通过精细层状微观结构，实现增材制造近α钛合金的高强度和延展性

《Materials Chemistry and Physics》：Achieving high strength and ductility of additive-manufactured near-α titanium alloy with fine lamellar microstructure

近α钛合金Ti-5.7Al-6.6Zr-0.4Mo-0.4Nb-3.3Ta-1.7W-0.5Si通过簇公式设计，在增材制造中形成稳定的细小胞状结构，室温强度1170MPa/延展性4.1%，600℃强度保持率85%以上/延展性39%，兼具高温稳定性和优异强韧性平衡，为航空发动机部件制造提供新方案。

　　

朱志豪|牛静哲|张学哲|刘楠|贾亮

中国西北有色金属研究院多孔金属材料国家重点实验室，西安，710016

摘要

近α钛合金因其优异的性能而在航空航天领域得到广泛应用。然而，传统的近α钛合金的机械性能往往有限。本研究开发了一种新型的无锡近α钛合金，其化学组成为Ti-5.7Al-6.6Zr-0.4Mo-0.4Nb-3.3Ta-1.7W-0.5Si，专为增材制造设计。这种合金具有细腻稳定的层状微观结构，使其在宽温度范围内兼具高强度和良好的延展性。在室温下，该合金表现出优异的拉伸性能：抗拉强度（UTS）为1170 MPa，屈服强度（YS）为1110 MPa，伸长率为4.1%。在600 °C的高温下，其抗拉强度仍保持在618 MPa，屈服强度为500 MPa，并且延展率仍达到39%，其高温性能可与锻造钛合金相媲美。其强度的提升主要归因于精细的篮状编织微观结构对晶界的强化作用，以及固溶强化和位错强化机制。这种合金在高强度和延展性之间取得了良好的平衡，显示出显著提升航空航天推进系统和机身系统性能的潜力。

引言

近α钛合金因其出色的抗蠕变性能、比强度和疲劳性能，在先进航空发动机和火箭推进系统中的应用备受关注[1]、[2]、[3]。与熔模铸造相比，增材制造（AM）工艺提供了前所未有的设计自由度，减少了制造步骤和加工废料，可以直接基于计算机辅助设计（CAD）模型进行制造[4]。激光增材制造（LAM）是一种高精度、灵活的近净成形技术，适用于制造大型复杂钛零件[5]。传统的近α钛合金适用于600 ～ 650 °C的温度范围，其主要合金元素为锡（Sn），属于Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si体系[6]、[7]、[8]。然而，这些含锡的近α钛合金在成型后的机械性能往往不足[9]、[10]、[11]。在增材制造过程中，锡（熔点约232 °C）与高熔点元素（如Mo、Nb和Ta，熔点超过2500 °C）之间的显著温差会导致元素蒸发，尤其是锡的蒸发[12]。这会导致成分偏差，加速β相的分解，形成不稳定的粗层状微观结构，最终导致机械性能下降[13]、[14]。因此，需要开发具有精细层状微观结构、β相稳定性提高且适合增材制造的无锡近α钛合金。

为了设计出具有良好强度和延展性的增材制造用近α钛合金，关键在于细化并稳定层状微观结构。这是因为钛合金中的α/β相界面会在室温和高温下阻碍位错滑移，因此细化并稳定层状微观结构可以有效提升材料的综合性能[16]、[17]、[18]、[19]。He等人[17]报道，较高功率的熔炼可以降低缺陷密度，并促进Ti65合金中层状α相和强化沉淀物的形成。Li等人[18]发现，层间旋转扫描策略能有效减小α相的纵横比，减轻机械各向异性。添加锆（Zr）、钼（Mo）和铌（Nb）等难熔元素已被广泛认为是有效的方法[19]。这些元素的低扩散速率有助于维持微观结构的稳定性，并抑制α相的生长。Li等人[20]发现，Mo能显著细化Ti-xMo-4Al-4Zr-3Nb-2Cr-1Fe合金的α相析出。Zhong等人[21]表明，添加Sc可以提高Ti-6.5Al–2.5Sn-9Zr-0.5Mo-1Nb-1W-0.3Si-xSc合金的热稳定性和抗蠕变性能。Song等人[22]发现，通过增加Al含量（部分用更强的β相稳定剂Mo和Nb替代V），并添加形成硅化物的Zr和Si元素，可以显著细化Ti合金的α层状微观结构。显然，必须精确添加多种合金元素才能获得具有高温稳定性的精细微观结构。

Dong等人[23]提出了一种簇公式设计方法，该方法通过确定构成合金成分的结构单元（即“簇”公式中的[cluster](glue atoms)来实现精确的成分设计。根据该模型，Ti65合金的化学组成为α-{[Al-Ti₁₂](AlTi₂)}₁₂+β-{[Al-Ti_13.03Zr_0.97](Mo_0.08Si_0.4Nb_0.1Ta_0.32W_0.14Sn_0.96Ti)}₅[24]，由十二个α-Ti簇单元和五个β-Ti簇单元组成。最近，基于Ti65合金的成分公式，通过用Ta替代Mo/Nb，设计出了一种具有完全等轴细β晶粒的近α Ti-5.5Al-11.2Zr-4.8Ta-1.6W-0.5Si合金[25]。就本文的研究目的而言，新型无锡近α钛合金的研制基于Ti65合金的成分公式。

下文将详细介绍一种具有精细层状微观结构、β相稳定性提高和优异拉伸性能的无锡增材制造用Ti-5.7Al-6.6Zr-0.4Mo-0.4Nb-3.3Ta-1.7W-0.5Si合金。经过激光增材制造后，该合金在沉积态和650 °C时的抗拉强度与锻造的近α IMI834、Ti1100和Ti65合金相当，并且具有优异的高温延展性。这种合金是航空航天结构应用的潜在候选材料。

部分内容摘录

合金设计

为了设计一种适用于增材制造、具有精细稳定层状微观结构的无锡高温钛合金，关键在于确定合适的成分公式。Ti65合金的α相成分仍理想化为[Al-Ti₁₂](AlTi₂) [24]，因为其成分几乎不受退火温度的影响；β相成分则需通过调整Ti65合金成分公式中的元素来实现优化。

微观结构

如图4(a)所示，沉积后的AZT673合金沿建造方向分为三个不同的区域：顶部（靠近最终沉积层）、中部和底部（靠近初始沉积层）。顶部区域具有细小的层状微观结构，α沉淀物较少（图4(b)）；中部区域呈现典型的精细篮状编织微观结构（图4(c)）；而底部区域（图4(d)）则含有丰富的α沉淀物。

微观结构演变

在激光增材制造过程中，快速冷却和反复热循环的共同作用形成了独特的微观结构（见图13(a-f)。根据其特征热历史，沉积后的AZT673合金沿建造方向被划分为四个不同的区域（I–IV，见图13(a)）。每个区域的主要特征如下：

区域I（靠近热源的沉积层）：在β转变温度（T_β）和

结论

本文研究了一种适用于增材制造的高温近α AZT673（Ti-5.5Al-11.3Zr-0.4Mo-0.4Nb-3.2Ta-1.6W-0.5Si）合金。该合金采用混合元素粉末制备，在室温（抗拉强度UTS为1170 MPa，屈服强度YS为1110 MPa，伸长率为4.1%）和600 °C（抗拉强度UTS为618 MPa，屈服强度YS为500 MPa，伸长率为39%）下均表现出优异的机械性能，其性能可与锻造高温钛合金相媲美。

CRediT作者贡献声明

牛静哲：负责监督、方法论制定、资金获取和数据管理。朱志豪：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论研究、资金获取和数据分析。贾亮：负责方法论研究。刘楠：负责数据分析。张学哲：负责验证和数据分析。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了陕西省重点研发项目（编号2025CY-YBXM-579、2025CY-GJHX-17）、国家自然科学基金（编号52304387）、陕西省青年科技之星项目（编号2025ZC-KJXX-95）、西北有色金属研究院的研究项目（编号0601YK2520）以及陕西省创新能力支持计划（编号2023-CX-TD-54）的支持。