中科院团队实现3D打印钛铜合金脆性到强韧转变

摘要：通过调控激光能量密度和Cu含量，成功实现了Ti-Cu合金微观结构的优化。通过调控共析体形态，成功实现了在消除柱状晶粒的同时保持优异的拉伸性能，为高性能Ti-Cu合金的设计和制造提供了新的思路。

导读

通过调控激光能量密度和Cu含量，成功实现了Ti-Cu合金微观结构的优化。通过调控共析体形态，成功实现了在消除柱状晶粒的同时保持优异的拉伸性能，为高性能Ti-Cu合金的设计和制造提供了新的思路。

向增材制造的Ti合金中引入Cu，不仅可以提高Ti基体的强度，还可以细化粗大的柱状晶粒，从而降低力学性能的各向异性。因此，Ti-Cu合金在过去几年中成为最受欢迎的可打印Ti合金体系之一。然而，高Cu含量会导致脆性共析Ti₂Cu片层的形成，显著降低延展性。传统热处理通过将共析形态从层片状转变为颗粒状来改善延展性，但LPBF的超高冷却速率（约为水淬的106倍）为非平衡凝固条件下调控共析结构提供了新机遇。

钛的加入可以部分替代铬，并通过形成硫化物提升抗热腐蚀性能。此外，钛的加入还可以提高Cr₂O₃保护层的致密性。然而，关于钛对M23C6碳化物析出行为的影响尚未明晰。

基于此，中国科学院过程工程研究所的科研团队通过一种巧妙的方法，成功地让钛铜合金从“脆性”变成了“强韧”，并且还保持了优异的力学性能。相关成果以题为“Achieving strong and ductile as-printed Ti-Cu alloys via tailoring eutectoid morphology”发表于期刊《Materials Research Letters》。

增加铜含量虽能促进柱状晶向等轴晶转变，但也会使共析形态从颗粒状转变为层片状。共析体片层严重阻碍了α-Ti中的滑移，导致从韧性到脆性的转变。通过降低激光能量密度，可将高铜含量钛合金的共析转变行为从珠光体转变为贝氏体转变模式。优化后的Ti-5.0Cu合金具有等轴晶和颗粒状Ti₂Cu，展现出优异的拉伸性能（屈服强度为1 051 MPa，抗拉强度为1 198 MPa，伸长率6.5%），优于之前报道的具有相似Cu含量的激光选区熔化成形Ti-Cu合金。