今日Nature：把价格打下来！3D打印让钛合金廉价易得

钛合金是一种先进的轻质材料，在许多关键应用中不可或缺。钛工业的支柱是α -β钛合金，它是通过添加合金来稳定α和β相而制成的。研究者的工作重点是利用两种最强大的稳定元素和α -β钛合金的强化剂，氧和铁，这两种元素蕴含丰富。

然而，氧的脆化作用(俗称为“钛的氪石”)和铁的微偏析，阻碍了它们的结合，从而无法发展出强韧的α -β 钛-氧-铁合金。

在此，来自澳大利亚悉尼大学的Simon P. Ringer &澳大利亚墨尔本皇家理工大学的Ma Qian等研究者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-铁组合物。相关论文以题为“Strong and ductile titanium–oxygen–iron alloys by additive manufacturing”于2023年05月31日发表在Nature上。

大多数工业用的钛合金(Ti)，都基于两种基本相的微观结构：六方密排(HCP)α和体心立方(BCC)β。由Ti-6Al-4V(除非另有说明，整个合金中的wt%使用)代表的α-β Ti合金是钛产业的基础。

它们可以形成包括(1)具有近乎博格斯方向关系的层状α-β结构、(2)等角α和β或(3)在α-β层状中为球形的α的结构。每种微观结构都有优点和缺点，使得α-β Ti合金在各种工业应用中都具有多样性。其中，层状α-β微观结构被广泛应用。

α-β Ti合金，是通过将Ti与α相和β相稳定剂合金化而形成的。α相稳定剂仅限于Al、N、O、C、Ga和Ge,其中N和C是严格控制的杂质(0.05% N,0.08% C),而Ga和Ge则不具有商业可行性。因此，除了Al和O之外，没有其他实际可行的选择。

值得注意的是，在(1)通过大约20倍的计算结果增强α相，(2)通过大约10倍的计算结果稳定α相以及(3)通过超过40倍的计算结果(10.8与0.26相比)限制β晶粒生长方面，O优于Al。然而，这些属性在α-β Ti合金的开发中仍未得到充分利用。

在Ti中，O作为主要的α相稳定剂存在问题，因为它在变形过程中与位错有很强的相互作用。此外，O改变了相平衡，促进了形成易脆的α₂相(Ti₃Al)。这些限制导致了以下经验设计规则：Al + 10(O + C + 2N) + 1/3Sn + 1/6Zr < 9.0%。

对于Ti-6Al-4V,这个设计规则要求0.05% N和0.08% C下的O含量小于0.12%，后来放松到Grade 23 Ti-6Al-4V和Grade 5 Ti-6Al-4V下的O含量分别为0.13%和0.20%。遵循该规则，较低的Al含量允许更高的O含量。

实际上，最新的工业α-β Ti合金ATI 425(Ti-4.5Al-3V-1.8Fe-0.3O)，由于其较低的Al含量而允许最大O含量为0.3%，而上述经验规则最多接受0.31% O。如果不包括Al,则该规则允许的最大O含量为0.72%。

除了O以外，Ti中β相稳定剂的选择还有更多选项，其中Fe是最有效和最经济的。此外，Fe是第二轻的β相稳定剂。然而，它的使用受到在铸锭凝固过程中形成Fe稳定β斑点(大小可达几厘米)的限制，这可以显着影响力学性能。

因此，Fe的使用通常限于ATI 425和Ti-10V-2Fe-3Al等工业Ti合金中约2%的含量。

尽管如此，上述的O和Fe(≤2%)的优点，曾经吸引了大量的努力来开发α-β Ti-O-Fe合金作为Ti-6Al-4V的替代品。当时特别有动力的是提高在铸锭断裂热加工操作中的可加工性和表面光洁度。

这些努力取得了成功的结果，但研究的两种合金结果参差不齐，分别是Ti-0.35O-1Fe-0.01N和Ti-0.3O-1Fe-0.04N。这两种合金在热加工和退火条件下具有与Ti-6Al-4V相当的拉伸性能，但在铸造条件下具有较低的抗拉强度(600-700 MPa)和延展性(2-3%)。

在这里，研究者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-铁组合物。研究者使用各种表征技术解释了这些性质的原子尺度起源。氧气和铁的高丰度以及AM制造过程的简单性使其成为具有广泛应用前景的α-β钛-氧-铁合金。

此外，它们为利用工业废料海绵钛或海绵钛-氧-铁提供了希望，目前这些废料是工业生产的副产品。减少能源密集型海绵钛生产的碳足迹的经济和环境潜力是巨大的。

图1. DED打印 Ti-O-Fe合金的微观结构

图2. 在不改变加工条件的情况下，通过改变合金成分，研究了DED打印Ti-O-Fe合金的室温拉伸性能

图3. DED打印α -β Ti-O-Fe合金中O和Fe原子的分布

图4. α -β Ti-O-Fe合金BCC (β)和HCP (α)相中Fe和O原子分布的DFT模拟

综上所述，这些强韧的Ti-O-Fe合金在室温下具有广泛的潜在应用。此外，海绵锆(Zr)以相同的方式生产，因此使用废料海绵锆开发强韧的Zr-O-Fe合金也是可行的。此外，这项工作为未来的AM异质体工程提供了潜在途径，例如减轻Ti和Zr的氮脆性和其他金属的氧脆性。

文献信息

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

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05952-6

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