导读：钛合金广泛用于航空航天、汽车和能源领域，需要复杂的铸造和热机械加工才能达到承重应用所需的高强度。在此，本文利用增材制造的热循环和快速凝固来制造超强和热稳定的钛合金，这些钛合金可以直接投入使用。正如在商业钛合金中所证明的那样，经过简单的后热处理，可实现超过1,600MPa的拉伸强度和足够伸长率。其优异的性能归因于致密、稳定和内部孪晶纳米沉淀物的异常形成，这在传统加工的钛合金中很少观察到。这些纳米孪晶沉淀物显示出源自具有主要螺旋特征的高密度位错，并由增材制造工艺形成。本研究为制造具有独特微观结构和优异性的结构材料铺平了道路，以便于广泛应用。

轻松生产既坚固又轻便的复杂形状的金属部件是许多制造业的最终目标。增材制造 (AM) 是一种支持技术，提供了几乎可以制造任何几何零件的设计自由度。因此，增材制造正在引领多个行业的金属制造新时代，包括航空航天、汽车、生物医学和能源行业。由于增材制造提供的许多优势，钛合金目前是航空航天工业中领先的增材制造金属部件。钛合金比铝合金更坚固，比钢更轻，可以提高能源效率。此外，与使用传统制造工艺实现的 10:1 至 40:1 相比，增材制造钛部件的购买与飞行比率（即起始重量与最终重量的比率）可以更接近 1:1。然而，与传统生产的钛部件相比，目前工业中使用的AM钛产品的数量仍然有限。一个主要问题是，大多数由增材制造 制成的市售钛合金在许多结构应用中都没有令人满意的性能，尤其是它们在室温下的强度不足和在承载条件下的高温下。迄今为止，对钛合金中形成的 as-增材制造 微观结构的了解有限，钛合金通常包含高位错密度、元素偏析和独特的凝固结构。对这些微观结构的基本了解最终将允许对组件进行剪裁，以实现传统加工无法获得的综合性能。

钛合金一般分为三类：α（六方密排结构）、β（体心立方结构）和α+β。大多数钛合金，特别是α+β-和β-基团，都是通过固溶沉淀强化的，这一直是上个世纪强化工程合金最有效的方法之一。为此，控制析出物的形状、尺寸和分布以抵抗位错运动一直是实现高强度的关键策略。当纳米沉淀物被引入金属时，这种策略已被证明特别有效，因为它们具有同时充当位错障碍和来源的独特作用。在不损失延展性的情况下进行强化的另一种方案是致密孪晶边界 (TB) 的纳米晶粒。低能TB可有效阻碍和传输位错，以提供出色的强度和良好的延展性。这已经在具有面心立方结构的纯铜和钢中实现，最近在使用低温锻造的具有六方密堆积结构的纯钛中得到了证明。通常，在金属中创建完全纳米孪晶的微结构具有挑战性，并且需要不易缩放的复杂方法，例如电沉积、溅射或严重的塑性变形。即便如此，包含大量纳米孪晶的组件通常也具有有限的尺寸、形状和热稳定性。

在此，由澳大利亚蒙纳士大学增材制造中心黄爱军教授、朱玉满高级研究员领导的研究人员联合上海理工大学、中科院金属所、澳大利亚国立大学、澳大利亚迪肯大学以及美国俄亥俄州立大学利用 3D 打印技术大幅提升现有商用钛合金（BetaC合金，国内牌号TB9）的强度，使其具有现有所有 3D 打印金属中最高的比强度，证明了钛合金可以利用 AM 固有的热循环和快速冷却来实现迄今为止尚未报道的独特的纳米沉淀微观结构。且沉淀物本身是纳米孪晶的，平均孪晶厚度小于 10 nm。致密的内部孪晶纳米沉淀产生前所未有的强度并保持良好的延展性。相关研究成果以题“Ultrastrong nanotwinned titanium alloys through additive manufacturing”发表在国际顶刊nature materials上。

链接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01359-2

熔化和沉积 β-钛合金 (Beta-C, Ti-3.63Al8.03V-6.02Cr 4.03Mo-4.00Zr (wt%)，一种商业钛合金）粉末以逐层的方式。然后，LPBF试样在两种不同的温度下进行直接热处理。测量了竣工样品和热处理后样品的拉伸应力-应变曲线。图 1a 中提供了作为屈服强度和极限抗拉强度 (UTS) 函数的伸长率。从曲线中可以看出，在480和520°C下热处理的样品显示出出乎意料的高强度水平，相对于完工样品提高了 50-70%。特别是，经过480 °C后热处理后的UTS达到了1611 MPa的非常高的水平（抗压强度超过 2,200 MPa；并保持了 5.4% 的良好均匀伸长率。据我们所知，这种强度高于迄今为止由 AM 制造的所有钛合金（图 1b）。如果我们进一步考虑材料的重量，LPBF生产的这种β-钛合金的比强度远高于大多数由AM制造的钢、铝合金和镍基高温合金（图1b）。图 1a 所示的结果还表明，这种合金的强度和延展性可以通过调整热处理方案来调整：较低的温度导致更高的强度，而较高的温度导致相对更好的延伸率。

图1 由 LPBF 和后热处理生产的商用 Beta-C 钛合金的拉伸机械响应。a，在 480℃/6 h 和 520℃/3 h 下，竣工和热处理后样品的工程应力-应变曲线。b，LPBF Beta-C 合金在后热处理后的比强度和均匀伸长率(UE)之间的相关性，并与 AM 制造的其他高强度钛合金、钢、铝和镍基高温合金进行比较。

图2 LPBF 竣工和后热处理 Beta-C 钛合金的微观结构。a，BF TEM 图像显示了在建成的微观结构中的致密位错。图像是在 {} 双光束条件下在<110>β 附近拍摄的。b，XRD光谱证实了在制造和热处理的微结构中存在的相。c，HAADF-STEM 图像显示热处理后的微结构中有致密的 α-沉淀物 (480 °C/6 h)。图像中的黄色虚线表示不存在典型 GB α 相的β基体GB的迹线。电子束平行于β晶粒顶部的<100>β。

图3 后热处理 (480 °C/6 h) 后，LPBF 微观结构中的纳米孪晶 α-沉淀物。a-c，BF-STEM 图像显示沿 α-沉淀物中存在的三个方向取向的高密度薄片对比度。观察方向平行于<111>β 或 {}α。d，来自a中局部区域的原子尺度HAADF-STEM图像，显示具有{}α-孪晶关系的三个α-变体。TB由黄色虚线表示，而每个晶粒中的基面用白线表示。双胞胎某些边缘的基底锥体和 {}α TBs 用红色虚线表示。e，示意图显示了由它们的晶胞表示的 β 相和 {}α α-孪晶变体之间的Burgers OR。投影方向为<111>β或<>α。f，原子分辨率的 HAADF-STEM 图像，显示 {}α TB 中的周期性溶质偏析。图像中的每个亮点表示富含 Mo/Zr 的原子柱。插图中的原子柱强度分布显示了两个相邻亮点（5.5）与 TB 上的亮点及其左侧相对较暗的点（2.5）之间的距离。

图4 密螺旋位错周围纳米孪晶沉淀的MD模拟。a，1/2<111>β型螺位错排列在纯β 模拟晶胞中。b，当在 600 K 对超晶胞施加三维拉伸应力时，观察到三种 α-沉淀变体优选从位错线的不同位置的三个 {10}β 平面成核。c-e，这些 α- 随着加热时间为 37.5 ps (c)、52.5 ps (d) 和 67.5 ps (e)，沉淀变体逐渐生长。三个α-变体分别用黄色、红色和蓝色表示。

总之，通过增材制造可以通过形成高密度内部孪晶纳米沉淀物来实现超强钛合金。尽管在纯金属中实现致密的纳米孪晶可以导致异常高的强度和足够的延展性，但以前在任何合金中都没有报道过这种内部孪晶纳米沉淀物。这里的工作表明，可以利用增材制造 固有的热循环和快速凝固来操纵独特的沉淀微观结构，以获得卓越的机械性能。值得注意的是，这已在可对工业应用产生直接影响的商业钛合金中实现。此外，通过 AM 后热处理获得的微观结构被证明在服务应用的热和应力环境下是稳定的。这项工作的发现有望对物理冶金领域的强化和位错工程原理产生根本性的见解。