《Mater Des》：增材制造具有优异性能近β-Ti合金的微结构设计

来源：材料科学与工程

亚稳态β型钛合金是无毒新型生物材料，它们具有优异的耐腐蚀性、高强度和接近骨骼的低弹性模量。在β-Ti合金中，添加Nb作为合金元素有助于稳定β相。商业化的Ti-13Nb-13Zr合金具有良好的生物相容性，并获得了外科应用认证。合金元素和生产过程控制的微观结构决定了Ti-13Nb-13Zr试样的腐蚀行为。增材制造(AM)的发展不仅为复杂试样的近净成形制造提供了机会，还为调整微观结构进而调控机械和腐蚀性能提供了契机。与对经典合金（例如Ti-6Al-4V）的大量激光粉末床融合（LPBF）研究相比，迄今为止对亚稳态、近β Ti合金的研究还相对较少。目前使用LPBF制造Ti-13Nb-13Zr的研究揭示了巨大的创新潜力和挑战。合金虽表现出更好的机械性能，然而LPBF生产的Ti-13Nb-13Zr试样经热处理强化后，弹性模量仅增加约15%，增材制造部件相对密度达到99%仍是一个挑战。

德国复合材料研究所的一项最新研究探讨了LPBF工艺参数、热处理条件和相应微观结构之间的影响关系，通过调整工艺参数，使试样相对密度超过99%。相关论文以题为“Designing the microstructural constituents of an additively manufactured near β Ti alloy for an enhanced mechanical and corrosion response”发表在Materials & Design。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110618

本研究原料为商用锻制Ti-13Nb-13Zr棒，应用电极感应熔化惰性气体雾化制备成粉末，粉末尺寸为20-60μm。LPBF参数范围：点距离10-60μm；曝光时间20-120μs；激光功率106-125W；孵化距离100μm；层厚度30μm。制备后试样经不同热处理，分别为900℃×1h水淬（简称900WQ）；900℃×1h冰淬（简称900IQ）；660℃×1h水淬（简称660WQ）；800℃×30min炉冷+500℃×6h风冷（简称LCA）。

研究发现，输入激光功率(<50 J/mm3)和240μm的较低熔道宽度有助于实现大于99%的相对密度。低输入能量参数影响的微观结构，使其形成接近完全马氏体的α'状态，β<1%。本研究中LPBF样品的β转变温度为770℃，比锻造合金高40℃，比相同LPBF生产合金的报告值高出近90℃。锻造和LPBF样品热处理后，均显示出经典的两相α+β微观结构。900℃和660℃热处理结果表明，LPBF试样由于快速冷却，900IQ样品中α''相的体积分数最高(46%)。α''相的体积分数为900IQ>900WQ(40%)>660WQ(15%)。β的体积分数为660WQ(32%)>900WQ(18.4%)>900IQ(16.6%)。

图1 LPBF制备的Ti-13Nb–13Zr试样以及样品的相对密度图。

图2 圆柱形样品的俯视图和三维重建图像

图3 锻态和LPBF制备合金的SEM图

图4 不同热处理对试样显微组织的影响

图5 不同试样拉伸工程应力应变曲线

LPBF合金的屈服强度较低（430MPa），但最大伸长率为17%。经热处理后由β、α'、α''组成的三相显微组织提高了LPBF合金的机械强度，同时保持9-12%的延展性。屈服强度排列为：未热处理合金<900WQ<660WQ