钛-氧-钒合金的激光粉末床熔融技术：解析非单调延展性响应现象及其强化机制

《Materials Science and Engineering: A》：Laser powder bed fusion of titanium–oxygen–vanadium alloys: unraveling the non-monotonic ductility response phenomenon and strengthening mechanisms

氧和钒协同强化机制及其对Ti基复合材料力学性能的影响研究。采用激光粉末床熔融制备Ti-O-V合金，发现钒含量增加时抗拉强度显著提升（853-1165 MPa），延伸率呈现非单调变化。微观分析表明V促进三角α’马氏体形成和晶格畸变，α/β双相界面产生半共格应力场阻碍位错运动，从而提升材料应变硬化能力。

　　

作者：安莉（An Li）、王琦（Qi Wang）、徐国臣（Guochen Xu）、丁欣（Xin Ding）、陈瑞润（Ruirun Chen）

中国哈尔滨工业大学材料科学与工程学院金属精密热加工国家重点实验室，哈尔滨 150001

摘要

氧间隙固溶强化是提高激光粉末床熔化（LPBF）工艺制备的钛合金强度的常用方法。然而，氧的添加通常会导致塑性的显著下降，从而引发氧脆性。添加β相稳定元素（如Fe和V）可以增强LPBF钛合金的强度。本研究使用(TiO₂ + V) / CP-Ti混合粉末通过LPBF工艺制备了一系列Ti-O-V合金，探讨了间隙O固溶强化与V替代固溶强化之间的协同效应。随着V含量的增加，合金的极限抗拉强度从853 MPa提高到1165 MPa，而延伸率则表现出非单调变化。多尺度表征表明，V和O的添加引起了晶格畸变。在添加2 wt.% V的条件下，出现了三角形的α′马氏体变体，为变形提供了额外的空间并恢复了塑性。V的添加还导致微观结构中出现α/β双相，形成了阻碍位错运动的半相干界面应力场。应变硬化能力的提高归因于α/β界面处高密度位错和位错壁的存在。本研究为通过LPBF制备高强度、高应变硬化能力的原位钛基复合材料提供了新的方法。

引言

钛（Ti）合金由于其优异的强度、耐腐蚀性和良好的生物相容性，在航空航天、生物医学和汽车工业中是不可或缺的结构材料[1]、[2]、[3]、[4]。增材制造（AM）技术的发展，包括激光粉末床熔化（LPBF），为复杂形状的钛部件提供了更多的制造选择，实现了前所未有的设计自由度和接近净成形的能力[5]、[6]。LPBF工艺的快速冷却速率导致形成了非平衡微观结构，如精细的针状α'马氏体，为定制传统加工方法无法实现的机械性能开辟了新途径[7]、[8]、[9]。

在LPBF制备的钛合金中，Ti-6Al-4V体系被研究得最为广泛。其典型的微观结构及其对应的强度-塑性协同效应已有详细记录[10]、[11]、[12]。间隙氧（O）被认为是钛合金中的有效强化剂。然而，O诱导的强化通常伴随着塑性的显著损失，从而形成了众所周知的强度-塑性权衡。一些关于LPBF制备的Ti-O合金的研究表明，它们的屈服强度得到了显著提高，但往往是以牺牲塑性为代价的[13]、[14]。最近的研究表明，O的强化效应不仅限于经典的固溶强化。O的有序排列和与O相关的纳米级障碍可能有助于位错的存储并增强应变硬化，从而提高强度和塑性的协同性[15]。此外，替代合金化已被证明可以调节α-Ti对O的敏感性，表明间隙溶质和替代溶质在控制变形机制方面存在强烈的耦合[16]。同时，钒（V）作为传统冶金中的经典β相稳定元素，以其促进延性β相的形成和改善加工性能而闻名。增材制造中Ti-V基合金的微观结构和力学性能也得到了研究[17]、[18]。这种经过β稳定处理的微观结构即使在高屈服强度水平下也能保持应变硬化性能[8]。然而，现有文献主要关注O或V的单独效应。在LPBF的非平衡条件下，O和V之间的协同效应及其对微观结构和力学性能的影响仍大多未被探索。

现有的研究空白提出了一些关键问题：LPBF过程中O和V的相互作用是否会导致新的微观结构？这种微观结构能否打破传统的强度-塑性权衡？本研究报道了一系列通过LPBF制备的Ti-O-V合金中观察到的非单调塑性响应现象，即随着V含量的增加，抗拉强度逐渐提高，而塑性并未单调下降。通过多尺度微观结构表征发现，这种异常现象归因于独特的三角形沉淀物的形成以及α/β相界面上显著的拉伸应力场。本研究将这种材料体系重新解读为原位钛基复合材料，其中这些独特的微观结构成分共同作用，实现了优异的强度和异常高的应变硬化率[19]。

在此，我们系统地设计并制备了四种Ti-xO-yV合金，采用LPBF工艺。通过机械测试、微观结构表征和分析，我们：（1）阐明了组成-微观结构-性能之间的关系，解释了非单调塑性效应的机制；（2）确定了三角形沉淀物的结构和形成机制；（3）揭示了界面应力在强化和应变硬化中的作用；（4）建立了强化机制模型。这项工作为通过LPBF制备原位钛基复合材料提供了新的方法。

章节片段

复合粉末的制备

本研究使用了(TiO₂+V)/CP-Ti混合粉末进行LPBF。选择粒径为15 - 55 μm的氩气雾化球形CP-Ti粉末作为基材。如图1（b）所示，混合粉末的平均粒径为25.8 ± 6.6 μm。使用纯度大于99.5%、粒径为1 - 5 μm的TiO₂和纯度大于99.5%、粒径为15 - 55 μm的V作为增强颗粒（图1 c-d）。先前的研究表明，在低O含量控制条件下

微观结构

如图3（a）所示，XRD分析揭示了TOVs合金的微观结构演变。所有合金主要由α相组成，但随着V含量的增加，出现了两个关键现象：首先，晶粒细化以及缺陷密度的增加。α（101）衍射峰强度的降低表明材料中持续发生晶粒细化和微应变积累。其次，晶格发生各向异性畸变。如图3（a）所示，

滑移行为对力学性能的影响

在图9（a-d）中，TOVs的Schmid因子集中在0.4 - 0.5范围内。这表明所有合金都处于相对有利的取向，有利于滑移的起始。性能差异主要源于晶格摩擦应力以及微观结构对特定滑移系统的选择性抑制或激活[29]。从图9（a-e）可以看出，TOV0的主要滑移系统包括基面滑移{0001}<11-20>和棱柱滑移

结论

本研究通过LPBF制备了Ti-O-V合金，并系统地研究了微观结构与力学性能之间的关系。发现非单调塑性响应现象：随着V含量的增加，合金强度显著提高，而塑性并未单调下降。通过多尺度表征分析，揭示了这一现象的微观机制：

(i)

V的添加促进了三角形的α

作者贡献声明

陈瑞润（Ruirun Chen）：可视化、验证、监督、软件、资源管理、项目实施、研究、资金筹集。丁欣（Xin Ding）：项目实施、方法论、研究、资金筹集。安莉（An Li）：写作 - 审稿与编辑、写作 - 原稿撰写、方法论、研究、数据分析、概念化。徐国臣（Guochen Xu）：可视化、方法论、研究、概念化。王琦（Qi Wang）：写作 - 审稿与编辑、验证、监督，

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52425401和52374384）的支持。

作者还衷心感谢哈尔滨工业大学分析测量中心的张正波先生在分析测试方面提供的宝贵帮助。