導(dǎo)讀：在合金材料中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度與延展性的兼顧一直是材料科學(xué)領(lǐng)域的難題，尤其是傳統(tǒng)工藝往往面臨兩者難以同時(shí)提升的困境。為此，香港理工大學(xué)陳子斌教授團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略：通過(guò)在增材制造過(guò)程中實(shí)時(shí)調(diào)控鋁元素濃度，成功制備出新型異質(zhì)多梯度α-TiAl合金。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)均質(zhì)Ti合金（屈服強(qiáng)度440 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率37.6%）以及均質(zhì)Ti-10Al合金（屈服強(qiáng)度910 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率6.1%）相比，此異質(zhì)多梯度α-TiAl合金不僅屈服強(qiáng)度顯著提升（760 MPa），而且延展性幾乎沒(méi)有顯著下降（斷裂伸長(zhǎng)率33.4%）。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)分析揭示，鋁元素在不同打印層的擴(kuò)散形成了獨(dú)特的多梯度結(jié)構(gòu)，有效地抑制了層間裂紋的產(chǎn)生，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多梯度應(yīng)變的協(xié)同效應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)不僅為α-Ti合金機(jī)械性能的顯著提升提供了新途徑，也為其他合金系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了新的可能性。

　　α-Ti主要與α穩(wěn)定元素（如O、N和Al）相關(guān)，具有優(yōu)異的焊接性、顯著的缺口韌性、優(yōu)異的比強(qiáng)度和良好的延展性（超過(guò)20%），特別適用于對(duì)延展性要求極高的應(yīng)用場(chǎng)景。然而，這種高延展性主要存在于非合金化或低合金化的α-Ti中，而這些材料的強(qiáng)度仍然較低。為了滿(mǎn)足更高強(qiáng)度的需求，通常需要加入適量的α穩(wěn)定元素，但這往往會(huì)大幅降低延展性，形成“強(qiáng)度-延展性”權(quán)衡困境?，F(xiàn)有文獻(xiàn)表明，微量氧或鋁的加入雖能提升強(qiáng)度，但會(huì)顯著降低延展性，甚至下降高達(dá)200%。因此，如何在不顯著降低延展性的情況下提升α-Ti的強(qiáng)度，仍然是材料科學(xué)領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。

　　近年來(lái)，異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展為解決這一難題提供了新的思路。通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)可以同時(shí)提升強(qiáng)度和延展性。例如，Li等人通過(guò)退火和熱壓技術(shù)制備出具有粗大晶粒和細(xì)小晶粒交替出現(xiàn)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)純鈦，展現(xiàn)了明顯的強(qiáng)度提升及良好的延展性。然而，傳統(tǒng)方法在制造異質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)仍存在固有缺陷，如加工時(shí)間長(zhǎng)、成本高，以及在復(fù)雜幾何形狀和精確元素調(diào)控上的局限性。

　　為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，增材制造技術(shù)成為一種前沿解決方案。通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)控元素濃度，可以制備出具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)的近凈成型樣品。盡管已有相關(guān)研究證明了這一技術(shù)的可行性，但仍面臨強(qiáng)度提升有限、延展性顯著下降等挑戰(zhàn)，同時(shí)還需解決因熱膨脹系數(shù)、彈性模量和屈服強(qiáng)度差異而導(dǎo)致的界面脆化或開(kāi)裂問(wèn)題。

　　基于上述問(wèn)題，香港理工大學(xué)陳子斌教授團(tuán)隊(duì)提出在α-Ti合金中實(shí)時(shí)調(diào)控鋁含量，設(shè)計(jì)一種元素平滑過(guò)渡的異質(zhì)多梯度結(jié)構(gòu)，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(kuò)散可提供跨層平滑過(guò)渡，防止熱膨脹系數(shù)或彈性模量變化過(guò)大導(dǎo)致的分層現(xiàn)象；3.鋁在鈦中的強(qiáng)化效應(yīng)已被證實(shí)，可能賦予異質(zhì)結(jié)構(gòu)合金高強(qiáng)度。

　　在這項(xiàng)研究中，香港理工大學(xué)陳子斌教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種多梯度α-Ti/Ti-10Al結(jié)構(gòu)，結(jié)合了接近于高強(qiáng)度Ti-10Al合金的強(qiáng)度和接近純鈦的延展性。通過(guò)先進(jìn)的表征手段揭示了這一獨(dú)特性能背后的機(jī)制。值得注意的是，在增材制造過(guò)程中觀(guān)察到鋁元素的顯著擴(kuò)散，形成了具有獨(dú)特成分梯度和結(jié)構(gòu)梯度的異質(zhì)多梯度結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在變形過(guò)程中產(chǎn)生了梯度應(yīng)變效應(yīng)，有效增加了加工硬化，抑制了裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度與延展性的同步提升。這項(xiàng)創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略為制造兼具高強(qiáng)度與優(yōu)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(tǒng)中的強(qiáng)度-延展性平衡難題帶來(lái)了新思路。相關(guān)研究成果以“Exceptional strength and ductility in heterogeneous multi-gradient TiAl alloys through additive manufacturing”發(fā)表在Acta Materialia上。

　　論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645424007456

圖1所示。LENSTM工藝制備均質(zhì)Ti、均質(zhì)TiAl和異質(zhì)TiAl樣品的示意圖。（a）LENSTM打印工藝流程圖。（b）均質(zhì)合金的連續(xù)層打印策略。（c）異質(zhì)TiAl合金的打印策略。（d1-d3）均質(zhì)Ti、均質(zhì)TiAl和異質(zhì)TiAl樣品的截面光學(xué)顯微圖（OM圖），顯示樣品內(nèi)部幾乎沒(méi)有孔隙。

圖2所示。粉末及打印樣品的物相組成。（a）CP-Ti粉末和預(yù)合金化Ti-54Al粉末的XRD圖譜。（b）平行打印方向橫截面上均質(zhì)Ti、均質(zhì)TiAl及異質(zhì)TiAl樣品的XRD圖譜。

圖3所示。均質(zhì)Ti、均質(zhì)TiAl及異質(zhì)TiAl樣品在室溫下的機(jī)械性能對(duì)比。(a)工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。(b)本研究制備樣品的屈服強(qiáng)度與總伸長(zhǎng)率與其他已報(bào)道的高強(qiáng)度α-Ti合金對(duì)比，包括SLM CP-Ti、SLM HDH-Ti、SLM TiNX、DED CP-Ti和PM TiAlx。

圖4所示。沿打印方向的顯微硬度分布。

圖5所示。原位DIC可視化展示不同宏觀(guān)應(yīng)變階段下沿加載方向的應(yīng)變分布。(a)異質(zhì)TiAl合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。(b,c)初始階段（階段I），應(yīng)變局域化跡象較少。(d,e)中間階段（階段II），應(yīng)變局域化分布開(kāi)始顯現(xiàn)。(f)隨后發(fā)展階段（階段III），應(yīng)變局域化進(jìn)一步增強(qiáng)。(g,h)進(jìn)階階段（階段IV），廣泛的應(yīng)變局域化從TiAl層過(guò)渡到相鄰Ti區(qū)域。(i)末期階段（階段V），捕捉到全面擴(kuò)展的應(yīng)變局域化，最終導(dǎo)致樣品斷裂。

圖6所示。SEM顯微結(jié)構(gòu)分析，均質(zhì)Ti、均質(zhì)TiAl及異質(zhì)TiAl樣品的微觀(guān)結(jié)構(gòu)觀(guān)察。(a1,a2)均質(zhì)Ti的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。(b1,b2)均質(zhì)TiAl在低倍和高倍下的詳細(xì)微觀(guān)結(jié)構(gòu)。(c1)異質(zhì)TiAl樣品的整體微觀(guān)結(jié)構(gòu)和元素分布，附帶的EDS線(xiàn)掃描圖顯示了從TiAl層到相鄰Ti區(qū)域的Al和Ti濃度漸變。(c2)Ti層的放大圖像，顯示主要為板條狀和片狀晶粒結(jié)構(gòu)。(c3)TiAl層在高倍放大下的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，以網(wǎng)籃狀晶粒形態(tài)為主。

圖7所示。EPMA可視化異質(zhì)TiAl樣品沿打印方向橫截面的元素分布。(a)二次電子成像。(b,c)相同區(qū)域的元素分布圖，分別展示了Al和Ti的空間分布和含量。

圖8所示。LENSTM制造的異質(zhì)TiAl樣品的原位EBSD分析結(jié)果。(a1)與打印方向平行的橫截面概覽，展示Ti和TiAl層的整體結(jié)構(gòu)布局。(a2)GND圖，顯示Ti和TiAl層間的位錯(cuò)密度分布。(a3)Ti和TiAl層內(nèi)晶粒尺寸分布的統(tǒng)計(jì)分析。(a4)GND密度在Ti層和TiAl層的分布直方圖。(b1,c1)晶體結(jié)構(gòu)分析，分別展示8%應(yīng)變和斷裂時(shí)的微觀(guān)結(jié)構(gòu)演變。(b2,c2)對(duì)應(yīng)的GND圖，追蹤不同應(yīng)變階段（8%應(yīng)變和斷裂時(shí)）GND密度的變化，紅色虛線(xiàn)標(biāo)示出高密度GND的區(qū)域。(b3,c3)8%應(yīng)變和斷裂時(shí)的晶粒尺寸分布統(tǒng)計(jì)分析。(b4,c4)8%應(yīng)變和斷裂時(shí)的GND密度分布直方圖。

圖9所示。異質(zhì)TiAl樣品中Ti層的原位EBSD分析結(jié)果。(a1-a3)晶體結(jié)構(gòu)分析顯示Ti層在不同應(yīng)變水平下的微觀(guān)結(jié)構(gòu)演變，隨應(yīng)變?cè)黾涌梢?jiàn)明顯的晶粒細(xì)化：初始狀態(tài)(a1)、8%應(yīng)變(a2)以及斷裂狀態(tài)(a3)。(b1-b3)各應(yīng)變狀態(tài)下的GND圖，顯示位錯(cuò)密度的逐漸增加及其在細(xì)化晶粒中的傳播情況：初始狀態(tài)(b1)、8%應(yīng)變(b2)以及斷裂狀態(tài)(b3)。

圖10所示。LENSTM制造的異質(zhì)TiAl合金中缺鋁區(qū)和富鋁區(qū)的TEM特征。(a,b)TEM圖像展示缺鋁區(qū)域的薄片狀和板條狀晶粒結(jié)構(gòu)，紅色虛線(xiàn)標(biāo)示板條晶粒的晶界。(c)缺鋁區(qū)域的HRTEM圖像及其快速傅里葉變換（FFT）圖。(d)典型的STEM圖像，顯示富鋁區(qū)與缺鋁區(qū)之間的界面，白色虛線(xiàn)區(qū)分了層狀與籃織晶粒結(jié)構(gòu)。(e)TEM圖像顯示富鋁區(qū)主要的網(wǎng)籃狀晶粒特征。(f)富鋁區(qū)的HRTEM圖像及其FFT插圖。

圖11所示。斷裂后異質(zhì)TiAl樣品中缺鋁區(qū)和富鋁區(qū)的TEM特征。(a)明場(chǎng)TEM（BF-TEM）圖像展示了斷裂后缺鋁區(qū)板條晶粒內(nèi)部的微觀(guān)結(jié)構(gòu)演變。黃色箭頭標(biāo)示高位錯(cuò)密度特征，紫色虛線(xiàn)圈出位錯(cuò)單元。(b)斷裂后缺鋁區(qū)的HRTEM圖像。插圖為經(jīng)過(guò)與反射遮蔽處理的IFFT圖像，顯示位錯(cuò)存在。(c)明場(chǎng)TEM圖像展示斷裂后富鋁區(qū)的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。藍(lán)色箭頭指示細(xì)小的網(wǎng)籃狀晶粒，綠色箭頭指示位錯(cuò)密度高的區(qū)域。(d)富鋁區(qū)斷裂部位的HRTEM圖像。插圖為經(jīng)過(guò)與)反射遮蔽處理的IFFT圖像，顯示位錯(cuò)分布。

圖12所示。異質(zhì)多梯度結(jié)構(gòu)演變的示意圖。(a)LENSTM軟件獲得的增材制造（AM）過(guò)程中熔池溫度剖面圖。(b)AM過(guò)程中熔池內(nèi)溫度差引起的鋁元素梯度和馬朗哥尼力效應(yīng)。(c)整個(gè)AM過(guò)程中的鋁元素從TiAl層向鄰近Ti層擴(kuò)散的詳細(xì)示意圖。(d)不同鋁濃度對(duì)應(yīng)的微觀(guān)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。

圖13所示。異質(zhì)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(yīng)變時(shí)的形態(tài)。綠色箭頭表示變形方向，垂直的藍(lán)色箭頭表示鋁梯度。(a2)多梯度結(jié)構(gòu)的示意圖，突顯鋁濃度漸變引起的微觀(guān)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變：從細(xì)小的網(wǎng)籃狀晶粒逐漸演變?yōu)檩^粗的板條晶粒，鋁濃度隨之降低。(b1)第二階段應(yīng)變?cè)黾訒r(shí)的描述，紅色“T”符號(hào)表示位錯(cuò)與位錯(cuò)單元。藍(lán)色箭頭表示梯度應(yīng)力分布方向的變化。(b2)梯度應(yīng)力分布示意圖，展示拉伸應(yīng)力與缺鋁區(qū)的壓縮應(yīng)力之間的相互作用。(c1)第三和第四階段的微觀(guān)結(jié)構(gòu)示意圖，缺鋁區(qū)在高應(yīng)變下出現(xiàn)位錯(cuò)包，并逐漸演變?yōu)楦呓嵌?低角度晶界（以虛線(xiàn)表示），并伴隨顯著的晶粒細(xì)化和高GND密度。(c2)延展性補(bǔ)償機(jī)制示意圖，白色標(biāo)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(tài)。Ti-Al層之間的應(yīng)力集中區(qū)相互連接。紅色區(qū)域表示缺鋁區(qū)的應(yīng)變局域化帶貫穿整個(gè)區(qū)域。(d2)后期形成的缺陷通道示意圖，展示斷裂前通過(guò)晶粒細(xì)化和GND聚集形成的路徑和結(jié)構(gòu)。

圖14所示。均質(zhì)Ti、均質(zhì)TiAl及異質(zhì)TiAl合金的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)及對(duì)應(yīng)的應(yīng)變硬化率曲線(xiàn)。

圖15所示。均質(zhì)Ti、均質(zhì)TiAl及異質(zhì)TiAl樣品的斷裂表面觀(guān)察。(a1,a2)均質(zhì)Ti的斷裂表面，紅色箭頭突出顯示均勻的凹坑特征。(b1,b2)均質(zhì)TiAl的斷裂形貌，黃色虛線(xiàn)表示特有的階梯狀特征，黃色箭頭指示顯著的劈裂面。(c1,c2)異質(zhì)TiAl樣品的斷裂形貌，紅色箭頭指示缺鋁區(qū)域的淺凹坑，黃色箭頭突出富鋁區(qū)域的劈裂面。EDS線(xiàn)掃描展示了從淺凹坑區(qū)域到裂紋主導(dǎo)區(qū)域的鋁濃度梯度。

　　本研究的主要結(jié)論如下：

1.制備的異質(zhì)多梯度Ti/Ti-10Al合金展示了優(yōu)異的強(qiáng)度與延展性組合，其屈服強(qiáng)度約為760 MPa，斷裂應(yīng)變約為33.4%。相比之下，均質(zhì)Ti合金的屈服強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變分別為約440 MPa和37.6%。異質(zhì)TiAl合金的屈服強(qiáng)度提高了近70%，而延展性幾乎沒(méi)有顯著變化。此外，與均質(zhì)TiAl合金（屈服強(qiáng)度910 MPa，斷裂應(yīng)變6.1%）相比，延展性提升了近六倍，強(qiáng)度僅有輕微下降。

2.增材制造過(guò)程中引發(fā)的馬朗哥尼效應(yīng)及鋁向Ti層的擴(kuò)散，促成了有序的異質(zhì)多梯度結(jié)構(gòu)。這導(dǎo)致了Al濃度的受控變化，從而誘發(fā)晶粒形態(tài)和固溶體梯度的形成，沿建構(gòu)方向從TiAl層延伸至相鄰的Ti層。

3.在異質(zhì)多梯度TiAl合金中，Ti/Ti-Al層間固有的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能差異，有助于變形過(guò)程中梯度應(yīng)力的分布，增強(qiáng)應(yīng)變硬化效應(yīng)。同時(shí)，較軟的Ti層能夠補(bǔ)償延展性，有效抑制Ti-Al層內(nèi)裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展。梯度應(yīng)力分布與延展性補(bǔ)償?shù)膮f(xié)同作用顯著提升了材料的強(qiáng)度和延展性。

4.這種新穎的強(qiáng)化策略不僅可以以經(jīng)濟(jì)可行的方式拓展α-Ti合金的潛在應(yīng)用，還能為一系列合金體系帶來(lái)新的發(fā)展前景。尤其適用于當(dāng)強(qiáng)化元素在基體中具有顯著溶解性，且會(huì)明顯損害合金固有延展性的情況。