Nature：通過增材制造實現堅固且延展性的鈦-氧-鐵合金

一、 【導讀】?

大多數工業鈦（Ti）合金的微觀結構基于鈦的兩個基本相，即六方最密堆積（HCP）α相和體心立方（BCC）β相。以Ti-6Al-4V（按重量百分比計）為代表的α-β鈦合金是鈦工業的支柱。它們可以形成不同的微觀結構，包括層狀α-β相（具有接近Burgers定向關系）、等軸α相和β相，以及在α-β層片之間存在的球狀α相。每種微觀結構都具有優點和缺點，使得α-β鈦合金在各種工業應用中具有多樣化的用途。作為鈦工業的主力，α-β鈦合金通過合金添加元素來穩定α相和β相。聚焦于利用氧和鐵這兩種穩定元素和強化劑可以用來加固α-β鈦合金，這兩種元素在自然界中豐富可得。然而，氧的脆化作用（俗稱為“鈦的克里普頓”）以及鐵的偏析現象妨礙了它們在強韌性α-β鈦-氧-鐵合金的開發中的結合。

二、【成果掠影】

最近，澳大利亞皇家墨爾本理工大學Ma Qian教授聯合悉尼大學Simon P. Ringer教授將合金設計與增材制造（AM）工藝設計相結合，展示了一系列具有出色拉伸性能的鈦-氧-鐵組成合金。使用各種表征技術解釋了這些性能的原子尺度起源。氧和鐵的豐富性以及通過AM進行凈型或近凈型制造的工藝簡單性，使得這些α-β鈦-氧-鐵合金在各種應用中具有吸引力。此外，它們為目前的工業廢料——次品海綿鈦或海綿鈦-氧-鐵的工業規模利用提供了希望。減少耗能大量的海綿鈦生產的碳足跡的經濟和環境潛力是巨大的。相關成果以 “Strong and ductile titanium–oxygen–iron alloys by additive manufacturing” 為題發表在Nature上。

?三、【核心創新點】

這項創新性研究將合金設計與增材制造相結合，創造了具有出色拉伸性能的鈦-氧-鐵合金，為工業廢料利用和減少碳足跡提供了經濟和環境潛力。

?四、【數據概覽】

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圖1 DED打印的鈦-氧-鐵合金的顯微結構。? 2023 Springer Nature

圖2 焦點放在改變合金組成而不改變處理條件的情況下，DED打印的鈦-氧-鐵合金的室溫拉伸性能。 ? 2023 Springer Nature

圖3 DED打印的α-β鈦-氧-鐵合金中氧和鐵原子的分布情況。 ? 2023 Springer Nature

圖4 α-β鈦-氧-鐵合金中BCC（β）相和HCP（α）相中鐵和氧原子分布的DFT模擬結果。 ? 2023 Springer Nature

五、【成果啟示】

總的來說，該研究通過將合金設計與模擬為基礎的增材制造工藝設計相結合，成功開發出一系列強韌性的鈦-氧-鐵合金。這些合金利用了氧和鐵這兩種豐富的元素，在寬廣的增材制造工藝窗口中展現出優異的拉伸性能。成功的關鍵在于多尺度微觀結構特征的整合，包括細小的α-β層片分布在細小的等軸β晶粒中，以及氧和鐵在α相和β相中的高效強化作用。此外，通過實現α相的納米異質分布，形成高含氧（強韌）和低含氧（韌性）區域，影響了原子鍵合的局部性質。這些強韌性的鈦-氧-鐵合金具有廣泛的應用潛力，同時為利用次品海綿鈦或海綿鈦-氧-鐵這種工業廢料提供了新的可能性。此外，該研究為未來通過增材制造進行間隙工程提供了思路，例如減輕鈦和鋯中的氮脆化和其他金屬中的氧脆化。

原文詳情：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