北航邱春雷教授团队《AM》：1.2Gpa超高屈服强度新型增材制造钛合金Ti-Fe-Co-Mo

2024年7月31日，南极熊获悉，近日北航邱春雷教授团队在增材制造领域顶刊《Additive Manufacturing》 (Impact Factor: 11) 发表题为《Development of an additively manufactured metastable beta titanium alloy with a fully equiaxed grain structure and ultrahigh yield strength》的论文，论文第一作者为硕士生刘彦君，通讯作者为邱春雷教授。

导读

现有的钛合金通常以具有低晶粒生长限制因子的元素如Al、V、Sn、Nb、Zr、Mo等作为主要溶质元素。这导致这些合金（如TC4、TC11、TA15、Ti1023等）在增材制造凝固过程固液前沿的成分过冷度极小，易形成粗大的柱状晶组织，导致力学性能各向异性的形成，降低力学性能的稳定性和可靠性，限制了增材制造钛合金在具有高性能要求的服役环境中的应用。

为解决该问题，北航邱春雷教授团队选择了具有高晶粒生长限制因子的元素如Fe、Co作为Ti的主要溶质元素进行成分设计，以促进钛合金在增材制造过程实现从柱状晶向等轴晶的转变。该团队还以d电子理论为设计基础，选取高β稳定性元素如Mo、Fe、Co作为主要溶质元素，利用Bo-Md图设计出了以位错滑移为主要变形机制的新型增材制造钛合金Ti-xFe-xCo-1Mo (1< x <4 at%)，以保证合金具有优异的力学性能。研究表明该团队设计的Ti-Fe-Co-Mo合金在所有采用的工艺条件下都展现出明显的柱状晶向等轴晶转变倾向，在一些优化的工艺条件下实现了完全等轴晶化，合金经固溶处理后展现出力学性能各向同性且具有超高的屈服强度(～1.2 GPa)和良好的塑性(延伸率达10~12%)，实现了优异的强度-塑性结合。进一步研究发现该合金以位错滑移变形为主，其优异性能可能源于基体中存在的大量纳米级无热ω颗粒及溶质原子团簇。

研究人员发现新开发的Ti-Fe-Co-Mo合金在宽的工艺条件下都展现出极低的孔隙率，大多数样品的孔隙率低于0.4%（图1），显示该合金具有优异的增材制造成形性和宽广的工艺加工窗口。另外，还发现低的激光曝光时间会形成较浅的熔池，易形成柱状晶和等轴晶混杂的组织（图1a,c,e-f）；而高的激光曝光时间则容易形成较深的熔池，促进晶粒的等轴晶化，见图1b,d,g-h。定量化分析显示该合金熔池的深度基本随激光功率和曝光时间的增加而增加，而晶粒的长径比随激光能量密度的增加而减小，如图3。值得一提的是，该合金在一些条件下形成的柱状晶长径比（2～3）也比现有钛合金增材制造后形成的柱状晶长径比（通常12）要小很多，意味着Fe、Co的添加极大促进了该合金从柱状晶向等轴晶转变的进程。在400 W-110" μs" 条件下，该合金更是形成了完全的等轴晶组织。EBSD分析进一步显示该合金在较低曝光时间和能量密度条件下形成有等轴晶和较短柱状晶混合的组织，展现出一定的织构，见图4a。增加曝光时间和能量密度使合金形成了完全等轴晶组织，基本不存在织构，如图4b。

图1 不同工艺条件制备的Ti-Fe-Co-Mo合金孔洞分布情况,(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%.

图2 不同工艺条件制备的Ti-Fe-Co-Mo合金晶粒组织图,(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代表柱状晶， EG代表等轴晶

图3 (a)熔池深度随激光功率、曝光时间的变化趋势; (b)  β晶粒长径比随激光能量密度的变化规律.  

图4 不同工艺条件制备的钛合金样品电子背散射衍射（EBSD）反极化图与极化图, (a,c) 400 W-50 μs, (b,d) 400 W-110 μs.

研究还发现打印态的Ti-Fe-Co-Mo合金含有少量未熔Mo颗粒(图5a-b)，大量的α相和等温ω沉淀相(图5c-e)，晶界上则存在少量Ti2Co沉淀相(图5f)。另外样品基体中还含有大量的Co/Fe/Mo原子团簇(图5g)。由于存在等温ω相，打印态的合金脆性较大。经固溶处理后，合金的晶粒发生显著粗化(图6)，但α相和等温ω相均消失，取而代之的是基体上弥散分布的纳米尺度无热相和溶质原子团簇(图7)。

图5 打印态的钛合金样品微观组织及成分分布图

图6 不同工艺制备的钛合金样品经固溶处理后的晶粒组织图, (a) 400 W-50 μs及(b) 400 W-110 μs.

图7 固溶态的钛合金样品微观组织透射电镜图及成分分布图

拉伸测试表明增材制造与固溶处理的Ti-Fe-Co-Mo合金展现出超高的屈服强度(>1.2GPa，图8a)), 较高的延伸率（有的工艺条件达到10%以上）。合金的屈服强度甚至比很多现有的α+β钛合金的都要高(图8b)。合金的断口呈现出密集细小的韧窝，意味着合金是塑性断裂为主。对变形亚结构的研究表明，合金存在大量的滑移带和位错，意味着其是以位错滑移为主要变形机理。合金中为观察到马氏体或孪晶，意味着马氏体相变和孪生机理被有效地抑制。合金高的屈服强度主要源于细小的无热ω颗粒与大量原子团簇的存在。   

本文的研究表明，通过选择具有高晶粒生长限制因子及高β相稳定性的元素作为钛的主要溶质元素，我们可以设计出具有完全等轴晶组织和超高屈服强度的新型增材制造钛合金，为增材制造钛合金在航空航天的广泛应用铺平了道路。

图8 (a) 增材制造及固溶处理的钛合金样品拉伸应力-应变曲线(b)及其性能与其他钛合金的比较；(c-e) 样品断口扫描图

图9 增材制造及固溶处理的钛合金样品的变形亚结构图

论文引用格式：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.  

原文下载链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103208.