低成本且可通过增材制造技术加工的TC4基合金，具有更好的强度-延展性协同性能

《Materials Science and Engineering: A》：Low-cost and additive manufacturable TC4-based alloys with improved strength-ductility synergy

　　何子健|杨宛宛|安向海|李希尧|王光旭|何哲宏|叶家涛|魏晓|张泽|王江伟
中国浙江大学材料科学与工程学院超合金科学技术研究所，杭州310027

**摘要**
具有良好强度-延性协同效应且成本低廉的Ti-6Al-4V（TC4）合金的增材制造（AM）仍是一项挑战。本文通过向TC4中引入低成本的Fe和Ti合金元素，报道了利用直接能量沉积（DED）技术制备出具有高致密度和优异机械性能的TC4基合金的方法。Fe的合金化可以有效稳定β相，并细化先验β晶粒和α相，从而形成细小的α+β双相结构；而Ti则有助于α相的取向变化，并有效分解脆性的α’相。这两个方面共同增强了相内部的位错活动以及不同相之间的塑性分布均匀性，从而协同提升了材料的强度和延性。结果显示，DED制造的TC4+3Fe合金实现了约1507 MPa的超高抗拉强度（UTS），而TC4+3Fe+5Ti合金则获得了约1256 MPa的抗拉强度和约13%的延性。更有趣的是，这些合金在成本和比强度方面表现优异，与文献中报道的AM制造的TC4基合金相比具有明显优势。这种经济高效的策略使得我们的合金在强度和延性上实现了理想的协同提升，具有广阔的工业应用前景，并为超强且延性的结构材料提供了新的微观结构设计方法。

**引言**
Ti-6Al-4V（TC4）合金因其高比强度、优异的耐腐蚀性、生物相容性和可焊性而被广泛用于增材制造（AM）研究[1][2]。作为典型的AM技术，直接能量沉积（DED）技术因其高功率能量源、高效的材料利用和生产效率而受到广泛应用[3]。目前，通过优化制备工艺或对成形样品进行后处理，已经开展了大量研究以提升DED制造的TC4合金的强度和延性。前者主要通过调节沉积参数（如激光功率、扫描速度和轨迹宽度等）来控制熔池和微观结构[4][5][6][7]；后者则侧重于通过固溶处理、时效处理和热等静压等方式减轻DED引起的缺陷和残余应力[8][9][10]。然而，这些方法的效果受到DED过程参数窗口的限制；而且，热处理通常会导致强度下降（特别是在经过充分退火的微观结构下）[8][11]，这对于高效生产来说既昂贵又耗时。因此，如何经济高效地制备出具有优异机械性能和低成本的TC4基合金仍然是一个挑战[12]。

合金化是另一种有效的强化DED制造Ti合金的方法[13][14]。为实现高性能和低成本的目标，应向原材料中引入成本效益高的元素，以替代昂贵的元素（如Mo、Cr、V）[15][16]。在不同的合金元素中，工业标准铁（Fe）粉因其低成本和成熟的供应链而成为Ti合金合金化的理想选择[17][18][19]。然而，Fe合金化的Ti合金通常具有较差的机械性能，这是由于这些材料特有的结构特性（如细小的晶粒尺寸、过饱和固溶体和α’马氏体相）[20][21][22]。例如，Fe常以原子簇的形式在体心立方（BCC）结构的β相中聚集，尤其是在远离六方密排（HCP）α相和β相界面的地方[23]，导致β相中的Fe含量高于基体[22]。这些β相颗粒会损害材料的室温变形能力和抗疲劳性能[24]，因此在工业TC4合金中，Fe的含量通常控制在0.3 wt%以下[25][26]。通过超快冷却速率和随后的热循环处理，DED制造可以显著促进Fe原子在β相中的扩散，从而抑制Ti-Fe合金中脆性β相颗粒的形成[22]。尽管DED方法为制备高Fe含量的高强度Ti-Fe合金提供了机会，但由于基体中主要的α’马氏体相的存在，其延性仍然有限（低于5%）[20][27]。进一步加入Ti元素可以降低Al和V的含量，有助于在各区域均匀化合金成分，从而优化应变 Compatibility、减少应变局部化并显著提高成形合金的延性[28]。类似地，已有研究利用激光粉末床熔融（L-PBF）技术，使用昂贵的Fe2O3前驱体粉末与纯Ti和TC4粉末混合制备样品，其中Fe-O固溶体的强化作用和α’相的分解有助于改善机械性能[29]。因此，结合DED工艺与商用Fe、Ti和TC4粉末混合物的优势，为同时提升AM制备TC4基合金的强度和延性提供了高效且低成本的途径。

**本文方法**
本文开发了一种低成本、高效率的合金化方法，通过DED工艺制备出具有协同提升强度和延性的TC4基合金。向TC4合金原料粉末中添加Fe和商业纯Ti（CP-Ti）粉末，有助于细化晶粒结构并分解成形合金中的α’相，从而减轻局部应力集中并提高整体变形适应性。该方法在低成本和高效地工业应用方面展现出巨大潜力。

**材料与DED工艺**
我们的合金组成了设计采用了材料科学和DED过程理论以及d电子理论。d电子理论主要用于评估β稳定元素在Ti合金中的作用[30]，较高的d电子值表明合金中保留了更多的β相[31][32]。

**结果与讨论**
通过DED制备了四种不同成分的Ti合金：TC4、TC4+3Fe、TC4+3Fe+5Ti和TC4+3Fe+30Ti。图1展示了成形合金的原位CT图像。成形DED样品的几何平均孔径为12.28±0.37 μm，相对密度达到了合金理论值的99.98%，高于文献中报道的AM制造TC4合金（>99.5%）[5][6][7][40]。接下来，我们讨论了这些合金的机械性能、微观结构和断裂行为。

**结论**
综上所述，通过Fe和Ti的合金化优化了双相结构，我们成功开发出了低成本且具有良好强度-延性协同性的TC4基合金。本文的主要发现包括：
(1) 通过DED方法成功制备出了具有良好强度-延性协同效应和低成本的TC4基合金。Fe的合金化有助于稳定β相并细化晶粒和α相，形成了细小的α+β双相结构。

**作者贡献声明**
魏晓：撰写、审稿与编辑、监督、资金申请；
叶家涛：实验研究；
何哲宏：撰写、审稿与编辑；
王光旭：撰写、审稿与编辑；
李希尧：撰写、审稿与编辑、验证、软件开发；
安向海：撰写、审稿与编辑；
杨宛宛：概念构思；
何子健：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、软件开发、方法设计、数据管理、概念构思；
王江伟：撰写、审稿与编辑。

**利益冲突**
作者声明不存在任何可能影响本论文工作的利益冲突。

**致谢**
J.W.感谢中国国家重点研发计划（2021YFA1200201）和浙江科创新材料研究所创新基金的资助（编号：ZKN-18-Z02）。