研究背景
钛镍合金因其弹性模量低、超弹性性能优越、抗磨耐腐蚀能力好，在生物医用材料中得到广泛应用。然而，镍具有较差的生物相容性，因此，开发不含Ni的Ti基超弹性合金具有相当大的意义，TiNb合金就是候选材料之一。
由于人口老龄化日益加剧导致对复杂结构定制植入物的需求激增，铸造和锻造等传统技术已不再可取。而增材制造允许逐层生产定制植入物，近年来引起了广泛关，其中激光金属沉积(Laser metal deposition, LMD)是一种同轴补粉增材制造方法，能够生产出结构复杂的高附加值产品。
激光增材制造的工艺参数是决定合金显微组织和性能的关键因素。另一方面，根据已有研究，使用成本更低的粉末混合物而非预合金化粉末作为原料，也可以实现类似合金化粉末制备的性能。为了利用粉末混合物所提供的低成本和灵活性，
需要全面了解扫描速度与微观结构演变之间的关系。
论文工作
在本工作中，使用Ti粉和Nb粉混合粉末，在不同的扫描速度下，用激光金属沉积（LMD）原位制备了Ti-23Nb (at%)试样。分析了激光扫描速度对微观组织演变的影响，并研究了相关的摩擦学和腐蚀行为。
表征方法
本论文采用了XRD、SEM、EBSD和TEM来对合金微观结构进行表征。
对制备得到的Ti-23Nb样品进行XRD测试，如下图，可以看出，试样以β相为主，随着扫描速度的增加，α′′相增多，说明在加工过程中，β相部分分解为α′′相。
为了研究不同扫描速度对试样表面形貌的影响，在SEM和OM下观察如下图。随着扫描速度的增加，表面变得更加光滑，表面上的球化颗粒减少。在所有样品中都可以观察到气孔缺陷，这意味着扫描速度对其存在的影响有限。在所有试样中均能明显观察到未熔化的Nb颗粒，且未熔化Nb颗粒的体积分数
随扫描速度的增加而增加。
想要了解材料的晶粒取向信息，可以进行EBSD测试，如下图。图b、e、f为KAM图，反应样品的应变分布情况，可见低扫描速度的试样(1.6 mm/s)显示出相对较高的内部应变。图a、d、g是IPF分布图，可见。随着扫描速度的增加，平均晶粒尺寸减小。在所有试样中均存在与未熔化Nb颗粒相对应的多个富应变区。
在SEM下观察晶界，如下图，可见在三种扫描速度下，试样的晶界角均接近120°，界面能较低。但是扫描速度高的样品的晶界呈现明显的曲率，扫描速度越慢，则晶界越直，此外，颗粒内针状物α′′相的数量也有所减少，这与XRD结果一致。
为了进一步验证α′′和β相的物相转变，下图给出了2.0 mm/s下试样的TEM结果。从图a的明场像中可以清晰看到呈120°夹角的晶界。从选区电子衍射图可以观察到两相的取向关系是[311]β//[101]α′′。EDS成分分析表明样品中存在元素偏析，α′′中的Nb含量< 20% at%。
硬度测试和磨损试验数据表明，随LMD扫描速度的增加，样品硬度增加，摩擦系数减小。为了进一步研究磨损机理，观察样品的磨损表面形貌，如下图。低扫描速度试样(1.6 mm/ s)的沟槽形貌表明了其磨损机制主要是磨粒磨损。随着扫描速度的增加，可以观察到磨损表面，出现明显的塑性变形，表示发生了粘着磨损。很明显，低扫描速度试样(1.6 mm/s)的磨损损失最高。
下图展示了样品腐蚀表面的SEM图，可以清楚地观察到几个未熔化的Nb颗粒，而腐蚀倾向于优先发生在未熔化的Nb颗粒上。而对于富Ti区来讲，高扫描速度试样(2.6 mm/s)表面则相对光滑，腐蚀坑较少。
研究结果
经过一系列表征与分析，论文得出结论如下：
█所有LMD Ti-23Nb试样均由等轴β晶粒、针状α′′相和未熔化的Nb颗粒组成。随着扫描速度的降低，冷却速度变慢，导致α′′相和未熔化Nb颗粒的体积分数降低，β相的体积分数和晶粒尺寸增大。
█ 随着扫描速度的增加，硬度逐渐增大，试样的最大硬度为~304 HV。在2.0 mm/s的速度下，试样的硬度较低，为~296 HV，具有较强的耐磨性。所有试样的磨损机理主要由磨粒磨损控制。
█ 未熔化的Nb颗粒易受腐蚀，这是低扫描速度下试样Ecorr高的原因。高扫描速度引起的晶粒细化导致icorr较低。高扫描速度试样(2.6 mm/s)具有较高的电阻和较低的icorr，表明其具有较强的耐蚀性
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Science & Technology
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