科学拾光：专注科学前沿，传递学术动态，以严谨视角解读科学进展，探索未知领域，助力科学探索之路。
1. 简介
本研究通过激光粉末床熔融（LPBF）原位合金化技术制备了一种新型高强度、低模量且具有良好塑性的亚稳β型Ti-14Nb-6Zr-3Fe（TNZF）合金。通过工艺参数优化，在最佳条件下获得了近全致密样品（孔隙率<0.1%）。采用两种棋盘扫描策略和简单扫描策略调控TNZF合金的微观结构与力学性能。结果表明，棋盘扫描策略（CS-TNZF）因较低的热梯度、Fe添加引入的高生长抑制因子以及残余Nb颗粒周围的成分过冷效应，形成了近等轴晶结构（平均纵横比：2.0），而简单扫描策略（AS-TNZF）则呈现典型的柱状晶。微观结构由β-Ti基体和2–5 nm尺寸的ω析出相组成。Zr的添加抑制了LPBF热循环过程中β向ω相的转变，导致部分坍塌的ω相形成。
未经后处理热处理的AS-TNZF样品表现出1091 MPa的屈服强度（YS）、68 GPa的弹性模量（E）和16.8%的延伸率（EL）；而CS-TNZF因ω相体积分数更高，屈服强度提升至1147 MPa，弹性模量为71 GPa，但延伸率降至10.8%。两种状态的弹性容许应变值（YS/E比）分别为1.60和1.62，实现了高强度、低模量与良好塑性的结合，表明其适用于生物医用植入材料。
2. 文章亮点
1. 创新性合金设计与成分优化通过激光粉末床熔融（LPBF）原位合金化技术，成功制备了新型亚稳β型Ti-14Nb-6Zr-3Fe（TNZF）合金。该合金基于Bo-Md电子合金理论设计，添加Zr抑制ω相形成，Fe促进等轴晶结构，实现了高强度（YS>1000 MPa）、低模量（E~70 GPa）与良好塑性（EL>10%）的结合。
2. 扫描策略调控微观结构与性能采用棋盘扫描策略（CS-TNZF）降低热梯度，结合残余Nb颗粒的成分过冷效应，形成近等轴晶结构（平均纵横比2.0），显著减少传统LPBF的柱状晶问题，同时通过ω相纳米析出（2–5 nm）优化力学性能，弹性容许应变值（YS/E）达1.62。
3. 无后处理热处理的工艺突破在不依赖后处理热处理的条件下，通过LPBF工艺参数优化（280 W, 800 mm/s）和原位热循环控制，直接获得近全致密（孔隙率<0.1%）且性能均衡的合金，避免了ω相过度析出对塑性的损害，为生物医用植入材料提供了高效制备方案。
3. 研究背景
钛合金因其高比强度、优异的耐腐蚀性和良好的生物相容性，被广泛应用于骨科植入材料。然而，传统的Ti-6Al-4V合金存在明显局限性，例如铝（Al）和钒（V）的潜在毒性。此外，Ti-6Al-4V的高弹性模量（约115 GPa）与人体皮质骨（10–30 GPa）之间的显著差异会导致应力屏蔽效应，可能引发骨吸收、植入体松动甚至失效。因此，开发具有更低弹性模量和更优生物相容性的新型植入材料至关重要。
亚稳β型钛合金因其优异性能成为下一代植入材料的理想选择。这类合金的弹性模量普遍低于Ti-6Al-4V，可有效缓解应力屏蔽，促进骨生长和骨整合。此外，它们通常添加无毒且生物相容的合金元素（如Nb、Zr），以减少人体内的不良反应。
激光粉末床熔融（LPBF）作为一种先进的增材制造（AM）技术，为复杂几何形状的β-Ti植入体制造提供了新途径。然而，LPBF加工亚稳β型钛合金仍面临挑战：高温度梯度和快速冷却速率易导致沿构建方向（BD）形成粗大柱状晶；而Mo、Nb等元素的添加会进一步缩小合金的凝固区间，加剧柱状晶形成。例如，LPBF制备的Ti-10Mo、Ti-41Nb等合金均呈现强烈的〈001〉织构，虽可降低弹性模量（如Ti-42Nb的模量降至42 GPa），但织构化导致的各向异性可能影响植入体在复杂载荷下的长期性能。
此外，LPBF的逐层沉积会引发原位热处理效应，可能导致脆性ω相析出，提高弹性模量并降低塑性。例如，Ti-4.5Ta-4Fe-7.5Nb-6Zr和Ti-10V-2Fe-3Al等合金因ω相析出，延伸率仅1%–2%。尽管后处理热处理可抑制ω相，但会增加成本和生产周期。因此，如何在LPBF过程中直接调控ω相含量，成为实现高强度、低模量和高塑性平衡的关键挑战。
4. 图文解析
图1. Bo-Md示意图显示设计的Ti-14Nb-6Zr-3Fe合金在相图中的位置图2. (a) 球磨混合粉末制备示意图。(b) 不同扫描策略示意图。(c) 拉伸试样示意图。(d) 混合Ti-Nb-Zr-Fe粉末的SEM图像。(e) 图(d)混合粉末对应的EDS元素分布图图3. LPBF加工试样的宏观形貌图4. 不同激光功率和扫描速度下试样的OM显微照片图5. 不同参数制备样品的孔隙率图6. 不同参数下样品中未熔Nb颗粒的背散射电子(BSE)图像：(a) 240 W激光功率和1200 mm/s扫描速度，(b) 280 W激光功率和800 mm/s扫描速度，(c) 300 W激光功率和600 mm/s扫描速度图7. TNZF样品垂直截面的显微结构：(a, b) AS-TNZF，(c, d) CS-TNZF。(e) 未熔Nb颗粒周围的形貌。(f–i) 图(e)对应的EDS元素分布图图8. 残余Nb颗粒的EDS线扫描分析图9. AS-TNZF和CS-TNZF样品的BSE图像及对应EDS元素分布：(a) AS-TNZF，(b) CS-TNZF图10. (a) AS-TNZF的IPF图，(b) CS-TNZF的IPF图，(c) AS-TNZF的晶粒尺寸分布，(d) CS-TNZF的晶粒尺寸分布，(e) AS-TNZF和CS-TNZF的极图(PF)图11. AS-TNZF和CS-TNZF材料的XRD图谱图12. AS-TNZF的微观结构：(a) 明场TEM图像，(b) β和ω相的SAED衍射花样，(c) ω相的暗场TEM图像，(d–h) 暗场STEM图像及EDS元素分布图13. CS-TNZF的微观结构：(a) 明场TEM图像，(b) β和ω相的SAED衍射花样，(c) ω相的暗场TEM图像，(d) ω相的高分辨TEM图像，(e–i) 暗场STEM图像及EDS元素分布图14. (a) AS-TNZF和CS-TNZF的拉伸工程应力-应变曲线，(b) 加工硬化率曲线，(c) 与其他亚稳钛合金的强度和延伸率对比[20,25–28,43–47]图15. (a–c) AS-TNZF的断口形貌。(d–f) CS-TNZF的断口形貌图16. (a) 硬度随载荷变化曲线。(b) 载荷随压入深度变化曲线。(c) AS-TNZF的压痕形貌。(d) CS-TNZF的压痕形貌图17. (a) 残余Nb颗粒区域的IPF图。(b) 成分过冷与等轴晶形成机制示意图图18. (a) AS-TNZF的GND密度分布图，(b) CS-TNZF的GND密度分布图，(c) AS-TNZF的GND密度分布统计，(d) CS-TNZF的GND密度分布统计图19. TNZF合金计算屈服强度与实际屈服强度的对比5. 文章结论
本研究通过激光粉末床熔融（LPBF）原位合金化技术制备了新型亚稳β型Ti-14Nb-6Zr-3Fe（TNZF）合金，系统研究了其微观结构、力学性能、等轴晶形成机制及强化机理。采用两种扫描策略（简单扫描AS-TNZF和棋盘扫描CS-TNZF）优化工艺参数后，获得了近全致密（孔隙率<0.1%）的样品。
棋盘扫描策略（CS-TNZF）通过降低热梯度、Fe添加引入的高生长抑制因子以及残余Nb颗粒周围的成分过冷效应，形成了近等轴晶结构（平均纵横比2.0），而简单扫描策略（AS-TNZF）则呈现典型的柱状晶。微观结构由β-Ti基体和2–5 nm尺寸的ω析出相组成，其中Zr的添加抑制了LPBF热循环过程中β向ω相的完全转变，导致部分坍塌的ω相形成。
未经后处理的AS-TNZF样品表现出优异的综合性能：屈服强度（YS）1091 MPa、弹性模量（E）68 GPa、延伸率（EL）16.8%；而CS-TNZF因ω相体积分数更高，YS提升至1147 MPa，E为71 GPa，但EL降至10.8%。两种状态的弹性容许应变值（YS/E比）分别为1.60和1.62，显著优于其他LPBF制备的亚稳β型钛合金（如Ti-42Nb的1.53和Ti-22Zr-11Nb-2Sn的1.55）。
强化机制分析表明，TNZF合金的高强度主要源于细晶强化（σGB=157–159 MPa）、固溶强化（σSS=302 MPa）、位错强化（σDS=131–134 MPa）和ω相沉淀强化（σPS=258–312 MPa）。其中，CS-TNZF更高的强度归因于棋盘扫描策略诱导的更均匀ω相分布。
本研究通过LPBF原位合金化实现了高强度（YS>1000 MPa）、低模量（E~70 GPa）与良好塑性（EL>10%）的结合，为生物医用植入材料提供了无需后处理热处理的直接制备方案。弱织构和近等轴晶结构进一步确保了力学性能的各向同性，满足复杂载荷下的长期服役需求。
全文链接
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.02.083
声明
以上图文版权归原作者所有。如有侵权，请联系删除。
