研究背景
非合金钛（Ti）在室温下呈现密排六方（hcp）结构，具有优异的延展性、耐腐蚀性和生物相容性，使其在化学、石化、医疗和牙科等领域具有广泛的应用前景。然而，其强度性能适中，这限制了其在要求苛刻的结构应用中的使用。传统的钛合金强化方法，如固溶体强化、沉淀和弥散硬化以及加工硬化，通常使用钒、钼等昂贵或稀缺的合金元素，虽能提升强度，但往往会损害延展性，并且通常成本高昂且耗能巨大。
为了开发一种成本效益高、可回收且高性能的钛材料，引入常见元素或杂质，如氧、铁或氮，可以有效地形成独特的结构，在保持延展性的同时提高强度。此外，通过引入常见溶质或具有相干界面的特定纳米级结构，可以在不损害延展性的情况下显著提高Ti的强度。
面心立方（fcc）Ti相，是1969年在厚度低于约35nm钛薄膜中首次发现的一种罕见的钛同素异形体，通常表现出纳米级的层状形态。最近研究表明，增材制造的Ti-6Al-4V合金中意外形成了少量fcc Ti相，展现出抗拉强度（约1200MPa）和延展性（10%）。目前，生成fcc Ti相的方法主要依赖于极端条件下（如严重塑性变形）从hcp相进行的无扩散原子转变，这种转变通常在碳、氧等间隙元素存在时发生。然而，这些fcc相通常在金属表面附近形成薄膜或超薄层。尽管取得了这些进展，但实现fcc Ti相在Ti基体中的大量均匀分散仍是一个亟待解决的挑战。
研究成果
近日，北京科技大学曲选辉教授、秦明礼教授、陈刚教授&澳大利亚昆士兰大学邹进教授，合作提出了一种精益合金设计方法，以制造出坚固且延展性良好的双相钛氧合金。通过将相干的纳米级同素异形面心立方钛相嵌入密排六方钛基体中，显著提高了强度，同时保持了良好的延展性。这种密排六方/面心立方双相钛氧合金，是通过精确控制粉末的氧化层厚度，并借助激光粉末床熔融技术的快速冷却特性而制成的。打印后的Ti-0.67wt%O合金的极限抗拉强度为1119.3±29.2MPa，延展性为23.3±1.9%。这种引入相干纳米同素异形相的策略，为开发高性能、高成本效益和可持续的贫合金提供了一条有前景的途径。
相关研究工作以“Lean design of a strong and ductile dual-phase titanium-oxygen alloy”为题发表在国际顶级期刊《Nature Materials》上。
研究内容
研究者展示了一种创新方法，通过激光粉末床熔融（PBF-LB/M）技术，将相干纳米级fcc Ti相大量引入hcp Ti基体中。使用定制设计的准球形粉末，通过PBF-LB/M制造了Ti-0.67O（Ti-0.67wt%O）合金，其平均颗粒大小约为26μm，氧含量为0.65wt%。具体而言，粉末表面上存在一个独特的富氧层（约30nm厚），是整体氧含量的主要贡献者。正如X射线能量分散光谱（EDS）和原子探头断层扫描（APT）分析所证实，我们定制设计的粉末的氧含量和氧化层厚度显著高于传统气体雾化Ti粉末（分别为~0.12wt%和~4nm），具有相似的平均粒径。
图1. 定制设计的有/无热处理的高氧钛粉以及印刷试样的微观结构
图2. 印刷态双相Ti-0.67O合金的微观结构
图3. 印刷态双相Ti-0.67O合金的机械性能
图4. 拉伸后印刷的双相Ti-0.67O合金的微观结构
结论与展望
总之，这项研究提出了一种贫合金设计策略，将相干的纳米级fcc Ti相设计到hcp Ti基体中，其中层状fcc Ti相中的分数为23.5±4.0vol.%，平均宽度为79±39nm，平均长度为1044±346nm。这一设计方法在钛合金开发的可持续性和成本效益方面展现出显著的潜在优势，消除了对钒、钼等昂贵合金元素的需求。它采用低成本的氢化-脱氢钛粉，其成本较气体雾化钛粉降低了至少50%。
此外，印刷后的大块Ti-0.67O合金在高达700°C的温度下表现出优异的热稳定性，这可以从700°C下强度和延展性的显著结合中得到证明。这一特性使其在航空航天、化学加工等应用领域具有广阔的应用前景。这项研究为开发设计经济、可持续的高性能贫钛合金开辟了道路。
