北航邱春雷教授團隊《AM》：1.2Gpa超高屈服強度新型增材制造鈦合金Ti-Fe-Co-Mo

2024年7月31日,，南極熊獲悉，近日北航邱春雷教授團隊在增材制造領域頂刊《Additive Manufacturing》 (Impact Factor: 11) 發(fā)表題為《Development of an additively manufactured metastable beta titanium alloy with a fully equiaxed grain structure and ultrahigh yield strength》的論文,，論文第一作者為碩士生劉彥君,，通訊作者為邱春雷教授。

導讀

現有的鈦合金通常以具有低晶粒生長限制因子的元素如Al,、V,、Sn、Nb,、Zr,、Mo等作為主要溶質元素。這導致這些合金（如TC4,、TC11,、TA15、Ti1023等）在增材制造凝固過程固液前沿的成分過冷度極小,，易形成粗大的柱狀晶組織,，導致力學性能各向異性的形成，降低力學性能的穩(wěn)定性和可靠性,，限制了增材制造鈦合金在具有高性能要求的服役環(huán)境中的應用,。

為解決該問題，北航邱春雷教授團隊選擇了具有高晶粒生長限制因子的元素如Fe,、Co作為Ti的主要溶質元素進行成分設計,，以促進鈦合金在增材制造過程實現從柱狀晶向等軸晶的轉變,。該團隊還以d電子理論為設計基礎，選取高β穩(wěn)定性元素如Mo,、Fe,、Co作為主要溶質元素，利用Bo-Md圖設計出了以位錯滑移為主要變形機制的新型增材制造鈦合金Ti-xFe-xCo-1Mo (1< x <4 at%),，以保證合金具有優(yōu)異的力學性能,。研究表明該團隊設計的Ti-Fe-Co-Mo合金在所有采用的工藝條件下都展現出明顯的柱狀晶向等軸晶轉變傾向，在一些優(yōu)化的工藝條件下實現了完全等軸晶化,，合金經固溶處理后展現出力學性能各向同性且具有超高的屈服強度(～1.2 GPa)和良好的塑性(延伸率達10~12%)，實現了優(yōu)異的強度-塑性結合,。進一步研究發(fā)現該合金以位錯滑移變形為主,，其優(yōu)異性能可能源于基體中存在的大量納米級無熱ω顆粒及溶質原子團簇。

研究人員發(fā)現新開發(fā)的Ti-Fe-Co-Mo合金在寬的工藝條件下都展現出極低的孔隙率,，大多數樣品的孔隙率低于0.4%（圖1）,，顯示該合金具有優(yōu)異的增材制造成形性和寬廣的工藝加工窗口。另外,，還發(fā)現低的激光曝光時間會形成較淺的熔池,，易形成柱狀晶和等軸晶混雜的組織（圖1a,c,e-f）；而高的激光曝光時間則容易形成較深的熔池,，促進晶粒的等軸晶化,，見圖1b,d,g-h。定量化分析顯示該合金熔池的深度基本隨激光功率和曝光時間的增加而增加,，而晶粒的長徑比隨激光能量密度的增加而減小,，如圖3。值得一提的是,，該合金在一些條件下形成的柱狀晶長徑比（2～3）也比現有鈦合金增材制造后形成的柱狀晶長徑比（通常12）要小很多,，意味著Fe、Co的添加極大促進了該合金從柱狀晶向等軸晶轉變的進程,。在400 W-110" μs" 條件下,，該合金更是形成了完全的等軸晶組織。EBSD分析進一步顯示該合金在較低曝光時間和能量密度條件下形成有等軸晶和較短柱狀晶混合的組織,，展現出一定的織構,，見圖4a。增加曝光時間和能量密度使合金形成了完全等軸晶組織,，基本不存在織構,，如圖4b。

圖1 不同工藝條件制備的Ti-Fe-Co-Mo合金孔洞分布情況,(a) 250 W-50 μs, Af = 0.63%, (b) 250 W-80 μs, Af = 0.49%, (c) 250 W-110 μs, Af = 0.41%, (d) 325 W-50 μs, Af = 0.44%, (e) 325 W-80 μs, Af = 0.37%, (f) 325 W-110 μs, Af =0.27%, (g) 400 W-50 μs, Af = 0.33%, (h) 400 W-80 μs, Af = 0.2%, (i) 400 W-110 μs, Af = 0.13%.

圖2 不同工藝條件制備的Ti-Fe-Co-Mo合金晶粒組織圖,(a) 250 W-50 μs; (b) 250 W-110 μs; (c) 325 W-50 μs; (d) 325 W-110 μs; (e-f) 400 W-50 μs; (g-h) 400 W-110" μs" . CG代表柱狀晶,， EG代表等軸晶

圖3 (a)熔池深度隨激光功率,、曝光時間的變化趨勢; (b)  β晶粒長徑比隨激光能量密度的變化規(guī)律.  

圖4 不同工藝條件制備的鈦合金樣品電子背散射衍射（EBSD）反極化圖與極化圖, (a,c) 400 W-50 μs, (b,d) 400 W-110 μs.

研究還發(fā)現打印態(tài)的Ti-Fe-Co-Mo合金含有少量未熔Mo顆粒(圖5a-b),，大量的α相和等溫ω沉淀相(圖5c-e)，晶界上則存在少量Ti2Co沉淀相(圖5f),。另外樣品基體中還含有大量的Co/Fe/Mo原子團簇(圖5g),。由于存在等溫ω相，打印態(tài)的合金脆性較大,。經固溶處理后,，合金的晶粒發(fā)生顯著粗化(圖6)，但α相和等溫ω相均消失,，取而代之的是基體上彌散分布的納米尺度無熱相和溶質原子團簇(圖7),。

圖5 打印態(tài)的鈦合金樣品微觀組織及成分分布圖

圖6 不同工藝制備的鈦合金樣品經固溶處理后的晶粒組織圖, (a) 400 W-50 μs及(b) 400 W-110 μs.

圖7 固溶態(tài)的鈦合金樣品微觀組織透射電鏡圖及成分分布圖

拉伸測試表明增材制造與固溶處理的Ti-Fe-Co-Mo合金展現出超高的屈服強度(>1.2GPa，圖8a)), 較高的延伸率（有的工藝條件達到10%以上）,。合金的屈服強度甚至比很多現有的α+β鈦合金的都要高(圖8b),。合金的斷口呈現出密集細小的韌窩，意味著合金是塑性斷裂為主,。對變形亞結構的研究表明,，合金存在大量的滑移帶和位錯，意味著其是以位錯滑移為主要變形機理,。合金中為觀察到馬氏體或孿晶,，意味著馬氏體相變和孿生機理被有效地抑制。合金高的屈服強度主要源于細小的無熱ω顆粒與大量原子團簇的存在,。   

本文的研究表明,，通過選擇具有高晶粒生長限制因子及高β相穩(wěn)定性的元素作為鈦的主要溶質元素，我們可以設計出具有完全等軸晶組織和超高屈服強度的新型增材制造鈦合金,，為增材制造鈦合金在航空航天的廣泛應用鋪平了道路,。

圖8 (a) 增材制造及固溶處理的鈦合金樣品拉伸應力-應變曲線(b)及其性能與其他鈦合金的比較；(c-e) 樣品斷口掃描圖

圖9 增材制造及固溶處理的鈦合金樣品的變形亞結構圖

論文引用格式：Yanjun Liu , Longbin Xu , Chunlei Qiu, Development of an additively manufactured metastable beta titanium alloy with a fully equiaxed grain structure and ultrahigh yield strength. Additive Manufacturing 60 (2022) 103208.  

原文下載鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103208.