Nature：通过增材制造实现坚固且延展性的钛-氧-铁合金

一、 【导读】 

大多数工业钛（Ti）合金的微观结构基于钛的两个基本相，即六方最密堆积（HCP）α相和体心立方（BCC）β相。以Ti-6Al-4V（按重量百分比计）为代表的α-β钛合金是钛工业的支柱。它们可以形成不同的微观结构，包括层状α-β相（具有接近Burgers定向关系）、等轴α相和β相，以及在α-β层片之间存在的球状α相。每种微观结构都具有优点和缺点，使得α-β钛合金在各种工业应用中具有多样化的用途。作为钛工业的主力，α-β钛合金通过合金添加元素来稳定α相和β相。聚焦于利用氧和铁这两种稳定元素和强化剂可以用来加固α-β钛合金，这两种元素在自然界中丰富可得。然而，氧的脆化作用（俗称为“钛的克里普顿”）以及铁的偏析现象妨碍了它们在强韧性α-β钛-氧-铁合金的开发中的结合。

二、【成果掠影】

最近，澳大利亚皇家墨尔本理工大学Ma Qian教授联合悉尼大学Simon P. Ringer教授将合金设计与增材制造（AM）工艺设计相结合，展示了一系列具有出色拉伸性能的钛-氧-铁组成合金。使用各种表征技术解释了这些性能的原子尺度起源。氧和铁的丰富性以及通过AM进行净型或近净型制造的工艺简单性，使得这些α-β钛-氧-铁合金在各种应用中具有吸引力。此外，它们为目前的工业废料——次品海绵钛或海绵钛-氧-铁的工业规模利用提供了希望。减少耗能大量的海绵钛生产的碳足迹的经济和环境潜力是巨大的。相关成果以 “Strong and ductile titanium–oxygen–iron alloys by additive manufacturing” 为题发表在Nature上。

 三、【核心创新点】

这项创新性研究将合金设计与增材制造相结合，创造了具有出色拉伸性能的钛-氧-铁合金，为工业废料利用和减少碳足迹提供了经济和环境潜力。

 四、【数据概览】

图1 DED打印的钛-氧-铁合金的显微结构。© 2023 Springer Nature

图2 焦点放在改变合金组成而不改变处理条件的情况下，DED打印的钛-氧-铁合金的室温拉伸性能。 © 2023 Springer Nature

图3 DED打印的α-β钛-氧-铁合金中氧和铁原子的分布情况。 © 2023 Springer Nature

图4 α-β钛-氧-铁合金中BCC（β）相和HCP（α）相中铁和氧原子分布的DFT模拟结果。 © 2023 Springer Nature

五、【成果启示】

总的来说，该研究通过将合金设计与模拟为基础的增材制造工艺设计相结合，成功开发出一系列强韧性的钛-氧-铁合金。这些合金利用了氧和铁这两种丰富的元素，在宽广的增材制造工艺窗口中展现出优异的拉伸性能。成功的关键在于多尺度微观结构特征的整合，包括细小的α-β层片分布在细小的等轴β晶粒中，以及氧和铁在α相和β相中的高效强化作用。此外，通过实现α相的纳米异质分布，形成高含氧（强韧）和低含氧（韧性）区域，影响了原子键合的局部性质。这些强韧性的钛-氧-铁合金具有广泛的应用潜力，同时为利用次品海绵钛或海绵钛-氧-铁这种工业废料提供了新的可能性。此外，该研究为未来通过增材制造进行间隙工程提供了思路，例如减轻钛和锆中的氮脆化和其他金属中的氧脆化。

原文详情：Song, T., Chen, Z., Cui, X. et al. Strong and ductile titanium–oxygen–iron alloys by additive manufacturing. Nature 618, 63–68 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05952-6

本文由jiojio供稿