钛板厂家谈3D打印高性能钛氧铁合金及其影响

如何高效利用高氧钛粉？

据了解，钛合金是一种轻质高强金属结构材料。α-β 双相钛合金是钛工业的主干材料，自 20 世纪 50 年代以来，该类钛合金的生产主要通过向钛金属中添加铝和钒来实现。其中，铝被用于稳定和强化 α 相钛，钒则被用于稳定和强化 β 相钛。

氧和铁是两种储量丰富、价格低廉的元素，它们分别可以稳定和强化 α 相钛和 β 相钛。氧稳定 α 相钛的能力大约是铝的 10 倍；而铁稳定 β 相钛的能力大概是钒的 4 倍。

然而，氧被广泛称为“钛的克星”，原因在于，如果超过一个低的临界值含量，氧会极速增加钛合金的脆性。

铁虽然是最强的 β 相钛稳定化元素，但是，当把 2% 左右的铁作为主要的 β 相钛稳定化元素加入钛合金之后，在通常的凝固条件下往往会形成难以消除的块状 β 斑，这会严重影响组织的均匀性，进而对钛合金性能造成诸多不利影响。

因此，利用传统制造工艺制备高性能 α-β 双相 Ti-O-Fe 合金严重受制于上述两个因素。

从原材料角度看，自 20 世纪 40 年代钛工业诞生以来，海绵钛金属的生产通常使用高能耗的克劳尔（Kroll）工艺。在这种工艺里，大约有 5%-10% 的海绵钛存在铁超标或氧超标的情况，属于低等级或等级外海绵钛产品，无法用来生产高性能钛合金。

假如能把这些低等级或等级外海绵钛转化为高性能的钛合金，必将带来重要的经济价值和减排效应。

此外，氧和钛具有非常强的结合能力。低氧钛粉在 3D 打印循环过程中，随着循环次数的增加，剩余钛粉的氧含量会逐渐增加进而可能超标。

而且，在非球形钛粉的生产工艺中，一部分钛粉不可避免会含有较高的氧含量。目前对这些高氧钛粉的有效再利用一直是一个难题。

图 | 宋廷廷和恩师马前教授，背景为该研究所用墨尔本皇家理工大学增材制造中心的激光金属粉末沉积设备

宋廷廷团队通过使用一种名为“定向能量沉积”的增材制造技术，课题组成功制备了这种 Ti-O-Fe 合金。通过改变两种相对廉价、甚至能免费获取的合金元素（Fe 和 O）在 Ti 合金中的比例，Ti-O-Fe 合金拥有了与 Ti-6Al-4V 合金相媲美的延展性，然而其强度却更加高。这些新型高性能 Ti-O-Fe 合金有望获得多方面的应用，包括在航空航天、生物医学、化学工程、空间和能源技术等领域。

图片图｜激光粉末沉积钛合金打印窗口（c 中绿区）和激光粉末沉积打印态 Ti-O-Fe 合金的微观结构 （详见论文图例解释）。d–g 的比例尺是一百微米，h–k 的比例尺是一微米（来源：Nature）

图片图｜激光粉末沉积 3D 打印态 Ti-O-Fe 合金室温下的拉伸力学性能（合金成分改变，3D 打印工艺不变）（来源：Nature）

合金设计的初衷充分考虑了低合金化和循环经济的思想，即考虑到后续会利用铁、氧超标的等级外的海绵钛、来自打印循环过程中高氧含量的剩余钛粉或其它途径的高氧含量的钛粉，以及用氧量高的加工“废料”为原材料, 来制备这类新型钛合金。

该高延展性高强度 Ti-O-Fe 工作对该挑战有一定的启发性，即可以考虑通过合金设计的方法，引入一个能够接受氧或其它间隙元素的第二组成相，再结合第一性原理计算来预测间隙元素的分布。同时，施以量身裁体的 3D 打印工艺，就有希望针对由氧元素或类似间隙元素引起的脆性问题提供有效解决方案。

另外，他们还使用尖端技术来表征这一合金，例如使用三维原子探针技术，详细探索了 3D 打印态 Ti-O-Fe 合金中的元素分布情况，精度可以达到原子级。

图片图｜激光粉末沉积 3D 打印态 Ti-O-Fe 合金中 Fe 原子和 O 原子的分布（来源：Nature）

来源：中材市协钛材料分会