鈦板廠家談3D打印高性能鈦氧鐵合金及其影響

如何高效利用高氧鈦粉？

據(jù)了解，鈦合金是一種輕質(zhì)高強(qiáng)金屬結(jié)構(gòu)材料。α-β 雙相鈦合金是鈦工業(yè)的主干材料，自 20 世紀(jì) 50 年代以來，該類鈦合金的生產(chǎn)主要通過向鈦金屬中添加鋁和釩來實(shí)現(xiàn)。其中，鋁被用于穩(wěn)定和強(qiáng)化 α 相鈦，釩則被用于穩(wěn)定和強(qiáng)化 β 相鈦。

氧和鐵是兩種儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉的元素，它們分別可以穩(wěn)定和強(qiáng)化 α 相鈦和 β 相鈦。氧穩(wěn)定 α 相鈦的能力大約是鋁的 10 倍；而鐵穩(wěn)定 β 相鈦的能力大概是釩的 4 倍。

然而，氧被廣泛稱為“鈦的克星”，原因在于，如果超過一個(gè)低的臨界值含量，氧會(huì)極速增加鈦合金的脆性。

鐵雖然是最強(qiáng)的 β 相鈦穩(wěn)定化元素，但是，當(dāng)把 2% 左右的鐵作為主要的 β 相鈦穩(wěn)定化元素加入鈦合金之后，在通常的凝固條件下往往會(huì)形成難以消除的塊狀 β 斑，這會(huì)嚴(yán)重影響組織的均勻性，進(jìn)而對(duì)鈦合金性能造成諸多不利影響。

因此，利用傳統(tǒng)制造工藝制備高性能 α-β 雙相 Ti-O-Fe 合金嚴(yán)重受制于上述兩個(gè)因素。

從原材料角度看，自 20 世紀(jì) 40 年代鈦工業(yè)誕生以來，海綿鈦金屬的生產(chǎn)通常使用高能耗的克勞爾（Kroll）工藝。在這種工藝?yán)铮蠹s有 5%-10% 的海綿鈦存在鐵超標(biāo)或氧超標(biāo)的情況，屬于低等級(jí)或等級(jí)外海綿鈦產(chǎn)品，無法用來生產(chǎn)高性能鈦合金。

假如能把這些低等級(jí)或等級(jí)外海綿鈦轉(zhuǎn)化為高性能的鈦合金，必將帶來重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和減排效應(yīng)。

此外，氧和鈦具有非常強(qiáng)的結(jié)合能力。低氧鈦粉在 3D 打印循環(huán)過程中，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，剩余鈦粉的氧含量會(huì)逐漸增加進(jìn)而可能超標(biāo)。

而且，在非球形鈦粉的生產(chǎn)工藝中，一部分鈦粉不可避免會(huì)含有較高的氧含量。目前對(duì)這些高氧鈦粉的有效再利用一直是一個(gè)難題。

圖 | 宋廷廷和恩師馬前教授，背景為該研究所用墨爾本皇家理工大學(xué)增材制造中心的激光金屬粉末沉積設(shè)備

宋廷廷團(tuán)隊(duì)通過使用一種名為“定向能量沉積”的增材制造技術(shù)，課題組成功制備了這種 Ti-O-Fe 合金。通過改變兩種相對(duì)廉價(jià)、甚至能免費(fèi)獲取的合金元素（Fe 和 O）在 Ti 合金中的比例，Ti-O-Fe 合金擁有了與 Ti-6Al-4V 合金相媲美的延展性，然而其強(qiáng)度卻更加高。這些新型高性能 Ti-O-Fe 合金有望獲得多方面的應(yīng)用，包括在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)工程、空間和能源技術(shù)等領(lǐng)域。

圖片圖｜激光粉末沉積鈦合金打印窗口（c 中綠區(qū)）和激光粉末沉積打印態(tài) Ti-O-Fe 合金的微觀結(jié)構(gòu) （詳見論文圖例解釋）。d–g 的比例尺是一百微米，h–k 的比例尺是一微米（來源：Nature）

圖片圖｜激光粉末沉積 3D 打印態(tài) Ti-O-Fe 合金室溫下的拉伸力學(xué)性能（合金成分改變，3D 打印工藝不變）（來源：Nature）

合金設(shè)計(jì)的初衷充分考慮了低合金化和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的思想，即考慮到后續(xù)會(huì)利用鐵、氧超標(biāo)的等級(jí)外的海綿鈦、來自打印循環(huán)過程中高氧含量的剩余鈦粉或其它途徑的高氧含量的鈦粉，以及用氧量高的加工“廢料”為原材料, 來制備這類新型鈦合金。

該高延展性高強(qiáng)度 Ti-O-Fe 工作對(duì)該挑戰(zhàn)有一定的啟發(fā)性，即可以考慮通過合金設(shè)計(jì)的方法，引入一個(gè)能夠接受氧或其它間隙元素的第二組成相，再結(jié)合第一性原理計(jì)算來預(yù)測間隙元素的分布。同時(shí)，施以量身裁體的 3D 打印工藝，就有希望針對(duì)由氧元素或類似間隙元素引起的脆性問題提供有效解決方案。

另外，他們還使用尖端技術(shù)來表征這一合金，例如使用三維原子探針技術(shù)，詳細(xì)探索了 3D 打印態(tài) Ti-O-Fe 合金中的元素分布情況，精度可以達(dá)到原子級(jí)。

圖片圖｜激光粉末沉積 3D 打印態(tài) Ti-O-Fe 合金中 Fe 原子和 O 原子的分布（來源：Nature）

來源：中材市協(xié)鈦材料分會(huì)