特別說明：本文由學研匯技術 中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
鈦合金是先進的輕質材料，對于許多關鍵應用來說都是不可或缺的。鈦工業的支柱是α–β鈦合金，它是通過穩定α和β相的合金添加劑配制而成的。
然而，α–β鈦合金的開發仍存在以下問題：
1、α–β鈦合金的穩定劑受限
α-β鈦合金由Ti與α相和β相穩定劑合金化而成。α相穩定劑僅限于Al、N、O、C、Ga和Ge，其中N和C是嚴格控制的雜質，而Ga和Ge不具有商業可行性。
2、聚焦鐵氧元素的鈦合金發展受阻
鐵和氧是最強大的α-β鈦合金穩定元素和強化劑，然而，氧的脆化效應和鐵的微觀偏析阻礙了它們在開發高強度和延展性α-β鈦-氧-鐵合金中的結合。
有鑒于此，墨爾本理工大學馬前教授等人將合金設計與增材制造(AM)工藝設計相結合，以展示一系列具有出色拉伸性能的鈦-氧-鐵組合物。使用各種表征技術解釋了這些特性的原子尺度起源。豐富的氧和鐵以及增材制造凈形或近凈形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，它們還有望實現工業規模使用目前工業廢品級海綿鈦，降低高耗能海綿鈦生產碳足跡的經濟和環境潛力巨大。
技術方案：
1、探究了Ti-O-Fe合金的微觀結構
作者使用參數模擬矩形試樣模擬預測凝固后會導致亞穩相，并發現精細的 α-β 片晶是每種合金中的主要微觀結構。
2、表征了室溫下的拉伸性能
作者探究了設計的Ti-O-Fe合金和參考合金的代表性拉伸性能，表明Ti–(0.34–0.50)O–(3.17–3.32)Fe合金的拉伸延展性和極限拉伸強度增加。
3、分析了合金中的原子分布
作者研究了三種合金中O和Fe的原子分布，認為O間隙對晶格的鍵合貢獻，有助于通過進一步阻礙位錯運動來加強，而 β 相中大量的Fe分布不均勻，增加了強化能力通過產生阻止位錯運動的局部應變來影響合金。
4、模擬分析了合金原子分布和拉伸性能
作者模擬預測O原子更喜歡駐留在α相中，但Fe原子沒有表現出偏析，認為幾乎無氧的β相的大體積分數和α相內的氧納米異質性結合起來在調節整體變形過程中發揮了重要作用。
技術優勢：
1、實現了工業廢品級海綿鈦的高值化利用
作者介紹了鈦中O和Fe聯合使用，將劣質海綿Ti(Ti-O-Fe)作為AM粉末生產的投入原料，具有顯著的增值潛力和降低鈦行業碳足跡的潛力。
2、開發了一系列具有出色性能的鈦-氧-鐵合金
作者將合金設計概念與AM工藝設計相結合來規避Ti與O和Fe合金化所帶來的冶金挑戰，開發了一系列具有高韌性和強度的α-β Ti-O-Fe合金。
Ti-O-Fe合金的微觀結構
作者首先使用參數模擬矩形試樣的DED，模擬預測凝固后的高冷卻速率，預計會導致亞穩相。選擇480–800°C作為所需的熱歷史界限，然后在該窗口內外打印設計成分的矩形試片。低氧 Ti-0.14O-3.23Fe 合金的微觀結構包括短柱狀和等軸先驗 β 晶粒，隨著O含量的增加形成細等軸prior-β 晶粒。在室溫下，精細的 α-β 片晶是每種合金中的主要微觀結構。
圖 DED打印的Ti-O-Fe合金的微觀結構
室溫下的拉伸性能
作者探究了四種設計的Ti-O-Fe合金和兩種參考合金的代表性拉伸性能，通過將合金成分固定為Ti–0.35O–3Fe并改變AM加工條件來打印單獨的試樣。在沒有優化的情況下，在加工窗口內打印的Ti–(0.34–0.50)O–(3.17–3.32)Fe合金的拉伸延展性從9.0±0.5%到21.9±2.2%和極限拉伸強度從1034±9到1194±8 MPa。
圖 DED打印的Ti-O-Fe合金在室溫下的拉伸性能
原子分布
為了解釋強化機制，作者研究了三種合金Ti-0.14O-3.23Fe、Ti-0.34O-3.25Fe和Ti-6Al-4V-0.22O-0.20Fe中O和Fe的原子分布。結合iDPC，STEM可以直接觀察間隙光元素。觀察到O原子強烈偏析到Ti-0.34O-3.25Fe 合金中的α-板條邊緣。相比之下，在低氧Ti-0.14O-3.23Fe合金中很少觀察到這種納米異質微觀結構。使用微分相襯(DPC)STEM 分析Ti–0.34O–3.25Fe 合金中的局部電荷密度，表明 O 間隙對晶格的進一步鍵合貢獻。
圖 DED打印的α-β Ti-O-Fe合金中O和Fe原子的分布
DFT模擬
DFT模擬預測O原子更喜歡駐留在α相中，尤其是靠近α/β界面，但Fe原子沒有表現出偏析。預測結果與APT測量結果非常吻合。作者認為幾乎無氧的β相的這種大體積分數和α相內的氧納米異質性結合起來在調節整體變形過程中發揮了重要作用，從而產生了優異的拉伸性能特性。因此，使用TEM檢查了合金的拉伸斷口鄰接的區域，為支持上述假設提供了直接證據。
圖 α–β Ti–O–Fe合金β和α相中Fe和O原子分布的 DFT 模擬
總之，作者展示了合金設計與基于模擬的AM工藝設計之間的集成，以創建一類新的強韌性α–β Ti–(0.35–0.50)O–3Fe合金。作者將這些合金的成功歸因于這種整合產生的多尺度微觀結構特征的組合。這些堅固且具有延展性的 Ti-O-Fe合金有望在室溫下產生廣泛的潛在應用。此外，海綿鋯(Zr)的制造方法與海綿Ti相同。因此，可以預期使用不合格的海綿Zr來開發高強度和延展性的 Zr-O-Fe合金。此外，這項工作為未來增材制造的間隙工程提供了一條潛在途徑。
參考文獻：
Song, T., Chen, Z., Cui, X. et al. Strong and ductile titanium–oxygen–iron alloys by additive manufacturing. Nature 618, 63–68 (2023).
DOI：10.1038/s41586-023-05952-6
https://doi.org/10.1038/s41586-023-05952-6
