开发液氢动力航空航天器，乘客飞机和汽车是最有前途的战略之一减少碳排放并解决能源危机。特别是液氢燃料最有能力取代传统燃料，如汽油和柴油。在 20 K 下运行，轻质金属部件具有出色的性能在高达 20 K 的超低温下的机械性能是必需。由于低密度的显着优势，低温金属材料中最高的比强度和刚度，钛合金已成为理想的航空航天低温结构材料，并已在液体燃料火箭发动机中得到应用。

因此，开发一种面向高能电子束添加剂的新型低温近α钛合金制造将具有巨大的科学价值和实用意义。对此，东北大学牛红志教授团队采用微量钇（Y）改性Ti− 3Al− 3Mo− 3Zr合金（WT%）被选用于低温组件的EB-PBF AM。罕见的选择土元素Y是因为其在EB-PBF过程中通过原位氧化反应具有很强的除氧能力。液氢火箭发动机的泵叶轮被选为演示器评估EB-PBF成形性的目的。采用不同的退火处理来定制PBF构建的显微组织实现了极强的的低温性能，特别是在77K和20 K下具有非常有前途的优越延展性。这微观结构特性与拉伸性能的相关性超低温和底层强化和增韧详细研究了机制。该样品由粗柱状层状菌落组成，断裂伸长率（EI）在20 K时高达20.0%，在77 K时高达29.0%，而强度不会明显降低。极具前途的低温延展性归因于大规模孪晶，有效降低了局部应力集中和增强了硬化强度。相比之下，细α钛板条的交织结构受到强烈阻碍位错滑动/转移和双胞胎成长，导致超高的极限抗拉强度（UTS）在20 K时高达1500 MPa，不过中等EI≦13.5%。柱状层状菌落占主导地位的样本在77 K时主要由基底和棱柱形滑移以及棱柱形和金字塔形滑移加到20 K时变形。

相关研究以“Achieving highly promising strength-ductility synergy of powder bed fusion additively manufactured titanium alloy components at ultra-low temperatures”为题发表在Additive Manufacturing上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221486042300057X

图 1

图1所示。（a）预合金粉末的形态和粒度分布，（b）电子束扫描策略，（c）PBF制造的液氢泵叶轮以及（d）同一批次的其他样品。

图 4

图4，本PBF制造的合金的拉伸性能随温度的变化。（a） 和 （b） 拉伸工程应力− 应变曲线分别为 77 和 20 K，（c） 一个 950 退火拉伸断裂样品，在 20 K 处进行多次颈缩，（d） 和 （e） 拉伸真应力 − 真应变曲线与相应的加工硬化速率曲线分别为 77 K 和 20 K，其中交点表示均匀变形的结束。

 图 5

图5，（a）本PBF构建样品在不同温度下的拉伸性能总结，以及（b）主电流拉伸性能的比较20 K的低温金属材料。

 图 6

图 8

图8. 识别在 77 K 下应变至 10.0% 的 950 退火样品的滑移平面迹线。（a） 所有欧拉图叠加有双边界，（b）已识别的滑移平面痕迹，（c）{1010}PF证明层状菌落І中已识别的棱柱形滑移。 

图 9

图9. .识别在 20 K 下应变至 10.0% 的 950 退火样品的表面滑移平面迹线。（a） 全欧拉图，（b） 重建的 IPF 图母体β-Ti晶粒，（c）鉴定的滑移平面迹线，（0001）和{1011} α-Ti的PFs分别证明了层状中基底滑移面和棱柱滑移面菌落І，（e）α-Ti的晶胞，展示了菌落II中α-Ti的方向和激活的棱柱形滑移系统。

图 10

图10. .施密德因子（SF）分布图和同一EBSD测量区域内α-Ti的单个滑移和孪生系统的统计平均值。在图中。9. 每张地图上叠加了< 1120>85◦的孪生边界，由黑线和不同菌落的SF值标记。请注意，白色区域表示β-Ti矩阵。

图 11

图11. .GND分布图和GND密度的统计平均值。（a） 在77 K下测试的热等静压样品，（b） 在77 K下测试的910退火样品，（c）和（d）分别在77K和20K下测试了950个退火样品。

图 12

图12.（a）和（b）910退火样品和（c）-（f）在20 K下变形的950退火样品中位错和双胞胎的TEM明场图像。α-Ti 双胞胎尖端的位错形态，在 g= （0002） 处采集，（b） α/β 界面处堆积和纠结的位错，（c） 一个< 1120 > 85◦ 双胞胎平行层状界面，（D）-（F）在菌落边界包含1120>85◦双胞胎<同一区域的位错形态，在z = [1120]，g = （0002）和g = （1100） 分别。

综上所述，在这项研究中，首先采用EB-PBF增材制造来开发面向液氢泵的低温钛合金

叶轮。低温拉伸性能、变形机理和系统研究了EB-PBF构建的近α钛合金Ti− 3Al− 3Mo− 3Zr− 0.2Y的低温增韧行为。

主要结论概述如下。

（1）首次通过实验证明添加剂通过EB-PBF制造是可行的，用来制造几何形状复杂的低温钛合金部件，在 20 K 时具有非常强的延展性。

（2）EB-PBF构建的钛合金由柱状层状菌落组成，表现出优异的断裂伸长率（EI），最高可达20 K 时的延展性为 20.0%，77 K 时的延展性为 29.0%。20 K的合金远高于目前主流的锻造和PM钛合金，而不会牺牲太多力量很大。

（3） EB-PBF制造的合金，在温度降低至 20 K 时会产生导电的激活层状菌落中的锥体滑移和大规模{1012}和{1121}型。

（4）EB-PBF构建的柱状层状菌落钛合金是建议在 20 K 下实现理想的高延展性。

（5）在77K和20 K处的显着加强本质上是归因于由临界分离剪切应力（CRSS）的快速增加。