導讀：在合金材料中實現強度與延展性的兼顧一直是材料科學領域的難題，尤其是傳統工藝往往面臨兩者難以同時提升的困境。為此，香港理工大學陳子斌教授團隊提出了一種創新的結構設計策略：透過在增材製造過程中實時調控鋁元素濃度，成功製備出新型異質多梯度α-TiAl合金。實驗結果顯示，與傳統均質Ti合金（屈服強度440 MPa，斷裂伸長率37.6%）以及均質Ti-10Al合金（屈服強度910 MPa，斷裂伸長率6.1%）相比，此異質多梯度α-TiAl合金不僅屈服強度顯著提升（760 MPa），而且延展性幾乎沒有顯著下降（斷裂伸長率33.4%）。進一步的實驗分析揭示，鋁元素在不同列印層的擴散形成了獨特的多梯度結構，有效地抑制了層間裂紋的產生，同時實現了多梯度應變的協同效應。這些發現不僅為α-Ti合金機械效能的顯著提升提供了新途徑，也為其他合金系統的開發帶來了新的可能性。
α-Ti主要與α穩定元素（如O、N和Al）相關，具有優異的焊接性、顯著的缺口韌性、優異的比強度和良好的延展性（超過20%），特別適用於對延展性要求極高的應用場景。然而，這種高延展性主要存在於非合金化或低合金化的α-Ti中，而這些材料的強度仍然較低。為了滿足更高強度的需求，通常需要加入適量的α穩定元素，但這往往會大幅降低延展性，形成“強度-延展性”權衡困境。現有文獻表明，微量氧或鋁的加入雖能提升強度，但會顯著降低延展性，甚至下降高達200%。因此，如何在不顯著降低延展性的情況下提升α-Ti的強度，仍然是材料科學領域的重要挑戰。
近年來，異質結構材料的發展為解決這一難題提供了新的思路。透過巧妙設計的微結構可以同時提升強度和延展性。例如，Li等人透過退火和熱壓技術製備出具有粗大晶粒和細小晶粒交替出現的異質結構純鈦，展現了明顯的強度提升及良好的延展性。然而，傳統方法在製造異質結構時仍存在固有缺陷，如加工時間長、成本高，以及在複雜幾何形狀和精確元素調控上的侷限性。
為應對這些挑戰，增材製造技術成為一種前沿解決方案。透過實時調控元素濃度，可以製備出具有異質結構的近淨成型樣品。儘管已有相關研究證明了這一技術的可行性，但仍面臨強度提升有限、延展性顯著下降等挑戰，同時還需解決因熱膨脹係數、彈性模量和屈服強度差異而導致的介面脆化或開裂問題。
基於上述問題，香港理工大學陳子斌教授團隊提出在α-Ti合金中實時調控鋁含量，設計一種元素平滑過渡的異質多梯度結構，主要原因包括：1. 室溫下鋁在鈦中的高溶解度可以降低不良金屬間化合物的形成；2. 鋁在鈦中的顯著擴散可提供跨層平滑過渡，防止熱膨脹係數或彈性模量變化過大導致的分層現象；3. 鋁在鈦中的強化效應已被證實，可能賦予異質結構合金高強度。
在這項研究中，香港理工大學陳子斌教授團隊開發了一種多梯度α-Ti/Ti-10Al結構，結合了接近於高強度Ti-10Al合金的強度和接近純鈦的延展性。透過先進的表徵手段揭示了這一獨特效能背後的機制。值得注意的是，在增材製造過程中觀察到鋁元素的顯著擴散，形成了具有獨特成分梯度和結構梯度的異質多梯度結構。這種結構在變形過程中產生了梯度應變效應，有效增加了加工硬化，抑制了裂紋的產生與擴充套件，從而實現了強度與延展性的同步提升。這項創新的結構設計策略為製造兼具高強度與優良延展性的鈦合金提供了有前景的解決方案，也為解決其他合金系統中的強度-延展性平衡難題帶來了新思路。相關研究成果以“Exceptional strength and ductility in heterogeneous multi-gradient TiAl alloys through additive manufacturing” 發表在Acta Materialia上。
論文連結：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645424007456
圖1所示。LENSTM工藝製備均質Ti、均質TiAl和異質TiAl樣品的示意圖。（a）LENSTM列印工藝流程圖。（b）均質合金的連續層列印策略。（c）異質TiAl合金的列印策略。（d1-d3）均質Ti、均質TiAl和異質TiAl樣品的截面光學顯微圖（OM圖），顯示樣品內部幾乎沒有孔隙。
圖2所示。粉末及列印樣品的物相組成。（a）CP-Ti粉末和預合金化Ti-54Al粉末的XRD圖譜。（b）平行列印方向橫截面上均質Ti、均質TiAl及異質TiAl樣品的XRD圖譜。
圖3所示。均質Ti、均質TiAl及異質TiAl樣品在室溫下的機械效能對比。(a) 工程應力-應變曲線。(b) 本研究製備樣品的屈服強度與總伸長率與其他已報道的高強度α-Ti合金對比，包括SLM CP-Ti、SLM HDH-Ti、SLM TiNX、DED CP-Ti和PM TiAlx。
圖4所示。沿列印方向的顯微硬度分佈。
圖5所示。原位DIC視覺化展示不同宏觀應變階段下沿載入方向的應變分佈。(a) 異質TiAl合金的應力-應變曲線。(b, c) 初始階段（階段I），應變局域化跡象較少。(d, e) 中間階段（階段II），應變局域化分佈開始顯現。(f) 隨後發展階段（階段III），應變局域化進一步增強。(g, h) 進階階段（階段IV），廣泛的應變局域化從TiAl層過渡到相鄰Ti區域。(i) 末期階段（階段V），捕捉到全面擴充套件的應變局域化，最終導致樣品斷裂。
圖6所示。SEM顯微結構分析，均質Ti、均質TiAl及異質TiAl樣品的微觀結構觀察。(a1, a2) 均質Ti的微觀結構。(b1, b2) 均質TiAl在低倍和高倍下的詳細微觀結構。(c1) 異質TiAl樣品的整體微觀結構和元素分佈，附帶的EDS線掃描圖顯示了從TiAl層到相鄰Ti區域的Al和Ti濃度漸變。(c2) Ti層的放大影象，顯示主要為板條狀和片狀晶粒結構。(c3) TiAl層在高倍放大下的微觀結構，以網籃狀晶粒形態為主。
圖7所示。EPMA視覺化異質TiAl樣品沿列印方向橫截面的元素分佈。(a) 二次電子成像。(b, c) 相同區域的元素分佈圖，分別展示了Al和Ti的空間分佈和含量。
圖8所示。LENSTM製造的異質TiAl樣品的原位EBSD分析結果。(a1) 與列印方向平行的橫截面概覽，展示Ti和TiAl層的整體結構佈局。(a2) GND圖，顯示Ti和TiAl層間的位錯密度分佈。(a3) Ti和TiAl層內晶粒尺寸分佈的統計分析。(a4) GND密度在Ti層和TiAl層的分佈直方圖。(b1, c1) 晶體結構分析，分別展示8%應變和斷裂時的微觀結構演變。(b2, c2) 對應的GND圖，追蹤不同應變階段（8%應變和斷裂時）GND密度的變化，紅色虛線標示出高密度GND的區域。(b3, c3) 8%應變和斷裂時的晶粒尺寸分佈統計分析。(b4, c4) 8%應變和斷裂時的GND密度分佈直方圖。
圖9所示。異質TiAl樣品中Ti層的原位EBSD分析結果。(a1-a3) 晶體結構分析顯示Ti層在不同應變水平下的微觀結構演變，隨應變增加可見明顯的晶粒細化：初始狀態 (a1)、8%應變 (a2) 以及斷裂狀態 (a3)。(b1-b3) 各應變狀態下的GND圖，顯示位錯密度的逐漸增加及其在細化晶粒中的傳播情況：初始狀態 (b1)、8%應變 (b2) 以及斷裂狀態 (b3)。
圖10所示。LENSTM製造的異質TiAl合金中缺鋁區和富鋁區的TEM特徵。(a, b) TEM影象展示缺鋁區域的薄片狀和板條狀晶粒結構，紅色虛線標示板條晶粒的晶界。(c) 缺鋁區域的HRTEM影象及其（FFT）圖。(d) 典型的STEM影象，顯示富鋁區與缺鋁區之間的介面，白色虛線區分了層狀與籃織晶粒結構。(e) TEM影象顯示富鋁區主要的網籃狀晶粒特徵。(f) 富鋁區的HRTEM影象及其FFT插圖。
圖11所示。斷裂後異質TiAl樣品中缺鋁區和富鋁區的TEM特徵。(a) 明場TEM（BF-TEM）影象展示了斷裂後缺鋁區板條晶粒內部的微觀結構演變。黃色箭頭標示高位錯密度特徵，紫色虛線圈出位錯單元。(b) 斷裂後缺鋁區的HRTEM影象。插圖為經過 與反射遮蔽處理的IFFT影象，顯示位錯存在。(c) 明場TEM影象展示斷裂後富鋁區的微觀結構。藍色箭頭指示細小的網籃狀晶粒，綠色箭頭指示位錯密度高的區域。(d) 富鋁區斷裂部位的HRTEM影象。插圖為經過與 ) 反射遮蔽處理的IFFT影象，顯示位錯分佈。
圖12所示。異質多梯度結構演變的示意圖。(a) LENSTM軟體獲得的增材製造（AM）過程中熔池溫度剖面圖。(b) AM過程中熔池內溫度差引起的鋁元素梯度和馬朗哥尼力效應。(c) 整個AM過程中的鋁元素從TiAl層向鄰近Ti層擴散的詳細示意圖。(d) 不同鋁濃度對應的微觀結構轉變。
圖13所示。異質多梯度TiAl合金逐步變形階段的示意圖。(a1) 初始變形階段，展示合金在最早期應變時的形態。綠色箭頭表示變形方向，垂直的藍色箭頭表示鋁梯度。(a2) 多梯度結構的示意圖，突顯鋁濃度漸變引起的微觀結構轉變：從細小的網籃狀晶粒逐漸演變為較粗的板條晶粒，鋁濃度隨之降低。(b1) 第二階段應變增加時的描述，紅色“T”符號表示位錯與位錯單元。藍色箭頭表示梯度應力分佈方向的變化。(b2) 梯度應力分佈示意圖，展示拉伸應力與缺鋁區的壓縮應力之間的相互作用。(c1) 第三和第四階段的微觀結構示意圖，缺鋁區在高應變下出現位錯包，並逐漸演變為高角度/低角度晶界（以虛線表示），並伴隨顯著的晶粒細化和高GND密度。(c2) 延展性補償機制示意圖，白色標示的裂紋受到鄰近層的限制。(d1) 斷裂前階段，展示合金即將斷裂的狀態。Ti-Al層之間的應力集中區相互連線。紅色區域表示缺鋁區的應變局域化帶貫穿整個區域。(d2) 後期形成的缺陷通道示意圖，展示斷裂前透過晶粒細化和GND聚集形成的路徑和結構。
圖14所示。均質Ti、均質TiAl及異質TiAl合金的真應力-應變曲線及對應的應變硬化率曲線。
圖15所示。均質Ti、均質TiAl及異質TiAl樣品的斷裂表面觀察。(a1, a2) 均質Ti的斷裂表面，紅色箭頭突出顯示均勻的凹坑特徵。(b1, b2) 均質TiAl的斷裂形貌，黃色虛線表示特有的階梯狀特徵，黃色箭頭指示顯著的劈裂面。(c1, c2) 異質TiAl樣品的斷裂形貌，紅色箭頭指示缺鋁區域的淺凹坑，黃色箭頭突出富鋁區域的劈裂面。EDS線掃描展示了從淺凹坑區域到裂紋主導區域的鋁濃度梯度。
本研究的主要結論如下：
1.製備的異質多梯度Ti/Ti-10Al合金展示了優異的強度與延展性組合，其屈服強度約為760 MPa，斷裂應變約為33.4%。相比之下，均質Ti合金的屈服強度和斷裂應變分別為約440 MPa和37.6%。異質TiAl合金的屈服強度提高了近70%，而延展性幾乎沒有顯著變化。此外，與均質TiAl合金（屈服強度910 MPa，斷裂應變6.1%）相比，延展性提升了近六倍，強度僅有輕微下降。
2.增材製造過程中引發的馬朗哥尼效應及鋁向Ti層的擴散，促成了有序的異質多梯度結構。這導致了Al濃度的受控變化，從而誘發晶粒形態和固溶體梯度的形成，沿建構方向從TiAl層延伸至相鄰的Ti層。
3.在異質多梯度TiAl合金中，Ti/Ti-Al層間固有的微觀結構和機械效能差異，有助於變形過程中梯度應力的分佈，增強應變硬化效應。同時，較軟的Ti層能夠補償延展性，有效抑制Ti-Al層內裂紋的產生與擴充套件。梯度應力分佈與延展性補償的協同作用顯著提升了材料的強度和延展性。
4.這種新穎的強化策略不僅可以以經濟可行的方式拓展α-Ti合金的潛在應用，還能為一系列合金體系帶來新的發展前景。尤其適用於當強化元素在基體中具有顯著溶解性，且會明顯損害合金固有延展性的情況。
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。感謝論文作者團隊支援。
