Ti-Ta合金成分從0–100 at.%的連續(xù)變化。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合不同冷卻條件與高通量表征，首次建立了覆蓋整個成分空間的系統(tǒng)性數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了成分—冷卻速率—組織—性能關(guān)系的連續(xù)映射。論文進(jìn)一步引入機(jī)器學(xué)習(xí)，揭示了Ta含量和冷卻速率對硬度演化的主導(dǎo)作用，建立了高通量實(shí)驗(yàn)與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合的二元合金快速篩選新框架。

相關(guān)成果以“The effect of composition and cooling rate on the microstructure and mechanical properties of Ti-Ta alloys: a high-throughput study performed using the in situ compositional gradation via laser powder bed fusion”為題，發(fā)表于國際頂級材料學(xué)術(shù)期刊《Scripta Materialia》。北京科技大學(xué)博士研究生宋章為論文第一作者，北京科技大學(xué)張百成教授、高磊教授、印度理工學(xué)院Ramasubramanian Lakshmi Narayan教授為論文共同通訊作者。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2026.117337

數(shù)據(jù)概況：

圖1.（a）粉末輸送示意圖，（B）Ti-Ta CGA制造工藝示意圖，（c）Ti-Ta CGA構(gòu)建圖像示意圖，以及（d）Ti-Ta CGA熱處理工藝示意圖。

圖2.（a1-n1）Ti-Ta CGA不同成分位置截面的代表性反極圖，（a2-n2）相應(yīng)的相圖，（e3-e4）Ta 19的典型明場TEM圖像，（e5）相應(yīng)的SAED圖案，（e6）α″//β界面的高分辨率TEM圖像和（o）相分?jǐn)?shù)的定量統(tǒng)計。

圖3.不同冷卻條件下Ti-Ta CGA沿梯度方向（GD）的橫截面XRD圖譜：（a）AB，（B）水淬，（c）油淬，（d）水冷。

圖4.（a）Ti-Ta CGA的相變和力學(xué)行為的準(zhǔn)全局圖，作為成分和冷卻速率的函數(shù)，（b）隨機(jī)森林回歸模型的H的真實(shí)值和預(yù)測值，（c）基于SHAP值分析的隨機(jī)森林回歸模型的H的重要性順序的特征依賴性

這項工作的創(chuàng)新點(diǎn)在于，提出了一種基于LPBF的原位成分梯度設(shè)計策略，通過沿Ti到Ta成分方向連續(xù)調(diào)控激光工藝參數(shù)，成功制備出覆蓋0–100 at.%范圍的Ti-Ta連續(xù)梯度合金。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合高通量表征手段系統(tǒng)揭示了成分與冷卻速率協(xié)同作用下的相變演化規(guī)律，即α→α′→α′+α″+β→α″+β→β的連續(xù)轉(zhuǎn)變路徑，并明確了冷卻速率對β相穩(wěn)定閾值的關(guān)鍵調(diào)控作用。同時，構(gòu)建了成分—冷卻速率—組織—性能（CPMM）全景圖，發(fā)現(xiàn)打印態(tài)中間成分區(qū)間（約Ta19 at.%）由于細(xì)晶結(jié)構(gòu)及亞穩(wěn)α″+β相的協(xié)同作用，能夠?qū)崿F(xiàn)高硬度與低彈性模量的優(yōu)異匹配。進(jìn)一步通過機(jī)器學(xué)習(xí)分析表明，Ta含量與冷卻速率是影響硬度的主導(dǎo)因素，實(shí)現(xiàn)了從實(shí)驗(yàn)觀察到可解釋預(yù)測的跨越。因此，該研究不僅為Ti-Ta合金的成分優(yōu)化與性能調(diào)控提供了明確指導(dǎo)，也建立了一種高通量實(shí)驗(yàn)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)的材料設(shè)計新范式，可推廣至其他增材制造二元及多元合金體系的快速篩選與反向設(shè)計。

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號，感謝論文作者團(tuán)隊支持。

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