激光定向能量沉积法制备的原位Ti-5Mo合金的微观结构与力学性能

《Materials Science and Engineering: A》：Microstructure and Mechanical Properties of In-situ Ti-5Mo Alloys prepared by Laser-Directed Energy Deposition

钛合金增材制造中钼元素引入对微观组织与力学性能的影响机制研究。采用激光直接能量沉积技术制备纯钛和Ti-5Mo合金，发现钼原子固溶强化及α'马氏体层状结构促进高密度位错形成，协同提升强度（UTS达710 MPa）与保持12%延伸率。研究揭示了非平衡凝固条件下钼合金化对相稳定、位错强化及相界强化的复合作用机制，为低成本高性能钛合金设计提供新路径。

　　

丁佩瑶|刘阳|张驰|李强|吴思远|陈飞

中国襄阳441106，湖北龙忠实验室

摘要

由于钛合金具有较高的比强度和良好的机械性能，因此在航空航天和汽车零部件的增材制造中得到了广泛应用。然而，纯钛在制造过程中会形成粗大的柱状晶粒和细小的马氏体结构，这虽然赋予了其较高的延展性，但强度相对较低，从而限制了其实际应用。本研究通过激光定向能量沉积（L-DED）技术制备了CP-Ti和Ti-5Mo合金，并系统地对其微观结构和机械性能进行了表征。结果表明，在沉积过程中，钼（Mo）原子进入α′马氏体晶格，导致局部晶格畸变，阻碍了位错的运动。同时，α′马氏体的层状形态促进了位错在马氏体内部的形核，并使其在层界面处聚集，从而形成了较高的位错密度。固溶强化和位错强化的协同作用提升了合金的机械性能。通过工艺优化，该合金的密度超过了99.9%，屈服强度（YS）达到了549 ± 30 MPa，极限抗拉强度（UTS）为710 ± 22 MPa（而CP-Ti的UTS为395.7 ± 18 MPa），同时保持了12 ± 2%的伸长率。本研究阐明了微观结构演变与增材制造钛钼合金机械性能提升之间的内在机制，为高性能钛合金的设计和制备提供了新的见解。

引言

钛及其合金具有出色的机械和物理性能，使其在航空航天、生物医学和化学工业中具有广泛应用前景[1]、[2]、[3]。钛合金的机械性能是决定其在这些领域服役可靠性和寿命的关键因素。大多数钛合金由不同比例的α相和β相组成[4]。钛合金的机械性能主要受合金元素添加和热机械加工的影响，这些因素共同改变了α/β相的稳定性及其相互作用机制，从而调节了材料的机械响应[4]、[5]。目前主要采用三种方法来改善钛合金的性能：间隙元素调控（如氧气和氮气气氛控制）[6]、第二相强化（如添加TiB等陶瓷颗粒）[7]以及稀土微合金化（如掺杂镧系元素）[8]。这些方法通过改变微观结构特性来增强材料强度。例如，在CP-Ti中添加微量镍（0.5-1.2 wt%）可使强度从670 MPa提高到1020 MPa；然而，这会导致延展率降至0.5%[9]。另一项类似的研究表明，添加2 wt%的铼（Re）可使屈服强度达到956 MPa，但伸长率降至几乎可以忽略的1.0%[8]；其他方法还包括引入陶瓷增强剂，如二硼化钛（TiB）[10]、碳化钛（TiC）[12]和氧化镧（La₂O₃）[13]；尽管这些方法能够提升强度，但会显著降低延展率（<10%）。

近年来，人们致力于开发β-钛合金，如Ti-Nb-Zr-Mn[14]、Ti-35Nb-2Ta-3Zr[15]和Ti-45Nb[16]。然而，大多数开发的β-钛合金含有大量的昂贵合金元素（如Nb、Zr和Ta），这些元素的熔点和密度都比钼（Mo）高。

增材制造（AM）技术因其设计灵活性和快速制造等优点，已被广泛应用于各种金属材料的生产，包括钛合金。例如，张等人[17]使用选择性激光熔化（SLM）技术成功制备了低模量的生物医学β-钛合金（Ti–24Nb–4Zr–8Sn）部件，展示了该技术在制造复杂几何形状部件方面的卓越能力。亚稳态β-Ti–Mo合金具有高生物相容性、低弹性模量和优异的机械性能。仅向Ti中添加10 wt.%的Mo就足以使其在室温下水淬后完全稳定β相[18]。Hooyar等人使用L-DED技术制备了Ti–xMo合金（x = 5/10），发现Mo含量对相组成和微观结构有显著影响。Mo引起的固溶强化以及由此产生的相组成改善了材料的机械性能，但其断裂时的变形应变低于其他材料[19]。Ho[20]、Sukedai[21]和Liu[22]也对各种Ti–Mo合金的相变、应力松弛和机械性能进行了全面研究。Mo的固溶强化和相组成调控共同增强了材料的强度。然而，大多数现有研究集中在传统的平衡微观结构或高Mo含量体系上，对于L-DED非平衡凝固条件下低至中等Mo含量（≤8 wt.%）合金的微观结构演变和机械响应研究不足[9]。

与L-PBF相比，L-DED具有更高的沉积速率和更灵活的材料输送能力，特别适合原位合金化过程[18]。本研究系统地研究了经济高效的Ti–Mo合金的制备和性能调控，重点探讨了Mo添加对材料微观结构和机械性能的影响机制。结果表明，Mo与β-Ti基体的合金化引发了固溶强化，产生了大量与位错相互作用的应变场[23]，从而显著提高了屈服强度和极限抗拉强度。同时，精确控制Mo含量（≤ 8 wt%）[24]可以有效抑制脆性ω相的形成，消除其对机械强度的不利影响。这项研究为开发兼具优异机械性能和成本优势的新型钛合金提供了理论基础，同时也凸显了L-DED在精确控制成分和微观结构方面的技术价值。

材料与样品制备

本研究采用了电极感应熔化气体雾化技术（AMC Powders Co., Ltd., 北京）。作为原材料，选择了纯钛粉末（纯度>99.9%，粒径范围：53-150 μm）和纯钼粉末（纯度>99.9%，粒径范围：53-150 μm）。按图1(a)所示，将预先确定比例的粉末混合在不锈钢罐中。混合粉末的粒径分布见图1(b)。

工艺优化

以CP-Ti合金的工艺参数为基准（图2a），我们通过调整能量密度（E）系统优化了Ti-5Mo合金的L-DED参数，如图2(a)和(b)所示。能量密度（E）是优化点源加热增材制造过程的一个常用指标，表示单位体积粉末材料所施加的能量，受多种工艺参数的影响[25]。E的定义如下：

钼对微观结构的影响

添加钼后的微观结构如图9所示。首先，由于α′马氏体通过无扩散转变形成，其层状结构中存在晶体缺陷（图9a）。加入钼这种强β稳定元素后，β→α转变的驱动力降低，β相的稳定性得到提高[1]、[2]。因为位错形核需要足够的驱动力来克服能量障碍

结论

在本研究中，激光定向能量沉积（L-DED）制备过程中将微量钼（Mo）掺入CP-Ti合金中。系统研究了添加Mo前后样品的微观结构、机械性能及主要的强化-韧性机制。主要结论如下：

(1)

通过优化扫描策略并使用激光能量密度作为热输入的衡量标准

CRediT作者贡献声明

陈飞：撰写 – 审稿与编辑、验证、资源管理、项目管理、方法论设计、研究实施、资金获取、概念构思。吴思远：数据可视化、验证、监督、研究实施。李强：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、研究实施。张驰：撰写 – 审稿与编辑、验证、资源管理、项目管理、研究实施、资金获取、数据分析。刘阳：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论设计

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家重点科技项目（J2022-IV-0002-0044）、中国载人航天工程空间利用系统（KJZ-YY-WCL03、KJZ-YY-NCL406）、广东省基础与应用基础研究重大项目（2021B0301030001）、湖北龙忠实验室自主创新项目（2024KF-16和2022ZZ-32）、中国国家重点研发计划（2021YFA0716304）以及中央财政基本科研业务费的支持。