近日，澳洲皇家墨尔本理工大学校长特聘研究员宋廷廷所在的马前教授（Distinguished Professor）团队与悉尼大学西蒙·林格（Simon Ringer）教授团队合作，通过契合钛合金设计和3D 印工艺设计，成功制备了一类新型高性能钛-氧-铁（Ti-O-Fe）合金。

      日前，相关论文以《3D打印高强度高塑性新型Ti-O-Fe合金》（Strong and ductile titanium-oxygen-iron alloys by additive manufacturing）为题发表于 Nature 上。

 以低成本原材料制备新型钛合金

研究团队通过使用“定向能量沉积”的增材制造技术，成功制备了这种Ti-O-Fe合金。通过改变两种相对廉价、甚至能免费获取的合金元素（Fe 和 O）在Ti合金中的比例，Ti-O-Fe合金拥有了与Ti-6Al-4V 合金相媲美的延展性，然而其强度却更加高。这些新型高性能Ti-O-Fe合金有望获得多方面的应用，包括在航空航天、生物医学、化学工程、空间和能源技术等领域。

图1激光粉末沉积钛合金打印窗口（c 中绿区）和激光粉末沉积打印态 Ti-O-Fe 合金的微观结构 （详见论文图例解释）。d–g 的比例尺是一百微米，h–k 的比例尺是一微米

图2 激光粉末沉积3D打印态Ti-O-Fe合金室温下的拉伸力学性能（合金成分改变，3D 打印工艺不变）

合金设计的初衷充分考虑了“少就是多”（即低合金化）和循环经济的思想，即考虑到后续会利用铁、氧超标的等级外的海绵钛、来自3D打印循环过程中高氧含量的剩余钛粉或其它途径的高氧含量的钛粉，以及用氧量高的加工“废料”为原材料, 来制备这类新型钛合金。

此外，由氧所引发的脆性问题，发生在钛合金身上，也见诸于其他金属和合金，比如铌、钼、以及锆。如何解决或降低由此类间隙元素造成的脆性问题是物理冶金上一个挑战。

该高延展性、高强度Ti-O-Fe工作对该挑战有一定的启发性，即可以考虑通过合金设计的方法，引入一个能够“笑纳”氧或其它间隙元素的第二组成相，再结合第一性原理计算来预测间隙元素的分布。同时，施以量身裁体的 3D 打印工艺，就有希望针对由氧元素或类似间隙元素引起的脆性问题提供有效解决方案。

对于钛合金来说，在α相钛晶体的稳定和强化上，氮的能力比氧还要出色。同时，氮很容易让钛变脆，因此钛合金中的氮含量必须受到严格控制（<0.05%）。而借助本次研究所展示的思路，则有望造出基于3D打印的高性能Ti-N-Fe合金。另外，海绵锆与海绵钛的生产思路是一致的。因此，适用于钛合金的概念，理论上也有望用于锆合金。

另外，他们还使用尖端技术来表征这一合金，例如使用三维原子探针技术，详细探索了3D打印态Ti-O-Fe合金中的元素分布情况，精度可以达到原子级。

图3 激光粉末沉积 3D 打印态 Ti-O-Fe 合金中 Fe 原子和O原子的分布

 如何高效利用高氧钛粉？

据介绍，钛合金是一种轻质高强金属结构材料。α-β 双相钛合金是钛工业的主干材料，占据钛合金应用市场的半壁江山（α 相钛和 β 相钛，都是钛作为金属晶体存在的一种方式，各自对应着特定的原子排列方式）。自 20 世纪 50 年代以来，该类钛合金的生产主要通过向钛金属中添加铝和钒来实现。其中，铝被用于稳定和强化 α 相钛，钒则被用于稳定和强化 β 相钛。

氧和铁是两种储量丰富、价格低廉的元素，它们分别可以稳定和强化α相钛和β相钛。氧稳定α相钛的能力大约是铝的10倍；而铁稳定β相钛的能力大概是钒的4倍。

然而，氧被广泛称为“钛的克星”，原因在于，如果超过一个低的临界值含量，氧会极速增加钛合金的脆性。

铁虽然是最强的β相钛稳定化元素，但是，当把2%左右的铁作为主要的β 相钛稳定化元素加入钛合金之后，在通常的凝固条件下往往会形成难以消除的块状β斑，这会严重影响组织的均匀性，进而对钛合金性能造成诸多不利影响。

因此，利用传统制造工艺制备高性能α-β双相Ti-O-Fe合金严重受制于上述两个因素。

从原材料角度看，自20世纪40年代钛工业诞生以来，海绵钛金属的生产通常使用高能耗的克劳尔（Kroll）工艺。在这种工艺里，大约有5%-10%的海绵钛存在铁超标或氧超标的情况，属于低等级或等级外海绵钛产品，无法用来生产高性能钛合金。

假如能把这些低等级或等级外海绵钛转化为高性能的钛合金，必将带来重要的经济价值和减排效应。

此外，氧和钛具有非常强的结合能力。低氧钛粉在3D打印循环过程中，随着循环次数的增加，剩余钛粉的氧含量会逐渐增加进而可能超标。

而且，在非球形钛粉的生产工艺中，一部分钛粉不可避免会含有较高的氧含量。目前对这些高氧钛粉的有效再利用一直是一个难题。本研究也为解决这一难题提供了一个新的途径。

论文引用信息：

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 

(责任编辑：admin)

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