如何高效利用高氧鈦粉？

據(jù)了解，鈦合金是一種輕質(zhì)高強(qiáng)金屬結(jié)構(gòu)材料。α-β 雙相鈦合金是鈦工業(yè)的主干材料，自 20 世紀(jì) 50 年代以來，該類鈦合金的生產(chǎn)主要通過向鈦金屬中添加鋁和釩來實(shí)現(xiàn)。其中，鋁被用于穩(wěn)定和強(qiáng)化 α 相鈦，釩則被用于穩(wěn)定和強(qiáng)化 β 相鈦。

氧和鐵是兩種儲量豐富、價(jià)格低廉的元素，它們分別可以穩(wěn)定和強(qiáng)化 α 相鈦和 β 相鈦。氧穩(wěn)定 α 相鈦的能力大約是鋁的 10 倍；而鐵穩(wěn)定 β 相鈦的能力大概是釩的 4 倍。

然而，氧被廣泛稱為“鈦的克星”，原因在于，如果超過一個(gè)低的臨界值含量，氧會極速增加鈦合金的脆性。

鐵雖然是最強(qiáng)的 β 相鈦穩(wěn)定化元素，但是，當(dāng)把 2% 左右的鐵作為主要的 β 相鈦穩(wěn)定化元素加入鈦合金之后，在通常的凝固條件下往往會形成難以消除的塊狀 β 斑，這會嚴(yán)重影響組織的均勻性，進(jìn)而對鈦合金性能造成諸多不利影響。

因此，利用傳統(tǒng)制造工藝制備高性能 α-β 雙相 Ti-O-Fe 合金嚴(yán)重受制于上述兩個(gè)因素。

從原材料角度看，自 20 世紀(jì) 40 年代鈦工業(yè)誕生以來，海綿鈦金屬的生產(chǎn)通常使用高能耗的克勞爾（Kroll）工藝。在這種工藝?yán)?，大約有 5%-10% 的海綿鈦存在鐵超標(biāo)或氧超標(biāo)的情況，屬于低等級或等級外海綿鈦產(chǎn)品，無法用來生產(chǎn)高性能鈦合金。

假如能把這些低等級或等級外海綿鈦轉(zhuǎn)化為高性能的鈦合金，必將帶來重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和減排效應(yīng)。

此外，氧和鈦具有非常強(qiáng)的結(jié)合能力。低氧鈦粉在 3D 打印循環(huán)過程中，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，剩余鈦粉的氧含量會逐漸增加進(jìn)而可能超標(biāo)。

而且，在非球形鈦粉的生產(chǎn)工藝中，一部分鈦粉不可避免會含有較高的氧含量。目前對這些高氧鈦粉的有效再利用一直是一個(gè)難題。

圖 | 宋廷廷和恩師馬前教授，背景為該研究所用墨爾本皇家理工大學(xué)增材制造中心的激光金屬粉末沉積設(shè)備

宋廷廷團(tuán)隊(duì)通過使用一種名為“定向能量沉積”的增材制造技術(shù)，課題組成功制備了這種 Ti-O-Fe 合金。通過改變兩種相對廉價(jià)、甚至能免費(fèi)獲取的合金元素（Fe 和 O）在 Ti 合金中的比例，Ti-O-Fe 合金擁有了與 Ti-6Al-4V 合金相媲美的延展性，然而其強(qiáng)度卻更加高。這些新型高性能 Ti-O-Fe 合金有望獲得多方面的應(yīng)用，包括在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)工程、空間和能源技術(shù)等領(lǐng)域。

圖片圖｜激光粉末沉積鈦合金打印窗口（c 中綠區(qū)）和激光粉末沉積打印態(tài) Ti-O-Fe 合金的微觀結(jié)構(gòu) （詳見論文圖例解釋）。d–g 的比例尺是一百微米，h–k 的比例尺是一微米（來源：Nature）

圖片圖｜激光粉末沉積 3D 打印態(tài) Ti-O-Fe 合金室溫下的拉伸力學(xué)性能（合金成分改變，3D 打印工藝不變）（來源：Nature）

合金設(shè)計(jì)的初衷充分考慮了低合金化和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的思想，即考慮到后續(xù)會利用鐵、氧超標(biāo)的等級外的海綿鈦、來自打印循環(huán)過程中高氧含量的剩余鈦粉或其它途徑的高氧含量的鈦粉，以及用氧量高的加工“廢料”為原材料, 來制備這類新型鈦合金。

該高延展性高強(qiáng)度 Ti-O-Fe 工作對該挑戰(zhàn)有一定的啟發(fā)性，即可以考慮通過合金設(shè)計(jì)的方法，引入一個(gè)能夠接受氧或其它間隙元素的第二組成相，再結(jié)合第一性原理計(jì)算來預(yù)測間隙元素的分布。同時(shí)，施以量身裁體的 3D 打印工藝，就有希望針對由氧元素或類似間隙元素引起的脆性問題提供有效解決方案。

另外，他們還使用尖端技術(shù)來表征這一合金，例如使用三維原子探針技術(shù)，詳細(xì)探索了 3D 打印態(tài) Ti-O-Fe 合金中的元素分布情況，精度可以達(dá)到原子級。

圖片圖｜激光粉末沉積 3D 打印態(tài) Ti-O-Fe 合金中 Fe 原子和 O 原子的分布（來源：Nature）

來源：中材市協(xié)鈦材料分會