研究人员开发专用于DED的贝氏体钛合金，通过多种强化机制实现高强度性能

导读：如今，增材制造领域应用最广泛的钛合金材料是 Ti-6Al-4V，这种合金最初是为锻造制造而开发的。虽然这种材料已成功用于增材制造工艺，但在机械性能方面仍有改进空间。具体来说，3D 打印的 Ti-6Al-4V 已被证明具有柱状前β晶粒，这可能导致各向异性。

2024年8月17日，南极熊获悉，为了解决这一现象，来自澳大利亚皇家墨尔本理工大学、北德克萨斯大学和捷克 Tescan 集团的研究人员开发了用于增材制造的新型贝氏体三元合金，由钛、铜和铁 (Ti-Cu-Fe) 组成。这项工作展示了一种使用低成本元素粉末通过增材制造生产具有独特和优异性能的结构部件的可行方法。

相关研究以题为“Novel bainitic Ti alloys designedfor additive manufacturing”论文发表于《材料与设计》期刊上。

相关论文链接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.113176

图 1.a ) ti-xcu-4fe 共析温度附近的等值线，x 从 0到 8 wt%。b) 合金设计策略图，显示了共析成分和 Cu 和 Fe 成分从 0 → 8 %的 Q 值。

表 1.标称Ti-Cu-Fe 合金的 ICP-MS 分析和针对每种考虑成分计算出的 Q 值。

图 2.Ti -2Cu-2Fe、Ti-2Cu-4Fe、Ti-4Cu-4Fe和 Ti-4Cu-6Fe 进行母体晶粒分析后的 EBSD 图。IPF 着色与 Z0 方向平行（页面外）。

图 3.a ) 和 b) Ti-2Cu-4Fe，红色箭头表示 Ti2Cu颗粒，c) 和 d) Ti-4Cu-4Fe，e) 和 f) Ti-6Cu-4Fe，g)和 h) Ti-4Cu-6Fe。红色框表示相邻图像中放大的区域。最暗的颗粒/板条为 α 相，灰色基质为 β 相，最亮的颗粒为 Ti2Cu 金属间化合物。（有关此图例中颜色引用的解释，读者请参阅本文的网络版本。）

图 4.从Pandat（PanTi v2022）获得的室温下不包括 TiFe 的平衡相分数，并通过 SEM 成像计算出四种显示等轴微观结构的成分：Ti-4Cu-4Fe、Ti-6Cu-4Fe、Ti-4Cu-6Fe 和 Ti-6Cu-6Fe。

图 5.TEM图像和高分辨率 EDS 通过 TEM 显示了 α 相和残留 β 相交叉区域内不同相的元素浓度以及相间形成的金属间化合物。区域 i.、ii. 和 iii. 表示在样品内采集光谱的区域，并以

表2.显示不同相的元素组成（±σ）的光谱分析。

图 6.a ) Ti-4Cu-4Fe 的明场图像，红色箭头表示 b 中分析的 Ti 2 Cu 粒子，该粒子形成于 α 板条和残留 β 相的交汇处。b) 从 a 中的粒子收集的 SAED 衍射图案，确认 Ti 2 Cu 沿 0 0 1 区域轴取向。（有关此图例中颜色引用的解释，请读者参阅本文的网络版。）

图 7。a ) Ti4Cu4Fe 的明场茎图像。b) 相位识别叠加在相位可靠性图上 c) α 相晶体取向图。d) β 相晶体取向图。e) Ti 2 Cu 晶体取向图（IPF 着色平行于页面外的 Z 方向）。f) 和 g) 极图、平面和方向，平行平面和方向对分别用红色圆圈表示。（有关此图例中颜色引用的解释，读者请参阅本文的网络版本。）

图 8.Ti -4Cu-4Fe、Ti-4Cu-6Fe、Ti-6Cu-4Fe和 Ti6Cu-6Fe 成分的代表性拉伸曲线。平均拉伸应力和断裂伸长率以点表示，误差线表示标准误差。

图 9.断口的二次电子图像。a) Ti-4Cu-4Fe，b)Ti-4Cu-6Fe，c) Ti-6Cu-4Fe 和 d)Ti6-Cu-6Fe。

图 10.晶粒尺寸和面积加权长宽比倒数与 Q 值倒数的关系。Q 值增加会导致等轴微观结构。等轴晶粒具有平均长宽比倒数0.5。虚线表示 Ti-4Cu-4Fe 成分，其中形成等轴微结构。Ti-2Cu-2Fe 晶粒尺寸通过面积加权晶粒尺寸估算，因为这更能说明大柱状晶粒。误差线表示标准误差。

表 3.Pandat CALPHAD 软件预测的凝固范围。

图 11. Ti -4Cu-4Fe、Ti-6Cu-4Fe 和 Ti-4Cu-6Fe 与制造的 DED 样品相比，机械性能有所提高。H 和 V 项标明水平和垂直平面上的拉力筋制造方向，以及显示了 Ti-6Al-4V 所制造的固有各向异性。虚线连接 Ti-6.5Cu 和 Ti-8.5Cu 二元合金。

图12.各种模型化强化机制的贡献与实验屈服强度的比较：强化机制包括：纯钛的滑移激活应力、固溶强化、与α相的Hall-Petch关系、析出强化和森林位错强化。

贝氏体合金在钢中最为常见，其特点是具有两相微观结构。研究团队希望通过改变合金化学成分来解决钛的原位β晶粒问题，因为这种改变可以显著影响凝固过程中的“组织过冷”。该团队在增材制造 Ti-Cu 合金成功的基础上，探索了为增材制造而开发的 Ti-Cu-Fe 合金的微观结构控制。之所以选择铁，是因为它能够（类似于铜）细化原βTi晶粒。

在这项研究中，研究人员利用激光定向能量沉积（DED）成功 3D 打印了钛合金。正如他们在研究中所描述的那样，他们将三种 Ti-Cu-Fe 合金（Ti-4Cu-4Fe、Ti-4Cu-6Fe 和 Ti-6Cu-4Fe）的机械性能与二元 Ti-Cu 合金和 Ti-6Al-4V 进行了比较，发现三元合金的微观结构有显著改善。最终，该研究项目展示了使用低成本元素粉末和DED 3D 打印坚固钛合金结构的可能性。

这项研究总结道：“这项研究证明了贝氏体钛合金通过其独特的微观结构具有增强机械性能的潜力。通过晶界工程和通过引入更多成核点来细化晶粒，这种合金系统具有更大的潜力来进一步改善机械性能。”