通过激光熔融沉积制备超细针状α'相钛合金：实现强度和耐腐蚀性的协同提升

《Journal of Alloys and Compounds》：Preparation of ultrafine acicular α' phase titanium alloys via laser melting deposition: Achieving synergistic enhancement of strength and corrosion resistance

本研究采用激光熔覆沉积技术将TC11钛合金中钼含量提升至10 wt%，通过专用中间层暂停策略成功制备出含超细针状α'相的强化合金，显著提升材料综合性能。微观结构分析表明，高钼含量促使β基体中形成致密无序超细针状α'相，其增强机制源于Orowan机制引起的位错堆积和晶界约束滑移，同时形成的致密复合防护层有效降低α'与β相电位差，从而协同提高强度与耐腐蚀性。该研究为增材制造高强耐蚀钛合金开辟新范式。

　　本研究通过激光熔覆沉积（LMD）技术，将TC11钛合金中的钼（Mo）含量提升至10%。这一方法在传统钛合金制造基础上引入了新的思路，特别是在微观结构调控方面取得了重要进展。研究团队开发了一种专门的层间暂停策略，使得最终形成的合金具有超细针状的α'相结构，从而显著提升了合金的整体性能。该合金不仅在机械强度上表现出色，同时在耐腐蚀性和耐热性方面也实现了突破。这一成果为高强度、耐腐蚀钛合金的增材制造提供了新的范式。

钛合金因其优异的强度、耐腐蚀性和生物相容性，在航空航天、生物医学等多个领域发挥着重要作用。其中，TC11钛合金（Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si）作为一种α + β型合金，具有出色的综合性能，被广泛应用于高端制造领域。然而，传统制造方法在加工复杂结构部件时存在诸多挑战，包括成本高、生产周期长以及材料利用率低等问题。随着激光增材制造技术的发展，钛合金的加工方式迎来了革命性的变化。这种技术利用高能激光束对金属粉末或丝材进行逐层熔化和沉积，能够直接制造三维实体，无需模具，从而实现了高度的设计自由度，尤其适用于复杂结构部件的快速成型。

尽管激光增材制造在钛合金加工方面具有显著优势，但与传统的锻造成型钛合金板相比，其整体性能仍有待提升，特别是在耐腐蚀性和机械性能方面。在激光增材制造过程中，TC4、TC11和TC18等钛合金通常表现出沿沉积方向的长柱状晶粒结构。这种独特的微观结构导致了材料在机械性能上的显著各向异性。具体而言，沿着沉积方向，由于晶粒取向较弱以及晶间结合力不足，材料的强度和延展性相对较低。因此，解决这一问题成为提升激光增材制造钛合金性能的关键。

为了解决这一问题，研究团队引入了一种层间暂停策略，使得最终形成的TC11钛合金具有接近等轴的微观结构，而无需添加额外的合金元素或辅助方法。这一策略有效保持了材料的高强度和高延展性。此外，一些研究人员对激光熔化沉积的Ti55531合金进行了特殊的电击处理，显著增强了其延展性和强度。另一方面，也有研究团队通过激光粉末床熔融（LPBF）工艺，将Fe和Co作为主要溶质元素引入Ti中，成功制备了一种完全等轴的新型Ti-Fe-Co-Mo合金。尽管如此，某些研究发现，采用超声同步激光增材制造技术虽然能够诱导从原始β晶粒向等轴结构的转变，但这种方法实施起来较为复杂，且在机械性能提升方面效果有限。

在钛合金中，Sn被证明能够抑制ω相的形成，同时降低对氢脆的敏感性，从而显著增强整体机械性能，尤其是在延展性方面。然而，Sn的熔点较低（约231.9°C），而钛的熔点较高（约1668°C），这使得在增材制造过程中容易产生气孔缺陷，从而限制了加工窗口的范围，并增加了对工艺参数控制的难度。相比之下，Mo则完全避免了这些缺点，具有更优异的强化能力。作为强β稳定元素，Mo不仅有助于稳定β相，从而间接减少ω相的析出，提高合金的强度，还可能通过多种机制改善合金的耐腐蚀性和热稳定性。此外，Mo与Ti之间具有完全的互溶性，这极大地提升了材料的稳定性。由于TC11钛合金本身含有3.5%的Mo，因此其对Mo改性的兼容性较好。鉴于其在航空航天和海洋工程等关键领域的应用，开展相关改性研究具有重要意义。

本研究采用LMD技术将TC11钛合金中的Mo含量提升至10%。通过引入专门的层间暂停策略，成功制备出具有超细针状α'相结构的钛合金。与传统TC11合金相比，该新型合金表现出显著增强的综合性能，包括更高的强度、耐腐蚀性和耐热性。为了进一步理解其微观结构和性能提升机制，研究团队对材料进行了系统的微观结构表征，包括扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分析。此外，对材料的机械性能、热性能和耐腐蚀性进行了全面测试，并对处理前后微观结构的变化进行了详细分析，特别是探讨了超细针状α'相的形成原因，并对其强化机制进行了推测。

在材料制备方面，本研究使用的主要材料是TC11粉末和Mo粉末，其中TC11粉末的粒径为53–105 μm，Mo粉末的粒径为15–53 μm，均由中国深圳金泰新材料科技有限公司提供。为了制备TC11–10Mo（wt%）的粉末混合物，采用了1865 g TC11与135 g Mo进行混合。Mo含量的确定基于现有文献的综合回顾和初步实验研究。球形的Mo颗粒在混合过程中与TC11粉末充分结合，从而确保了材料成分的均匀性。

在微观结构方面，研究团队对两种样品进行了X射线衍射（XRD）分析，结果显示两种样品均由六方密堆积（HCP，α-Ti）相和体心立方（BCC，β-Ti）相组成。在LMD过程中，熔池的高能量密度和快速冷却速率通常会引发马氏体转变。随后，在多次热循环作用下，会形成片状或针状的α'相。因此，沉积样品中检测到的HCP相对应于这些针状α'相的形成。这一现象表明，通过LMD技术可以有效调控钛合金的微观结构，从而提升其性能。

在组织演化方面，LMD过程中TC11和TC11（10Mo）合金的固相过程首先形成高温β相，作为β钛基体。随后，在快速冷却过程中，α相通过固态转变从β相中析出。这一过程是钛合金激光增材制造中组织演化的关键环节，如图16(a)所示。在熔池的凝固过程中，β相的快速冷却导致α相的析出，从而形成了具有特定形态的α'相。这一过程不仅影响了材料的微观结构，还对材料的性能产生深远影响。

研究团队通过实验观察到，当Mo含量增加至10%时，α'相在β基体中的析出方式发生了显著变化。原本有序分布的片状结构转变为无序且密集排列的超细针状形态。这种变化不仅改善了材料的微观结构，还对其机械性能产生了积极影响。在β基体中，α'相的形成和分布方式对材料的强度和延展性具有决定性作用。通过调控Mo含量，可以有效控制α'相的形貌和分布，从而实现对材料性能的优化。

此外，研究团队对材料的机械性能进行了系统测试，包括拉伸强度、硬度、疲劳性能等。测试结果表明，增加Mo含量后，材料的强度显著提升，同时延展性也有所改善。这表明，Mo的引入不仅增强了合金的强度，还对其塑性性能产生了积极影响。在耐腐蚀性方面，研究团队通过电化学测试和盐雾试验等方法，评估了材料在不同腐蚀环境下的表现。测试结果表明，增加Mo含量后，材料的耐腐蚀性得到了显著提升，这主要归因于α'相与β相之间的电位差减小，以及两者形成的复合保护层更加致密。这一复合保护层能够有效阻挡腐蚀介质的渗透，从而提高材料的耐腐蚀能力。

在热性能方面，研究团队对材料的高温性能进行了评估，包括热膨胀系数、热导率和高温强度等。测试结果表明，增加Mo含量后，材料的热稳定性显著提升，这主要归因于Mo的引入提高了材料的耐热能力。此外，研究团队还对材料的微观结构进行了详细分析，包括α'相的形貌、尺寸和分布方式。通过SEM和TEM分析，研究团队发现，Mo的引入使得α'相的形成更加均匀，且尺寸更加细小，从而进一步提升了材料的机械性能。

在组织演化过程中，研究团队观察到，随着Mo含量的增加，材料的组织结构发生了显著变化。原本以片状α相为主的结构转变为以超细针状α'相为主的结构。这一变化不仅改善了材料的微观结构，还对其性能产生了积极影响。此外，研究团队还发现，Mo的引入能够有效抑制α相的析出，从而减少材料的组织缺陷。这一现象表明，Mo在钛合金中的作用不仅限于强化，还能够通过调控组织结构来提升材料的整体性能。

研究团队还对材料的加工工艺进行了详细分析，包括激光功率、扫描速度、送粉速率等参数对材料性能的影响。通过优化这些参数，可以进一步提升材料的综合性能。此外，研究团队还对材料的微观结构进行了系统的表征，包括α'相的形成机制、尺寸分布以及与其他相的相互作用。这些分析结果为理解Mo在钛合金中的作用提供了重要的理论依据。

在实验过程中，研究团队采用了多种表征手段，包括XRD、SEM、TEM等，对材料的微观结构进行了详细分析。这些分析结果表明，Mo的引入能够有效调控α'相的形貌和分布，从而提升材料的机械性能。此外，研究团队还对材料的热性能和耐腐蚀性进行了测试，进一步验证了Mo在钛合金中的重要作用。

本研究的成果表明，通过激光熔覆沉积技术，可以有效提升钛合金的性能，特别是在机械强度和耐腐蚀性方面。这一技术为高强度、耐腐蚀钛合金的增材制造提供了新的思路和方法。研究团队的发现不仅拓展了钛合金的性能边界，还为未来的材料设计和加工工艺提供了重要的参考。通过调控Mo含量和引入层间暂停策略，可以实现对钛合金微观结构的精确控制，从而提升其综合性能。这一研究为钛合金的高性能化和功能化发展提供了新的方向。