最近，非均质结构材料作为一种非常有前途的候选材料，通过巧妙地整合适当的微观结构设计，实现了强度和延展性的卓越结合，这一重大进展使非均质结构材料成为人们关注的焦点。由于非均质合金在实现强度和延展性的卓越组合方面具有潜力，已成为材料科学的前沿。为了利用这一潜力，来自香港理工大学工业与系统工程系的Xingdong Dan等人提出了一种结构策略，通过在增材制造过程中调节铝浓度来制造一种新型非均质多梯度α-TiAl合金。与屈服强度(σy)为440 MPa、断裂伸长率(εf)为37.6%的均相Ti和均匀Ti-10al [at%] (σy ~910 MPa，εf~6.1%)相比，该非均相多梯度α-TiAl合金的屈服强度(σy ~760 MPa)有显著提高，但延展性(εf~33.4%)有轻微降低。作者进行了全面的实验表征，以探讨其潜在机制。研究结果表明，铝在不同打印层中的扩散促进了一种创新的非均质多梯度结构的形成，产生了多梯度应变的协同作用，有助于实现强度和延展性的卓越结合。
图1. 采用LENS工艺制备均相Ti和TiAl试样以及非均相TiAl试样。(a)采用LENSTM技术的打印过程示意图。(b)连续层的打印策略。(c)非均相TiAl合金的打印设计。(d1-d3)从构建的均质Ti、均质TiAl和非均质TiAl样品的横截面表面获得的OM图像显示，样品内部几乎没有孔隙形态。
图2. 室温下均相Ti、均相TiAl和非均相TiAl的力学性能。(a)工程应力-应变曲线。(b)与迄今为止报道的其他高强度α-Ti合金的屈服强度和总伸长率的比较。
图2a给出了均质Ti、均质TiAl和非均质TiAl试样的拉伸工程应力-应变曲线。结果表明，均匀Ti试样具有良好的延性和中等强度，在~440 MPa (σy)应力下开始屈服，达到~560 MPa的极限抗拉强度(σUTS)，同时具有37.6%的高延性(εf)。与此形成鲜明对比的是，均匀TiAl试样的强度显著提高，σy和σUTS分别接近910 MPa和1000 MPa，但塑性大幅下降，仅为6.1%。先前的XRD分析证实，这种现象可能是由于α2-Ti3Al相的次生、硬而脆的形成所致。非均相TiAl合金的强度显著提高，σy和σUTS分别达到~760 MPa和~890 MPa，同时保持了良好的延展性εf ~33.4%。
与均相钛合金相比，这种非均相TiAl合金的屈服强度提高了近70%，而延展性只有很小的降低。此外，与均相TiAl合金相比，非均相TiAl合金试样的延展性提高了近6倍，强度仅略有下降。众所周知，强度的提高总是以显著牺牲延展性为代价，在各种α-Ti合金中广泛观察到这种权衡，包括SLM CP-Ti， SLM氢化二氢化(HDH) Ti， SLM TiNx和粉末冶金(PM) TiAlx合金。值得注意的是，作者的非均相TiAl合金的强度和延性组合优于迄今为止报道的其他α-Ti合金，表明屈服强度和延性之间的平衡得到了显著改善，如图2b所示。
图3.基于扫描电镜的均相Ti，均相TiAl和非均相TiAl样品的显微组织。(a1和a2)均质Ti，分别在低倍和高倍下呈现。(b1和b2)低倍和高倍放大下均匀TiAl的详细显微组织。(c1)强调试样内部的微观结构和元素差异。附带的EDS线扫描显示了Al和Ti浓度的梯度变化，从TiAl层过渡到相邻的Ti区域。(c2)对Ti层进行更近距离的放大，发现主要是板状和片状晶粒形态。(c3)高倍镜下TiAl层的显微组织。
图4. 非均质TiAl试样横截面的EPMA可视化。
均相钛在拉伸试验中表现出优异的塑性。在塑性变形过程中，应变局部化主要发生在中部，在较高应变水平下导致颈缩和随后的断裂。相比之下，均匀TiAl试样表现出明显较低的塑性，在应变局部化开始时容易破裂。为了建立力学性能与微观组织特征之间的相关性，在平行于构建方向的横截面表面进行了扫描电镜观察。图3展示了均质Ti、均质TiAl和非均质TiAl样品的横截面显微结构。
在图3a1和3a2中，固有的高冷却速率使LENS制备的Ti与铸态Ti的显微组织发生了明显的差异，主要表现为片状和板片状的α晶粒形态。这一观察结果与前人的研究结果一致。在制造过程中加入预合金TiAl粉末会促使形貌转变为主要的短棒状形态，如图3b1和3b2所示。此外，值得注意的是，在制备的均相Ti或均相TiAl样品中，沿构建方向在基体内没有明显的晶粒形态变化。
图5.非均质多梯度结构的演化过程。(a)在增材制造过程中由LENS软件获得的熔池温度分布图。(b)在AM过程中由熔池内的温差触发的既定Al梯度和Marangoni力。(c) Al在AM过程中从TiAl层向相邻Ti层扩散的示意图。(d)不同铝浓度对应的微观结构变化。
相关研究成果以“Exceptional strength and ductility in heterogeneous multi-gradient TiAl alloys through additive manufacturing”为题发表在Acta Materialia（Volume: 281，2024，120395）上，论文第一作者为Xingdong Dan，通讯作者为Zibin Chen。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120395
