陈子斌教授团队《Acta Materialia》：增材制造高强度、高塑性异质多梯度TiAl合金

　　导读：在合金材料中实现强度与延展性的兼顾一直是材料科学领域的难题，尤其是传统工艺往往面临两者难以同时提升的困境。为此，香港理工大学陈子斌教授团队提出了一种创新的结构设计策略：通过在增材制造过程中实时调控铝元素浓度，成功制备出新型异质多梯度α-TiAl合金。实验结果显示，与传统均质Ti合金（屈服强度440 MPa，断裂伸长率37.6%）以及均质Ti-10Al合金（屈服强度910 MPa，断裂伸长率6.1%）相比，此异质多梯度α-TiAl合金不仅屈服强度显著提升（760 MPa），而且延展性几乎没有显著下降（断裂伸长率33.4%）。进一步的实验分析揭示，铝元素在不同打印层的扩散形成了独特的多梯度结构，有效地抑制了层间裂纹的产生，同时实现了多梯度应变的协同效应。这些发现不仅为α-Ti合金机械性能的显著提升提供了新途径，也为其他合金系统的开发带来了新的可能性。

　　α-Ti主要与α稳定元素（如O、N和Al）相关，具有优异的焊接性、显著的缺口韧性、优异的比强度和良好的延展性（超过20%），特别适用于对延展性要求极高的应用场景。然而，这种高延展性主要存在于非合金化或低合金化的α-Ti中，而这些材料的强度仍然较低。为了满足更高强度的需求，通常需要加入适量的α稳定元素，但这往往会大幅降低延展性，形成“强度-延展性”权衡困境。现有文献表明，微量氧或铝的加入虽能提升强度，但会显著降低延展性，甚至下降高达200%。因此，如何在不显著降低延展性的情况下提升α-Ti的强度，仍然是材料科学领域的重要挑战。

　　近年来，异质结构材料的发展为解决这一难题提供了新的思路。通过巧妙设计的微结构可以同时提升强度和延展性。例如，Li等人通过退火和热压技术制备出具有粗大晶粒和细小晶粒交替出现的异质结构纯钛，展现了明显的强度提升及良好的延展性。然而，传统方法在制造异质结构时仍存在固有缺陷，如加工时间长、成本高，以及在复杂几何形状和精确元素调控上的局限性。

　　为应对这些挑战，增材制造技术成为一种前沿解决方案。通过实时调控元素浓度，可以制备出具有异质结构的近净成型样品。尽管已有相关研究证明了这一技术的可行性，但仍面临强度提升有限、延展性显著下降等挑战，同时还需解决因热膨胀系数、弹性模量和屈服强度差异而导致的界面脆化或开裂问题。

　　基于上述问题，香港理工大学陈子斌教授团队提出在α-Ti合金中实时调控铝含量，设计一种元素平滑过渡的异质多梯度结构，主要原因包括：1.室温下铝在钛中的高溶解度可以降低不良金属间化合物的形成；2.铝在钛中的显著扩散可提供跨层平滑过渡，防止热膨胀系数或弹性模量变化过大导致的分层现象；3.铝在钛中的强化效应已被证实，可能赋予异质结构合金高强度。

　　在这项研究中，香港理工大学陈子斌教授团队开发了一种多梯度α-Ti/Ti-10Al结构，结合了接近于高强度Ti-10Al合金的强度和接近纯钛的延展性。通过先进的表征手段揭示了这一独特性能背后的机制。值得注意的是，在增材制造过程中观察到铝元素的显著扩散，形成了具有独特成分梯度和结构梯度的异质多梯度结构。这种结构在变形过程中产生了梯度应变效应，有效增加了加工硬化，抑制了裂纹的产生与扩展，从而实现了强度与延展性的同步提升。这项创新的结构设计策略为制造兼具高强度与优良延展性的钛合金提供了有前景的解决方案，也为解决其他合金系统中的强度-延展性平衡难题带来了新思路。相关研究成果以“Exceptional strength and ductility in heterogeneous multi-gradient TiAl alloys through additive manufacturing”发表在Acta Materialia上。

　　论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645424007456

图1所示。LENSTM工艺制备均质Ti、均质TiAl和异质TiAl样品的示意图。（a）LENSTM打印工艺流程图。（b）均质合金的连续层打印策略。（c）异质TiAl合金的打印策略。（d1-d3）均质Ti、均质TiAl和异质TiAl样品的截面光学显微图（OM图），显示样品内部几乎没有孔隙。

图2所示。粉末及打印样品的物相组成。（a）CP-Ti粉末和预合金化Ti-54Al粉末的XRD图谱。（b）平行打印方向横截面上均质Ti、均质TiAl及异质TiAl样品的XRD图谱。

图3所示。均质Ti、均质TiAl及异质TiAl样品在室温下的机械性能对比。(a)工程应力-应变曲线。(b)本研究制备样品的屈服强度与总伸长率与其他已报道的高强度α-Ti合金对比，包括SLM CP-Ti、SLM HDH-Ti、SLM TiNX、DED CP-Ti和PM TiAlx。

图4所示。沿打印方向的显微硬度分布。

图5所示。原位DIC可视化展示不同宏观应变阶段下沿加载方向的应变分布。(a)异质TiAl合金的应力-应变曲线。(b,c)初始阶段（阶段I），应变局域化迹象较少。(d,e)中间阶段（阶段II），应变局域化分布开始显现。(f)随后发展阶段（阶段III），应变局域化进一步增强。(g,h)进阶阶段（阶段IV），广泛的应变局域化从TiAl层过渡到相邻Ti区域。(i)末期阶段（阶段V），捕捉到全面扩展的应变局域化，最终导致样品断裂。

图6所示。SEM显微结构分析，均质Ti、均质TiAl及异质TiAl样品的微观结构观察。(a1,a2)均质Ti的微观结构。(b1,b2)均质TiAl在低倍和高倍下的详细微观结构。(c1)异质TiAl样品的整体微观结构和元素分布，附带的EDS线扫描图显示了从TiAl层到相邻Ti区域的Al和Ti浓度渐变。(c2)Ti层的放大图像，显示主要为板条状和片状晶粒结构。(c3)TiAl层在高倍放大下的微观结构，以网篮状晶粒形态为主。

图7所示。EPMA可视化异质TiAl样品沿打印方向横截面的元素分布。(a)二次电子成像。(b,c)相同区域的元素分布图，分别展示了Al和Ti的空间分布和含量。

图8所示。LENSTM制造的异质TiAl样品的原位EBSD分析结果。(a1)与打印方向平行的横截面概览，展示Ti和TiAl层的整体结构布局。(a2)GND图，显示Ti和TiAl层间的位错密度分布。(a3)Ti和TiAl层内晶粒尺寸分布的统计分析。(a4)GND密度在Ti层和TiAl层的分布直方图。(b1,c1)晶体结构分析，分别展示8%应变和断裂时的微观结构演变。(b2,c2)对应的GND图，追踪不同应变阶段（8%应变和断裂时）GND密度的变化，红色虚线标示出高密度GND的区域。(b3,c3)8%应变和断裂时的晶粒尺寸分布统计分析。(b4,c4)8%应变和断裂时的GND密度分布直方图。

图9所示。异质TiAl样品中Ti层的原位EBSD分析结果。(a1-a3)晶体结构分析显示Ti层在不同应变水平下的微观结构演变，随应变增加可见明显的晶粒细化：初始状态(a1)、8%应变(a2)以及断裂状态(a3)。(b1-b3)各应变状态下的GND图，显示位错密度的逐渐增加及其在细化晶粒中的传播情况：初始状态(b1)、8%应变(b2)以及断裂状态(b3)。

图10所示。LENSTM制造的异质TiAl合金中缺铝区和富铝区的TEM特征。(a,b)TEM图像展示缺铝区域的薄片状和板条状晶粒结构，红色虚线标示板条晶粒的晶界。(c)缺铝区域的HRTEM图像及其快速傅里叶变换（FFT）图。(d)典型的STEM图像，显示富铝区与缺铝区之间的界面，白色虚线区分了层状与篮织晶粒结构。(e)TEM图像显示富铝区主要的网篮状晶粒特征。(f)富铝区的HRTEM图像及其FFT插图。

图11所示。断裂后异质TiAl样品中缺铝区和富铝区的TEM特征。(a)明场TEM（BF-TEM）图像展示了断裂后缺铝区板条晶粒内部的微观结构演变。黄色箭头标示高位错密度特征，紫色虚线圈出位错单元。(b)断裂后缺铝区的HRTEM图像。插图为经过与反射遮蔽处理的IFFT图像，显示位错存在。(c)明场TEM图像展示断裂后富铝区的微观结构。蓝色箭头指示细小的网篮状晶粒，绿色箭头指示位错密度高的区域。(d)富铝区断裂部位的HRTEM图像。插图为经过与)反射遮蔽处理的IFFT图像，显示位错分布。

图12所示。异质多梯度结构演变的示意图。(a)LENSTM软件获得的增材制造（AM）过程中熔池温度剖面图。(b)AM过程中熔池内温度差引起的铝元素梯度和马朗哥尼力效应。(c)整个AM过程中的铝元素从TiAl层向邻近Ti层扩散的详细示意图。(d)不同铝浓度对应的微观结构转变。

图13所示。异质多梯度TiAl合金逐步变形阶段的示意图。(a1)初始变形阶段，展示合金在最早期应变时的形态。绿色箭头表示变形方向，垂直的蓝色箭头表示铝梯度。(a2)多梯度结构的示意图，突显铝浓度渐变引起的微观结构转变：从细小的网篮状晶粒逐渐演变为较粗的板条晶粒，铝浓度随之降低。(b1)第二阶段应变增加时的描述，红色“T”符号表示位错与位错单元。蓝色箭头表示梯度应力分布方向的变化。(b2)梯度应力分布示意图，展示拉伸应力与缺铝区的压缩应力之间的相互作用。(c1)第三和第四阶段的微观结构示意图，缺铝区在高应变下出现位错包，并逐渐演变为高角度/低角度晶界（以虚线表示），并伴随显著的晶粒细化和高GND密度。(c2)延展性补偿机制示意图，白色标示的裂纹受到邻近层的限制。(d1)断裂前阶段，展示合金即将断裂的状态。Ti-Al层之间的应力集中区相互连接。红色区域表示缺铝区的应变局域化带贯穿整个区域。(d2)后期形成的缺陷通道示意图，展示断裂前通过晶粒细化和GND聚集形成的路径和结构。

图14所示。均质Ti、均质TiAl及异质TiAl合金的真应力-应变曲线及对应的应变硬化率曲线。

图15所示。均质Ti、均质TiAl及异质TiAl样品的断裂表面观察。(a1,a2)均质Ti的断裂表面，红色箭头突出显示均匀的凹坑特征。(b1,b2)均质TiAl的断裂形貌，黄色虚线表示特有的阶梯状特征，黄色箭头指示显著的劈裂面。(c1,c2)异质TiAl样品的断裂形貌，红色箭头指示缺铝区域的浅凹坑，黄色箭头突出富铝区域的劈裂面。EDS线扫描展示了从浅凹坑区域到裂纹主导区域的铝浓度梯度。

　　本研究的主要结论如下：

1.制备的异质多梯度Ti/Ti-10Al合金展示了优异的强度与延展性组合，其屈服强度约为760 MPa，断裂应变约为33.4%。相比之下，均质Ti合金的屈服强度和断裂应变分别为约440 MPa和37.6%。异质TiAl合金的屈服强度提高了近70%，而延展性几乎没有显著变化。此外，与均质TiAl合金（屈服强度910 MPa，断裂应变6.1%）相比，延展性提升了近六倍，强度仅有轻微下降。

2.增材制造过程中引发的马朗哥尼效应及铝向Ti层的扩散，促成了有序的异质多梯度结构。这导致了Al浓度的受控变化，从而诱发晶粒形态和固溶体梯度的形成，沿建构方向从TiAl层延伸至相邻的Ti层。

3.在异质多梯度TiAl合金中，Ti/Ti-Al层间固有的微观结构和机械性能差异，有助于变形过程中梯度应力的分布，增强应变硬化效应。同时，较软的Ti层能够补偿延展性，有效抑制Ti-Al层内裂纹的产生与扩展。梯度应力分布与延展性补偿的协同作用显著提升了材料的强度和延展性。

4.这种新颖的强化策略不仅可以以经济可行的方式拓展α-Ti合金的潜在应用，还能为一系列合金体系带来新的发展前景。尤其适用于当强化元素在基体中具有显著溶解性，且会明显损害合金固有延展性的情况。