Nature Communications：用于3D打印的包晶钛合金

来源：金属增材制造

金属基增材制造（AM）允许逐层制造近净形金属组件，其几何复杂度远超传统制造。通过AM生产钛基组件的成本节省估计高达50%，归因于机加工中材料的严重损失。目前，用于AM的钛合金大多基于传统成分，这些成分未考虑AM过程中定向热梯度引起的外延生长，导致严重织构化和各向异性结构性能。本研究揭示了包晶和包析反应附近亚稳态的新凝固与冷却路径：α相未继承母β相的常见晶体学取向关系。伴随各向异性降低和等轴显微结构的形成，这代表了面向下一代AM钛合金的进展。

本文的创新方法及解决的科学问题
通过添加稀土元素La诱导包晶反应（L₁ + β → α），开发了α相形成的新路径，解决了AM钛合金中由外延生长导致的柱状β晶粒和强<100>取向问题，为降低织构和实现等轴显微结构提供了策略。

图文导读

图1：Ti-La体系的增材制造。选择Ti-2wt.% La成分的方法通过改变常规β→α相变路径，探索钛合金中α相形成的非典型路径。a：Ti-La相图的局部（基于29,50改编），指示用于选择性激光熔化的成分。b, c：分别为参考材料商业纯钛（CP Ti）和Ti-2wt.% La合金（Ti-2La）的制造态显微结构概览（比例尺：100 μm）。

图2：Ti-2wt.% La（Ti-2La）合金在选择性激光熔化（SLM）过程中的织构调控。向商业纯钛（CP Ti）中添加2wt.% La导致α相沿构建方向的优先取向减弱，如a,b所示：分别基于1x1x5 mm³测量体积重建的{002}α归一化极图。c：CP Ti的马氏体显微结构由α'板组成，根据Burgers取向关系（OR）在母β晶粒内延伸。d,e：Ti-2La中形成的具有多取向的小等轴α晶粒排列导致织构减弱（如圈出晶粒所示）。f：通过缓慢冷却（20°C min⁻¹从950°C经包晶线降至室温）对SLM制造态进行后热处理，促使新α晶粒形成和广泛球化，获得类再结晶显微结构。e,f中的黑线表示高角度晶界（取向差>10°）。c,d及其放大区域（底部）比例尺分别为100 μm和50 μm；e和f中为50 μm。

图3：Ti-2wt.% La（Ti-2La）合金在选择性激光熔化（SLM）后的晶粒细化。a,b：通过分别以5°C min⁻¹和100°C min⁻¹速率从950°C（L₁ + β场）冷却至室温对SLM制造态进行后热处理，随冷却速率增加形成更细小的新α晶粒和广泛球化。比例尺：50 μm。c,d：分别对应a,b显微结构的1x1x5 mm³测量体积的德拜-谢乐环代表性四分之一。c中斑点环与d中连续{hkl}环对比，反映后者合金块体中显著更小的晶粒尺寸。a,b中黑线表示高角度晶界（取向差>10°）。

图4：Ti-2wt.% La合金的相变动力学。α相形成始于L₁ + β场，随后在冷却过程中从β相转变。a：彩色编码2D图，显示2.25-4.55° 2θ范围内β、α、La-bcc和La-fcc的{hkl}反射演变，右侧图表为Rietveld分析得到的晶相体积分数随连续冷却（950°C至400°C，20°C min⁻¹）的变化。温度<400°C时无变化。b：彩色编码2D图，显示950-850°C连续冷却期间{002}α布拉格反射在方位角（ψ）0-180°范围内的演变。c：原始衍射图像揭示在905°C和875°C，α相与β和L₁相共存。d：从950°C淬火至室温的显微结构中，箭头所指α颗粒在β/L₁界面形核（右侧比例尺5 μm；左侧放大图2 μm）。e：在850°Cβ→α相变结束时，基于1x1x5 mm³测量体积重建的{110}β和{002}α归一化极图，表明α相未继承母β相织构。

图5：降低钛合金增材制造中的凝固织构。通过添加包晶形成溶质La，形成具有多取向的细α颗粒。a,b：分别为Ti-3wt.% Fe（Ti-3Fe）和Ti-1.4Fe-1La（wt.%）的选择性激光熔化（SLM）过程中α相变（比例尺：10 μm）。前者α相直接从母β晶粒形成：典型β→α相变路径导致层状α+β显微结构。后者存在额外α形成路径，与母β相取向关系无关。c,d：分别反映Ti-3Fe和Ti-1.4Fe-1La的{002}α重建极图。e：SLM Ti-1.4Fe-1La中，直径<1 μm的多取向α颗粒在α层板边界形成（黑线表示高角度晶界，取向差>10°；比例尺：5 μm）。f,g：分别通过20°C min⁻¹缓慢冷却Ti-3Fe和Ti-1.4Fe-1La从950°C至室温的后热处理，获得典型层状α+β显微结构和广泛α球化。f,g比例尺为250 μm；g插图为30 μm。h：热处理后Ti-1.4Fe-1La合金中α与β相晶格相关边界的双峰分布，反映两种α形成路径。

表1：Ti-2wt.% La合金（Ti-2La）平衡相图的平衡不变反应（基于29,50）与通过原位高能同步辐射X射线衍射（HEXRD）在20°C min⁻¹冷却（从950°C L₁ + β场）识别的转变对比。

结论
本研究结果揭示了通过添加稀土元素La在钛合金中实现α相形成的替代路径。该路径在SLM制造及后热处理Ti-2wt.% La和Ti-1.4Fe-1La（wt.%）体系中得到验证。α晶粒在L₁ + β场中通过包晶反应L₁ + β → α形核，随后从β相转变（β → α）。所得α相并非总与母β相取向相关，因此可显著降低织构并获得等轴显微结构。这一转变路径在钛合金中属前所未有的探索，为避免AM钛合金中的固有问题（即外延生长导致沿构建方向的强<100>β取向粗大柱状晶）提供了新方案。添加包晶形成元素以降低制造态及后处理织构的方法，可能对商业钛成分产生积极影响。

文献链接
Barriobero-Vila, P., Gussone, J., Stark, A., Schell, N., Haubrich, J., & Requena, G. (2018). Peritectic titanium alloys for 3D printing. Nature Communications, 9(1), 3429.

https://doi.org/10.1038/s41467-018-05819-9