华南理工amp;华中科技：LPBF增材造造β型TiNbZrTaSi合金的相抉择力学性能调控

粉末床选区激光熔融（LPBF）做为一种增材造造手艺被普遍用于造备生物医用钛合金。β-型钛合金包罗无毒合金元素和较低的弹性模量，遭到研究者们喜爱。由来自华南理工大学、华中科技大学等研究机构的学者构成的研究团队，前期设想造备了Ti-34.5Nb-6.9Zr-4.9Ta-1.4Si (wt%, TNZTS) 合金具有优良的力学性能和生物相容性，有看利用于生物医学植进物。

然而，LPBF增材造造手艺超快冷却速度(103–108K/s) 招致硅化物通过非平衡凝聚沿晶界持续沉淀，大幅降低了TNZTS合金的力学性能。通过固溶处置实现晶界持续硅化物的球化，可大幅进步其力学性能。然而，室温下Si在Ti合金中的化解度较低，富Si过饱和β-Ti从高温快速冷却至室温，在必然的热力学前提下一定析出硅化物颗粒。此外，淬火部件往往具有较大的内应力，招致种植体在利用过程中随便变形，给患者带来痛苦。

因而，通过时效热处置实现TNZTS合金以硅化物抉择为导向的力学性能调控，以连结微看构造和宏看尺寸的不变性至关重要。然而，迄今为行，很少有研究报导硅化物在高硅含量β-Ti合金中的析出行为及其对合金性能的影响。在本工做中，研究团队对硅化物的演变及其对TNZTS合金力学性能的影响停止了系统研究，详尽阐发了时效处置TNZTS合金的组织性能关系，阐了然硅化物析出机造及其对β型钛合金力学性能的影响。

本期谷.专栏将分享那项研究的立异点、研究内容及带来的启迪。

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/ 立异点

（1）显示了两种新型硅化物的时效析出机造；

（2）了了了硅化物对TNZTS合金力学性能的影响机造。

/ 研究内容

1. 等温时效微看组织演变

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跟着时效温度升高，富Si过饱和β-Ti先呈网状散布于晶内，随后改变为薄壳状S2相。跟着时效温度进一步升高，晶内析出纳米/超细的点状S2相，而且在先存的颗粒状S2相上析出短棒状S2相。在800℃/4h时，晶内析出大量的颗粒状S2相。

图1 差别温度时效4 h后TNZTS合金的SEM边幅:(a) 300℃，(b) 400℃，(C) 500℃，(d) 600℃，(e) 700℃，(f) 800℃。

2. 网状散布的富Si过饱和β-Ti

TNZTS合金400℃时效4h后（图2），在晶界看察到薄壳状S2相，而且在晶内看察到富Si过饱和β-Ti，对TEM成果停止傅里叶变更发现其内部具有较多晶体缺陷，那为β-Ti改变为S2相供给了形核驱动力。

图2 400℃/4h后TNZTS合金的TEM描摹图和选区电子衍射图：（a）薄壳状晶界S2相的TEM描摹及基体衍射黑点；（b）图a中红圈对应的衍射黑点；（c）粒状晶界S2相TEM 描摹及d对应的衍射黑点；（e）图c的放大图以及对应f衍射黑点、（g）高辨认和（h）逆傅里叶变更。

3. 短棒状S2相

TNZTS合金600℃时效4h后（图3），在先存的颗粒状S2相上看察到新型的短棒状S2相，通过高辨认阐发发现其晶体取向与基体和先存S2相之间几乎连结平行，几乎不异的晶面间距和晶体取向意味着短棒状S2相的构成仅需要征服少量的界面能。同时在固溶1200℃/30min后的相界面处（图4），看察到基体微看应变大约是颗粒状S2相微看应变的2倍，较高的应变降低了S2相的成核能垒，促进短棒状S2相在相界处形核。

图3 600℃/4h后TNZTS合金的TEM描摹图和选区电子衍射图：（a）点状S2相和短棒状S2相的TEM描摹；（b）图a中红色矩形框对应的高辨认图和图c-e对应的点状S2、棒状S2以及β-Ti基体的傅里叶变更图；（f）短棒状S2相的生长描摹和放大图（插图）；（g）选区电子衍射图和（h）图 f 中对应白色圆圈的高辨认图；（i）重生薄壳状S2相的TEM描摹图；（j）晶内短棒状硅化物的TEM描摹和选区电子衍射图。

图4 1200℃固溶30min后TNZTS合金的TEM描摹、选区电子衍射图、高辨认图以及应变场图：（a）S2/β-Ti界面TEM图；（b）图a中白色圆圈内的选区电子衍射图；（c）S2相的高辨认图和白色矩形对应的傅里叶变更图；（e）和（f）应变张量εxx和εyy, 此中 x // [0001]S2, y //[1010̅]S2；（g）图e和f中对应的应变曲线图；（h）β-Ti的高辨认图；（i）图h白色矩形对应的傅里叶变更图；（j）和（k）应变张量 εxx和 εyy, 此中 x // [110]β-Ti, y // [11̅0]β-Ti；（l）图j和k中对应的应变曲线图。(d)和(i)中由白色圆圈标识表记标帜的g矢量用于计算应变张量重量。

4. 力学性能

图5为400℃差别时效时间后TNZTS合金的拉伸应力应变曲线。时效时间为0.5h 时，合金表示出较高的强度（1064±10 MPa）和断裂应变（5.6±1.0%），与LPBF增材造造造备的TNZTS合金比拟，塑性进步。跟着时效时间增加，合金的让步强度和抗拉强度改变不大，但合金的塑性逐步减小，出格颠末12h时效后塑性大幅降低（2.3%±0.6%）。那回因于跟着时间增加，脆性薄壳状S2沿袭着晶界不竭析出，急剧恶化了合金的拉伸塑性。

图5（a）400℃时效差别时间后TNZTS合金的拉伸应力应变曲线（插图为部分放大图）；（b）TNZTS 合金的让步强度、抗拉强度和弹性模量丈量值。

/ 启迪

那项研究的根本思惟是基于相抉择的激光粉床熔化增材造造手艺调控β型TiNbZrTaSi合金机械性能，系统研究了硅化物的两种析出行为及构成机造，显示了硅化物的形态及散布对TiNbZrTaSi合金力学性能的影响机造，提出了相抉择产生的不持续晶间硅化物调控合金性能的构想，为设想和造备具有优良力学性能的生物医用含硅β型钛合金供给了尝试根据和理论批示。

论文原文：

Xuan Luo, Tao Song, Feng Wang, Haizhou Lu, Limei Kang, Hongwei Ma, Dongdong Li, Annett Gebert, Chao Yang. Phase selection-oriented mechanical properties tailoring for β-type TiNbZrTaSi alloy fabricated by laser powder bed fusion. Adv. Powder. Mater. 2023, 2, 100118.