開發液氫動力航空航天器，乘客飛機和汽車是最有前途的戰略之一減少碳排放并解決能源危機。特別是液氫燃料最有能力取代傳統燃料，如汽油和柴油。在 20 K 下運行，輕質金屬部件具有出色的性能在高達 20 K 的超低溫下的機械性能是必需。由于低密度的顯著優勢，低溫金屬材料中最高的比強度和剛度，鈦合金已成為理想的航空航天低溫結構材料，并已在液體燃料火箭發動機中得到應用。

因此，開發一種面向高能電子束添加劑的新型低溫近α鈦合金制造將具有巨大的科學價值和實用意義。對此，東北大學牛紅志教授團隊采用微量釔（Y）改性Ti− 3Al− 3Mo− 3Zr合金（WT%）被選用于低溫組件的EB-PBF AM。罕見的選擇土元素Y是因為其在EB-PBF過程中通過原位氧化反應具有很強的除氧能力。液氫火箭發動機的泵葉輪被選為演示器評估EB-PBF成形性的目的。采用不同的退火處理來定制PBF構建的顯微組織實現了極強的的低溫性能，特別是在77K和20 K下具有非常有前途的優越延展性。這微觀結構特性與拉伸性能的相關性超低溫和底層強化和增韌詳細研究了機制。該樣品由粗柱狀層狀菌落組成，斷裂伸長率（EI）在20 K時高達20.0%，在77 K時高達29.0%，而強度不會明顯降低。極具前途的低溫延展性歸因于大規模孿晶，有效降低了局部應力集中和增強了硬化強度。相比之下，細α鈦板條的交織結構受到強烈阻礙位錯滑動/轉移和雙胞胎成長，導致超高的極限抗拉強度（UTS）在20 K時高達1500 MPa，不過中等EI≦13.5%。柱狀層狀菌落占主導地位的樣本在77 K時主要由基底和棱柱形滑移以及棱柱形和金字塔形滑移加到20 K時變形。

相關研究以“Achieving highly promising strength-ductility synergy of powder bed fusion additively manufactured titanium alloy components at ultra-low temperatures”為題發表在Additive Manufacturing上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221486042300057X

圖 1

圖1所示。（a）預合金粉末的形態和粒度分布，（b）電子束掃描策略，（c）PBF制造的液氫泵葉輪以及（d）同一批次的其他樣品。

圖 4

圖4，本PBF制造的合金的拉伸性能隨溫度的變化。（a） 和 （b） 拉伸工程應力− 應變曲線分別為 77 和 20 K，（c） 一個 950 退火拉伸斷裂樣品，在 20 K 處進行多次頸縮，（d） 和 （e） 拉伸真應力 − 真應變曲線與相應的加工硬化速率曲線分別為 77 K 和 20 K，其中交點表示均勻變形的結束。

 圖 5

圖5，（a）本PBF構建樣品在不同溫度下的拉伸性能總結，以及（b）主電流拉伸性能的比較20 K的低溫金屬材料。

 圖 6

圖 8

圖8. 識別在 77 K 下應變至 10.0% 的 950 退火樣品的滑移平面跡線。（a） 所有歐拉圖疊加有雙邊界，（b）已識別的滑移平面痕跡，（c）{1010}PF證明層狀菌落?中已識別的棱柱形滑移。 

圖 9

圖9. .識別在 20 K 下應變至 10.0% 的 950 退火樣品的表面滑移平面跡線。（a） 全歐拉圖，（b） 重建的 IPF 圖母體β-Ti晶粒，（c）鑒定的滑移平面跡線，（0001）和{1011} α-Ti的PFs分別證明了層狀中基底滑移面和棱柱滑移面菌落?，（e）α-Ti的晶胞，展示了菌落II中α-Ti的方向和激活的棱柱形滑移系統。

圖 10

圖10. .施密德因子（SF）分布圖和同一EBSD測量區域內α-Ti的單個滑移和孿生系統的統計平均值。在圖中。9. 每張地圖上疊加了< 1120>85?的孿生邊界，由黑線和不同菌落的SF值標記。請注意，白色區域表示β-Ti矩陣。

圖 11

圖11. .GND分布圖和GND密度的統計平均值。（a） 在77 K下測試的熱等靜壓樣品，（b） 在77 K下測試的910退火樣品，（c）和（d）分別在77K和20K下測試了950個退火樣品。

圖 12

圖12.（a）和（b）910退火樣品和（c）-（f）在20 K下變形的950退火樣品中位錯和雙胞胎的TEM明場圖像。α-Ti 雙胞胎尖端的位錯形態，在 g= （0002） 處采集，（b） α/β 界面處堆積和糾結的位錯，（c） 一個< 1120 > 85? 雙胞胎平行層狀界面，（D）-（F）在菌落邊界包含1120>85?雙胞胎<同一區域的位錯形態，在z = [1120]，g = （0002）和g = （1100） 分別。

綜上所述，在這項研究中，首先采用EB-PBF增材制造來開發面向液氫泵的低溫鈦合金

葉輪。低溫拉伸性能、變形機理和系統研究了EB-PBF構建的近α鈦合金Ti− 3Al− 3Mo− 3Zr− 0.2Y的低溫增韌行為。

主要結論概述如下。

（1）首次通過實驗證明添加劑通過EB-PBF制造是可行的，用來制造幾何形狀復雜的低溫鈦合金部件，在 20 K 時具有非常強的延展性。

（2）EB-PBF構建的鈦合金由柱狀層狀菌落組成，表現出優異的斷裂伸長率（EI），最高可達20 K 時的延展性為 20.0%，77 K 時的延展性為 29.0%。20 K的合金遠高于目前主流的鍛造和PM鈦合金，而不會犧牲太多力量很大。

（3） EB-PBF制造的合金，在溫度降低至 20 K 時會產生導電的激活層狀菌落中的錐體滑移和大規模{1012}和{1121}型。

（4）EB-PBF構建的柱狀層狀菌落鈦合金是建議在 20 K 下實現理想的高延展性。

（5）在77K和20 K處的顯著加強本質上是歸因于由臨界分離剪切應力（CRSS）的快速增加。