钛铜合金增材制造的微观奥秘：共析体形态调控助力强韧性能提升

来源：特种铸造

在钛合金中添加铜（Cu）可以增强钛基体的强度并消除激光粉末床熔融（LPBF）过程中的柱状晶粒，但会形成脆性的共析体Ti₂Cu片层，严重降低延展性。文中揭示了共析体形态对铜含量和LPBF参数的依赖性，并阐明变形行为与共析体形态之间的关系。在优化的激光能量密度下，制备出了具有优异力学性能的Ti-5.0Cu合金。

将铜（Cu）引入增材制造的钛（Ti）合金中，不仅可以增强钛基体的强度，还可以细化粗大的柱状晶粒，从而降低力学性能的各向异性。因此，Ti-Cu合金在过去几年中成为最受欢迎的可打印钛合金体系之一。然而，添加铜会不可避免地诱导脆性共析体Ti₂Cu片层的形成，导致延展性显著下降。因此，最小化共析体对延展性的不利影响已成为确保Ti-Cu合金实际应用的关键问题。

针对共析体形态从片层状向颗粒状转变的后热处理已被证明是减轻其不利影响的有效策略。基于此，中科院的研究团队联合美国德克萨斯大学、大阪大学开发了一种具有高成分精度和均匀性的铜包覆钛粉末，以探索LPBF Ti-Cu合金在非平衡凝固条件下的特定共析体转变行为，成功实现了强韧兼顾的Ti-Cu合金增材制造。相关工作以题为“Achieving strong and ductile as-printed Ti-Cu alloys via tailoring eutectoid morphology”发表于期刊《Materials Research Letters》。

研究表明，铜含量的增加促进了柱状晶向等轴晶的转变，但也使共析体形态从颗粒状变为片层状。共析体片层严重阻碍了α-Ti中位错的滑移，导致从韧性到脆性的转变。此外，通过降低激光能量密度，可以将高铜含量Ti合金的共析体从珠光体转变为贝氏体。在较优激光能量密度（88.9 J/mm³）下制备的Ti-5.0Cu具有优选的等轴原始β晶粒和不连续的共析体Ti₂Cu颗粒，表现出优于已报道打印态Ti-Cu合金的力学性能，其屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为1 051 MPa 、1 198 MPa和 6.5%。