亚稳β钛合金具有高强度、低弹性模量和优异的生物相容性，因此被广泛应用于航空航天工业和生物医疗器械等多个领域。近年来已有关于增材制造制备β钛合金（如Ti–5Al–5Mo–5V-3Cr）的报道。然而，对于亚稳β钛合金而言，材料的制备过程中通常容易出现一种凝固偏析缺陷（即“β斑”）。β斑是β相稳定元素（如Fe,Cr）在凝固过程中偏析从而导致相稳定性发生局部变化的缺陷，这类缺陷不仅对合金的强度有不利影响，也会降低合金的低周疲劳强度和断裂韧性。在传统的制备过程中，通常需要对亚稳β钛合金在高温下进行长时间的均匀化退火以消除β斑，而这显然不适用于增材制造钛合金。

在本研究中，来自澳大利亚昆士兰大学的研究人员提出通过向Ti-3Al-8V-6 Cr-4Mo-4Zr（Beta-C）合金中掺杂微量晶粒细化剂La2O3可以基本消除该合金增材制造过程中的β斑偏析缺陷，并同时使得合金的晶粒等轴化和细化。文中通过分析和数值模型对该现象进行了深入的分析和讨论。相关研究以题为“Towards β-?eck defect free additively manufactured titanium alloys by promoting the columnar to equiaxed transition and grain re?nement”发表在材料学顶刊Acta Materialia上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117511

图1（a-c）和（d-f）分别是纯Beta-C合金以及掺杂La2O3后的Beta-C合金的微观组织及合金元素分布图。从图中可以明显看出，在Beta-C合金内部的枝晶间区域Cr、Zr和Mo元素出现了明显的偏析现象，合金内部生成了大量β斑。而在掺杂晶粒细化剂La2O3后，Cr、Zr和Mo元素在枝晶间区域任然均匀分布，且Beta-C合金内部99.9%的β斑均被消除。

图1Beta-C合金及Beta-C/La2O3合金的微观组织及元素分布图

文中对Beta-C合金及Beta-C/La2O3合金中固溶原子的偏析行为进行了深入分析，通过Clyne和Kurz模型计算得到的凝固路径如图2所示，掺杂少量La2O3后Beta-C合金的凝固路径发生了显著改变。对于纯Beta-C合金，枝晶间存在较大和较宽的液态区域，可能会促进Cr元素在枝晶边界处富集以及柱状晶粒的形成。而对于Beta-C/La2O3合金而言，枝晶间的通道显著减小，因此可以降低β稳定元素的富集并促进等轴晶的形成。

图2通过Clyne和Kurz模型计算得到的凝固路径（a）Beta-C合金；（b）Beta-C/La2O3合金

图3为常用于判断钛合金变形机制及相组成类型的Bo-Md图，其中Beta-C合金及Beta-C/La2O3合金凝固前及凝固后的点已在图中标出。可以看出凝固后Beta-C合金的成分明显更加偏向β钛合金方向，最终导致了β斑的形成。而对于掺杂La2O3的Beta-C合金而言，凝固前后合金Bo-Md位置基本无明显变化，展现出良好的相稳定性。此外，通过对Bo-Md图进行分析，可以看出Cr元素的偏析是β斑形成的主要原因。

图3钛合金的Bo-Md图

总的来说，本文通过实验以及模型验证了掺杂晶粒细化剂对β钛合金增材制造过程中晶粒细化及元素偏析缺陷消除的作用，对增材制造制备β钛合金具有重要指导作用。值得一提的是，除合金成分和晶粒尺寸的影响外，钛合金中β斑形成的因素还与冷速有较大关联，因此可以预测较大冷速的增材制造方法（如SLM）也可以有效抑制β斑的生成。