通过协同调节强化机制，在增材制造的亚稳态β钛合金中实现了卓越的强度-延展性-模量组合

《Materials Science and Engineering: A》：Exceptional Strength–Ductility–Modulus Combination in Additively Manufactured Metastable β Titanium Alloy via Synergistic Tuning of Strengthening Mechanisms

开发了一种Ti-14Nb-6Zr-3Fe-3Sn-0.65O metastable β钛合金，通过固溶强化（561 MPa）和析出强化（268 MPa）协同作用，实现1217 MPa屈服强度、67 GPa低弹性模量和13%延伸率的优异综合性能，Sn细化晶粒并抑制ω相，O调控相稳定同时不影响模量。

　　

岳莉|郝昊月|丁峰|郝瑞杰|雷敏|李学文|严明|曹健|李玉龙

南昌大学先进制造学院，中国南昌330031

摘要

同时实现高强度、低弹性模量和优异的延展性仍然是增材制造的生物医用β钛合金面临的挑战。在本研究中，开发了一种新型的Ti-14Nb-6Zr-3Fe-3Sn-0.65O亚稳态β钛合金。通过添加Sn和O来调控固溶强化和沉淀强化，该合金获得了出色的性能组合：屈服强度（1217 MPa）、弹性模量（67 GPa）和伸长率（13%）。Sn的添加有效细化了晶粒尺寸，并抑制了ω相的沉淀，同时减轻了O对ω相形成的影响。高强度来源于固溶强化（561 MPa）和沉淀强化（268 MPa）。EBSD和TEM结果表明，多种滑移系的协同作用、频繁的交叉滑移以及晶界间的有效滑移传递是该合金优异延展性的原因。这项工作表明，控制固溶强化和沉淀强化的相对贡献为设计高性能β钛合金提供了有前景的策略。

引言

由于亚稳态β钛合金具有低弹性模量、高强度和良好的生物相容性，它们被广泛用于骨科和牙科植入物[1]、[2]。因此，开发兼具高强度、优异延展性和低弹性模量的亚稳态β钛合金对于满足植入物的机械要求具有重要意义。激光粉末床熔融（LPBF）和其他增材制造（AM）技术可以直接制造复杂部件，并支持个性化设计，使其成为植入物的主要制造方法之一[3]、[4]、[5]。

然而，LPBF制造的亚稳态β钛合金仍面临显著挑战。由于β稳定元素的含量相对较低，在LPBF的内热循环过程中容易析出硬而脆的ω相[6]、[7]。这种沉淀不仅增加了弹性模量，还显著降低了延展性，从而影响了整体机械性能[8]。亚稳态β钛合金中高强度、低弹性模量和良好延展性之间的内在矛盾是一个根本性问题。传统的强化机制（如α相或ω相沉淀）可以提高强度，但通常会导致弹性模量增加和延展性降低。后处理可以用来调整沉淀物的类型、大小和分布，以平衡强度和韧性[9]，但这会增加复杂性和成本。因此，在不进行后处理的情况下实现高强度和延展性同时保持低弹性模量，仍然是LPBF亚稳态β钛合金设计中的核心科学挑战。

除了沉淀强化外，固溶强化是一种有效提高合金强度的方法，且对弹性模量的影响较小。然而，合金元素不仅提供固溶强化，还会改变亚稳态β钛合金的相稳定性，从而间接影响机械性能。同质β稳定元素（如Mo、Nb、Ta）可以抑制ω相的形成，但成本较高且强化效果有限[10]。过量添加可能导致合金转变为稳定的β相，从而降低强度。同样，共晶元素（如Fe、Cu、Ni）也可以抑制ω相，但过量添加可能会形成脆性的金属间化合物，降低机械性能[11]、[12]、[13]。相比之下，中性元素（如Zr、Sn）可以在提供有效固溶强化的同时抑制ω相的形成，从而实现高强度和低弹性模量的目标[14]、[15]。间隙元素（如氧）在亚稳态β钛合金中的行为较为复杂。大多数研究表明氧可以提高β相稳定性并抑制ω相的形成，但在某些特定体系中氧可能会促进ω相沉淀[16]、[17]。此外，氧还可以增强固溶强化并影响亚稳态钛合金的变形机制[18]、[19]。因此，合理设计替代元素和间隙元素可以有效平衡固溶强化和沉淀强化，优化合金的整体性能。

基于此，之前的研究通过LPBF成功制备了Ti-14Nb-6Zr-3Fe（TNZF）合金，该合金在保持低弹性模量的同时表现出优异的强度[20]。在LPBF制备的TNZF合金中，沉淀作用显著提高了强度，同时合金仍具有良好的延展性。优化沉淀强化和固溶强化的相对贡献，可以为进一步提高合金的整体机械性能（强度-延展性-模量）提供可行的途径。在本研究中，分别选择Sn和O作为代表性的替代元素和间隙元素，并将其引入TNZF体系。通过调控固溶强化和沉淀强化，该方法旨在提高强度和延展性，同时保持LPBF制备的亚稳态β钛合金的低模量。通过对微观结构、强化机制和变形行为的系统分析，揭示了其背后的机制，并为设计高性能生物医用β-Ti合金提供了指导。

材料与LPBF加工

基于开发的TNZF体系，合金的名义组成为Ti-14Nb-6Zr-3Fe-3Sn-0.65O（TNZFSO，重量百分比）。在本研究中，使用了球形Ti粉（15-53 μm）、Nb粉（5-25 μm）、Fe粉（5-25 μm）、Sn粉（1-20 μm）、非球形ZrH₂粉（1-20 μm）和TiO₂粉（100-500 nm）作为原材料。这些粉末在316L不锈钢罐和无水乙醇中以100 rpm的速度进行湿球磨4小时，球粉比为1:1。磨粉后，浆料...

缺陷分析

Sn（231.9 °C）和Nb（2468 °C）之间的较大熔点差异可能导致TNZFSO合金在原位合金化过程中发生元素偏聚和孔隙形成，因为Sn的熔点和流动性远高于Nb，从而导致局部成分不均匀。因此，需要进行缺陷和成分分析。如图2所示，即使添加了Sn，合金的孔隙率也较低（<0.1%）。在LPBF过程中，孔隙的形成受熔池动力学、粉末行为等因素的影响...

Sn和O添加的作用

在本研究中，少量Sn的添加显著改变了TNZF合金的微观结构和机械性能。如图6所示，添加3 wt.% Sn会减弱织构并减小晶粒尺寸。测得的平均晶粒尺寸（22.4 μm）证实Sn促进了细小等轴晶粒的形成。根据Thermo-Calc相图（图13），随着Sn的添加，过冷参数（P）从113 K（P1）增加到119 K（P2）。

结论

• （1）
  通过LPBF成功制备了一种新型的Ti-14Nb-6Zr-3Fe-3Sn-0.65O（TNZFSO）亚稳态β钛合金。该合金具有优异的性能组合：高屈服强度（1217 MPa）、低弹性模量（67 GPa）和良好的延展性（13%）。
• （2）
  在高热输入条件下，Sn的添加对合金的孔隙率没有显著影响，使其保持较低水平。高热输入引起的原位重熔效应有助于减少未熔化的Nb颗粒，从而...

CRediT作者贡献声明

雷敏：项目管理。丁峰：正式分析。郝瑞杰：正式分析。岳莉：撰写——初稿、验证、方法学、实验研究。郝昊月：正式分析。曹健：撰写——审阅与编辑。李玉龙：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取。李学文：项目管理。严明：撰写——审阅与编辑

数据可用性

支持本研究结果的数据可向相应作者索取。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52171036）和重庆市潼南区研究项目——技术创新与应用发展（TK-2024-43）的资助。