導讀：鈦合金廣泛用于航空航天、汽車和能源領域，需要復雜的鑄造和熱機械加工才能達到承重應用所需的高強度。在此，本文利用增材制造的熱循環(huán)和快速凝固來制造超強和熱穩(wěn)定的鈦合金，這些鈦合金可以直接投入使用。正如在商業(yè)鈦合金中所證明的那樣，經過簡單的后熱處理，可實現超過1,600MPa的拉伸強度和足夠伸長率。其優(yōu)異的性能歸因于致密、穩(wěn)定和內部孿晶納米沉淀物的異常形成，這在傳統加工的鈦合金中很少觀察到。這些納米孿晶沉淀物顯示出源自具有主要螺旋特征的高密度位錯，并由增材制造工藝形成。本研究為制造具有獨特微觀結構和優(yōu)異性的結構材料鋪平了道路，以便于廣泛應用。

輕松生產既堅固又輕便的復雜形狀的金屬部件是許多制造業(yè)的最終目標。增材制造 (AM) 是一種支持技術，提供了幾乎可以制造任何幾何零件的設計自由度。因此，增材制造正在引領多個行業(yè)的金屬制造新時代，包括航空航天、汽車、生物醫(yī)學和能源行業(yè)。由于增材制造提供的許多優(yōu)勢，鈦合金目前是航空航天工業(yè)中領先的增材制造金屬部件。鈦合金比鋁合金更堅固，比鋼更輕，可以提高能源效率。此外，與使用傳統制造工藝實現的 10:1 至 40:1 相比，增材制造鈦部件的購買與飛行比率（即起始重量與最終重量的比率）可以更接近 1:1。然而，與傳統生產的鈦部件相比，目前工業(yè)中使用的AM鈦產品的數量仍然有限。一個主要問題是，大多數由增材制造 制成的市售鈦合金在許多結構應用中都沒有令人滿意的性能，尤其是它們在室溫下的強度不足和在承載條件下的高溫下。迄今為止，對鈦合金中形成的 as-增材制造 微觀結構的了解有限，鈦合金通常包含高位錯密度、元素偏析和獨特的凝固結構。對這些微觀結構的基本了解最終將允許對組件進行剪裁，以實現傳統加工無法獲得的綜合性能。

鈦合金一般分為三類：α（六方密排結構）、β（體心立方結構）和α+β。大多數鈦合金，特別是α+β-和β-基團，都是通過固溶沉淀強化的，這一直是上個世紀強化工程合金最有效的方法之一。為此，控制析出物的形狀、尺寸和分布以抵抗位錯運動一直是實現高強度的關鍵策略。當納米沉淀物被引入金屬時，這種策略已被證明特別有效，因為它們具有同時充當位錯障礙和來源的獨特作用。在不損失延展性的情況下進行強化的另一種方案是致密孿晶邊界 (TB) 的納米晶粒。低能TB可有效阻礙和傳輸位錯，以提供出色的強度和良好的延展性。這已經在具有面心立方結構的純銅和鋼中實現，最近在使用低溫鍛造的具有六方密堆積結構的純鈦中得到了證明。通常，在金屬中創(chuàng)建完全納米孿晶的微結構具有挑戰(zhàn)性，并且需要不易縮放的復雜方法，例如電沉積、濺射或嚴重的塑性變形。即便如此，包含大量納米孿晶的組件通常也具有有限的尺寸、形狀和熱穩(wěn)定性。

在此，由澳大利亞蒙納士大學增材制造中心黃愛軍教授、朱玉滿高級研究員領導的研究人員聯合上海理工大學、中科院金屬所、澳大利亞國立大學、澳大利亞迪肯大學以及美國俄亥俄州立大學利用 3D 打印技術大幅提升現有商用鈦合金（BetaC合金，國內牌號TB9）的強度，使其具有現有所有 3D 打印金屬中最高的比強度，證明了鈦合金可以利用 AM 固有的熱循環(huán)和快速冷卻來實現迄今為止尚未報道的獨特的納米沉淀微觀結構。且沉淀物本身是納米孿晶的，平均孿晶厚度小于 10 nm。致密的內部孿晶納米沉淀產生前所未有的強度并保持良好的延展性。相關研究成果以題“Ultrastrong nanotwinned titanium alloys through additive manufacturing”發(fā)表在國際頂刊nature materials上。

鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01359-2

熔化和沉積 β-鈦合金 (Beta-C, Ti-3.63Al8.03V-6.02Cr 4.03Mo-4.00Zr (wt%)，一種商業(yè)鈦合金）粉末以逐層的方式。然后，LPBF試樣在兩種不同的溫度下進行直接熱處理。測量了竣工樣品和熱處理后樣品的拉伸應力-應變曲線。圖 1a 中提供了作為屈服強度和極限抗拉強度 (UTS) 函數的伸長率。從曲線中可以看出，在480和520°C下熱處理的樣品顯示出出乎意料的高強度水平，相對于完工樣品提高了 50-70%。特別是，經過480 °C后熱處理后的UTS達到了1611 MPa的非常高的水平（抗壓強度超過 2,200 MPa；并保持了 5.4% 的良好均勻伸長率。據我們所知，這種強度高于迄今為止由 AM 制造的所有鈦合金（圖 1b）。如果我們進一步考慮材料的重量，LPBF生產的這種β-鈦合金的比強度遠高于大多數由AM制造的鋼、鋁合金和鎳基高溫合金（圖1b）。圖 1a 所示的結果還表明，這種合金的強度和延展性可以通過調整熱處理方案來調整：較低的溫度導致更高的強度，而較高的溫度導致相對更好的延伸率。

圖1 由 LPBF 和后熱處理生產的商用 Beta-C 鈦合金的拉伸機械響應。a，在 480℃/6 h 和 520℃/3 h 下，竣工和熱處理后樣品的工程應力-應變曲線。b，LPBF Beta-C 合金在后熱處理后的比強度和均勻伸長率(UE)之間的相關性，并與 AM 制造的其他高強度鈦合金、鋼、鋁和鎳基高溫合金進行比較。

圖2 LPBF 竣工和后熱處理 Beta-C 鈦合金的微觀結構。a，BF TEM 圖像顯示了在建成的微觀結構中的致密位錯。圖像是在 {} 雙光束條件下在<110>β 附近拍攝的。b，XRD光譜證實了在制造和熱處理的微結構中存在的相。c，HAADF-STEM 圖像顯示熱處理后的微結構中有致密的 α-沉淀物 (480 °C/6 h)。圖像中的黃色虛線表示不存在典型 GB α 相的β基體GB的跡線。電子束平行于β晶粒頂部的<100>β。

圖3 后熱處理 (480 °C/6 h) 后，LPBF 微觀結構中的納米孿晶 α-沉淀物。a-c，BF-STEM 圖像顯示沿 α-沉淀物中存在的三個方向取向的高密度薄片對比度。觀察方向平行于<111>β 或 {}α。d，來自a中局部區(qū)域的原子尺度HAADF-STEM圖像，顯示具有{}α-孿晶關系的三個α-變體。TB由黃色虛線表示，而每個晶粒中的基面用白線表示。雙胞胎某些邊緣的基底錐體和 {}α TBs 用紅色虛線表示。e，示意圖顯示了由它們的晶胞表示的 β 相和 {}α α-孿晶變體之間的Burgers OR。投影方向為<111>β或<>α。f，原子分辨率的 HAADF-STEM 圖像，顯示 {}α TB 中的周期性溶質偏析。圖像中的每個亮點表示富含 Mo/Zr 的原子柱。插圖中的原子柱強度分布顯示了兩個相鄰亮點（5.5）與 TB 上的亮點及其左側相對較暗的點（2.5）之間的距離。

圖4 密螺旋位錯周圍納米孿晶沉淀的MD模擬。a，1/2<111>β型螺位錯排列在純β 模擬晶胞中。b，當在 600 K 對超晶胞施加三維拉伸應力時，觀察到三種 α-沉淀變體優(yōu)選從位錯線的不同位置的三個 {10}β 平面成核。c-e，這些 α- 隨著加熱時間為 37.5 ps (c)、52.5 ps (d) 和 67.5 ps (e)，沉淀變體逐漸生長。三個α-變體分別用黃色、紅色和藍色表示。

總之，通過增材制造可以通過形成高密度內部孿晶納米沉淀物來實現超強鈦合金。盡管在純金屬中實現致密的納米孿晶可以導致異常高的強度和足夠的延展性，但以前在任何合金中都沒有報道過這種內部孿晶納米沉淀物。這里的工作表明，可以利用增材制造 固有的熱循環(huán)和快速凝固來操縱獨特的沉淀微觀結構，以獲得卓越的機械性能。值得注意的是，這已在可對工業(yè)應用產生直接影響的商業(yè)鈦合金中實現。此外，通過 AM 后熱處理獲得的微觀結構被證明在服務應用的熱和應力環(huán)境下是穩(wěn)定的。這項工作的發(fā)現有望對物理冶金領域的強化和位錯工程原理產生根本性的見解。