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鈦合金是一種先進的輕質材料，在許多關鍵應用中不可或缺。鈦工業的支柱是α -β鈦合金，它是通過添加合金來穩定α和β相而制成的。研究者的工作重點是利用兩種最強大的穩定元素和α -β鈦合金的強化劑，氧和鐵，這兩種元素蘊含豐富。

然而，氧的脆化作用(俗稱為“鈦的氪石”)和鐵的微偏析，阻礙了它們的結合，從而無法發展出強韌的α -β 鈦-氧-鐵合金。

在此，來自澳大利亞悉尼大學的Simon P. Ringer &澳大利亞墨爾本皇家理工大學的Ma Qian等研究者將合金設計與增材制造(AM)工藝設計相結合，展示了一系列具有出色拉伸性能的鈦-氧-鐵組合物。相關論文以題為“Strong and ductile titanium–oxygen–iron alloys by additive manufacturing”于2023年05月31日發表在Nature上。

大多數工業用的鈦合金(Ti)，都基于兩種基本相的微觀結構：六方密排(HCP)α和體心立方(BCC)β。由Ti-6Al-4V(除非另有說明，整個合金中的wt%使用)代表的α-β Ti合金是鈦產業的基礎。

它們可以形成包括(1)具有近乎博格斯方向關系的層狀α-β結構、(2)等角α和β或(3)在α-β層狀中為球形的α的結構。每種微觀結構都有優點和缺點，使得α-β Ti合金在各種工業應用中都具有多樣性。其中，層狀α-β微觀結構被廣泛應用。

α-β Ti合金，是通過將Ti與α相和β相穩定劑合金化而形成的。α相穩定劑僅限于Al、N、O、C、Ga和Ge,其中N和C是嚴格控制的雜質(0.05% N,0.08% C),而Ga和Ge則不具有商業可行性。因此，除了Al和O之外，沒有其他實際可行的選擇。

值得注意的是，在(1)通過大約20倍的計算結果增強α相，(2)通過大約10倍的計算結果穩定α相以及(3)通過超過40倍的計算結果(10.8與0.26相比)限制β晶粒生長方面，O優于Al。然而，這些屬性在α-β Ti合金的開發中仍未得到充分利用。

在Ti中，O作為主要的α相穩定劑存在問題，因為它在變形過程中與位錯有很強的相互作用。此外，O改變了相平衡，促進了形成易脆的α₂相(Ti₃Al)。這些限制導致了以下經驗設計規則：Al + 10(O + C + 2N) + 1/3Sn + 1/6Zr < 9.0%。

對于Ti-6Al-4V,這個設計規則要求0.05% N和0.08% C下的O含量小于0.12%，后來放松到Grade 23 Ti-6Al-4V和Grade 5 Ti-6Al-4V下的O含量分別為0.13%和0.20%。遵循該規則，較低的Al含量允許更高的O含量。

實際上，最新的工業α-β Ti合金ATI 425(Ti-4.5Al-3V-1.8Fe-0.3O)，由于其較低的Al含量而允許最大O含量為0.3%，而上述經驗規則最多接受0.31% O。如果不包括Al,則該規則允許的最大O含量為0.72%。

除了O以外，Ti中β相穩定劑的選擇還有更多選項，其中Fe是最有效和最經濟的。此外，Fe是第二輕的β相穩定劑。然而，它的使用受到在鑄錠凝固過程中形成Fe穩定β斑點(大小可達幾厘米)的限制，這可以顯著影響力學性能。

因此，Fe的使用通常限于ATI 425和Ti-10V-2Fe-3Al等工業Ti合金中約2%的含量。

盡管如此，上述的O和Fe(≤2%)的優點，曾經吸引了大量的努力來開發α-β Ti-O-Fe合金作為Ti-6Al-4V的替代品。當時特別有動力的是提高在鑄錠斷裂熱加工操作中的可加工性和表面光潔度。

這些努力取得了成功的結果，但研究的兩種合金結果參差不齊，分別是Ti-0.35O-1Fe-0.01N和Ti-0.3O-1Fe-0.04N。這兩種合金在熱加工和退火條件下具有與Ti-6Al-4V相當的拉伸性能，但在鑄造條件下具有較低的抗拉強度(600-700 MPa)和延展性(2-3%)。

在這里，研究者將合金設計與增材制造(AM)工藝設計相結合，展示了一系列具有出色拉伸性能的鈦-氧-鐵組合物。研究者使用各種表征技術解釋了這些性質的原子尺度起源。氧氣和鐵的高豐度以及AM制造過程的簡單性使其成為具有廣泛應用前景的α-β鈦-氧-鐵合金。

此外，它們為利用工業廢料海綿鈦或海綿鈦-氧-鐵提供了希望，目前這些廢料是工業生產的副產品。減少能源密集型海綿鈦生產的碳足跡的經濟和環境潛力是巨大的。

圖1. DED打印 Ti-O-Fe合金的微觀結構

圖2. 在不改變加工條件的情況下，通過改變合金成分，研究了DED打印Ti-O-Fe合金的室溫拉伸性能

圖3. DED打印α -β Ti-O-Fe合金中O和Fe原子的分布

圖4. α -β Ti-O-Fe合金BCC (β)和HCP (α)相中Fe和O原子分布的DFT模擬

綜上所述，這些強韌的Ti-O-Fe合金在室溫下具有廣泛的潛在應用。此外，海綿鋯(Zr)以相同的方式生產，因此使用廢料海綿鋯開發強韌的Zr-O-Fe合金也是可行的。此外，這項工作為未來的AM異質體工程提供了潛在途徑，例如減輕Ti和Zr的氮脆性和其他金屬的氧脆性。

文獻信息

Song, T., Chen, Z., Cui, X.?et al.?Strong and ductile titanium–oxygen–iron alloys by additive manufacturing.?Nature?618, 63–68 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05952-6

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05952-6

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