通过热膨胀系数不匹配驱动的界面强化作用，超越混合规则在增材制造的钛合金异质结构中的应用

《Acta Materialia》：Transcending the Rule-of-Mixtures via Coefficient of Thermal Expansion Mismatch-Driven Interfacial Strengthening in Additively Manufactured Ti Alloy Heterostructures

异质结构钛合金通过增材制造诱导的热力学失配实现强度与塑性的协同优化，突破混合法则限制。热膨胀差异引发界面应力集中和位错累积，配合软层塑性变形协调机制及裂纹扩展抑制效应，使异质结构强度超过两种均质材料，同时保持良好延展性。

　　

Xingdong Dan|Chuanxi Ren|Xuanlai Chen|Hongning Wen|Hengchao Shi|Qi Liu|Shengxi Jin|Dongdong Zhang|K.C. Chan|Zibin Chen

中国香港香港理工大学工业与系统工程系，超精密加工技术国家重点实验室

摘要

异质结构合金因其同时增强强度和延展性的卓越能力而最近受到关注。然而，尽管这些机械性能有所提高，这类合金的特性通常仍遵循混合规则，即整体性能介于硬质区和软质区之间。本研究探讨了如何利用增材制造过程中固有的热机械失配来克服这一限制。在层状Ti-3.5Al/Ti-6Al-4V异质结构中，组成层之间的显著热机械失配导致快速凝固过程中出现较大的热膨胀差异。这一过程产生了明显的热失配应力，并促进了位错在界面处的积累。这些界面促进了异质变形引起的强化，其机制受到软质Ti-3.5Al层中显著的反应力效应和有效的应变适应性的控制。此外，断口分析证实，软质Ti-3.5Al层有效地阻止和偏转了裂纹，从而减少了过早断裂。这些综合机制使得Ti-3.5Al/Ti-6Al-4V异质结构的强度超过了纯Ti-3.5Al和Ti-6Al-4V合金，同时保持了足够的延展性。这一结果打破了典型异质结构合金所遵循的混合规则。因此，本研究展示了一种利用增材制造引起的热机械失配来设计高性能钛合金的创新方法，为超越传统优化策略提供了途径。

引言

强度与延展性的权衡在结构金属材料中一直是一个持续存在的挑战[1,2]。传统的强化方法，如晶粒细化和固溶合金化，通常会以牺牲延展性为代价来提高强度，这主要是由于有限的应变硬化能力和降低的位错储存能力[[3], [4], [5]]。这一根本性的折中限制了高强度合金在苛刻结构部件中的应用。异质结构（HS）材料最近作为一种有前景的策略出现，以克服这一限制[6]。通过整合具有不同机械性能的域，HS材料促进了应变分配和异质变形引起的（HDI）硬化，从而实现了强度和延展性的同时提高[7]。在各种HS设计中——包括双模[8,9]、梯度[10,11]、谐波[12,13]和层状结构[[14], [15], [16]]——层状配置特别有利，因为它具有简单的制造工艺、可调的界面间距、可控的强度对比以及明确的载荷传递路径[[16], [17], [18], [19]]。尽管有这些优势，许多层状HS系统的机械性能仅接近混合规则（ROM），未能显著超过其单个组分的性能[14,15]。此外，传统的加工方法如冷轧和退火通常会引起严重的塑性变形，导致尖锐的界面，这些界面可能成为损伤起始和裂纹扩展的优先位置。这些方法还经常受到界面结合不良和化学或结构设计灵活性不足的限制[20]。

增材制造（AM），特别是激光定向能量沉积（L-DED），通过实现复杂层状异质结构的设计，提供了一种克服这些限制的变革性方法[21,22]。多粉末进料系统允许在制造过程中控制成分转变，从而实现传统方法难以实现的空间编程异质性[22,23]。AM的熔融基础特性还确保了层与层之间的强冶金结合，与传统连接方法中的机械互锁不同，从而提高了界面完整性和载荷传递效率，同时降低了脱粘或过早失效的风险[24]。此外，AM的固有特性——包括快速熔化、凝固和陡峭的热梯度——会产生高冷却速率和反复的热循环，这些已知会导致位错密度和残余热应力的增加[[25], [26], [27], [28]]。在均匀合金中，由于热性能均匀，这些过程引起的特性通常只会带来微小的机械强度提升[29]。相比之下，对复合系统的研究表明，组成相之间的热膨胀系数（CTE）不匹配会在热循环过程中产生显著的内部应力和界面局部位错结构[[30], [31], [32]]。例如，Taya和Lulay[33]定量地将金属基复合材料（MMCs）的屈服强度提高归因于冷却过程中CTE不匹配引起的冲压位错和长程反应力。同样，Ho和Saigal[34]报告称，铸态Al-SiC MMCs中增加的冷却速率导致更高的屈服强度，他们将其归因于热诱导的塑性不兼容性和相界处的位错积累。这些发现强调了热膨胀不匹配作为促进界面处残余热应力发展和位错生成的有效机制，提出了一个关键问题：这些AM过程引起的效应是否可以在层状异质结构中得到放大。具体来说，通过有意在界面处引入热物理性质的对比，可能能够提高机械性能，超越ROM的预测。

基于这一基础，本研究采用了一种基于热膨胀不匹配的界面工程策略，以增强通过L-DED制造的Ti-6Al-4V的机械性能。选择这种合金是因为其出色的比强度、广泛的工业应用以及在严苛服役条件下的日益提高的性能要求[35]。由于软质Ti-3.5Al层具有中等强度和高延展性的良好记录[36]，因此将其纳入层状结构中。这种设计具有几个固有的优势。首先，在选定的成分范围内，预计两种合金之间不会形成脆性的金属间相，从而最小化了制造过程中的界面剥离风险。其次，这两种组分表现出明显不同的热物理性质——这种差异在AM特有的快速热循环中得到了放大。具体来说，Ti-6Al-4V的热导率约为7.06 W·m?1·K?1，而Ti-3.5Al的热导率约为10.05 W·m?1·K?1，其热扩散率分别为约3.26 mm2·s?1和4.26 mm2·s?1。文献值也表明Ti-6Al-4V与低Al α-Ti合金之间的CTE存在显著差异[37]。这种热机械差异在AM过程中引起了局部的膨胀和收缩，建立了Ti-3.5Al/Ti-6Al-4V层之间的显著热失配应力和小尺度应变梯度，并为机械加载时的几何必要位错（GNDs）储存和HDI强化预准备了界面。此外，钒（V）从Ti-6Al-4V向富Al的α-Ti相的扩散在热力学上受到抑制——这是由于在较高Al含量下V的溶解度降低——并且在快速凝固条件下受到动力学限制[38]。因此，层间扩散被最小化，这（i）减少了不希望的成分热机械性质梯度，（ii）保持了尖锐但紧密结合的界面，而没有形成脆性的金属间相，（iii）保持了有效的界面介导强化所需的机械和热物理对比。这些条件共同实现了界面完整性和功能对比之间的最佳平衡，这对于实现层状Ti-3.5Al/Ti-6Al-4V结构中的强HDI硬化和裂纹阻止能力至关重要。

通过这种设计，构建的Ti-3.5Al/Ti-6Al-4V异质结构展示了卓越的强度-延展性协同效应，其强度高于任一纯组分，同时保持了足够的拉伸延展性。强度和延展性都超过了Ti-6Al-4V基体，明显偏离了ROM，这是报道的HS材料中最显著的偏离之一。这些发现为增材制造的钛合金建立了一种热机械驱动的界面工程范式，为超越ROM提供了多用途的途径，并为高性能、轻量结构部件的可扩展设计策略提供了信息。

部分摘录

样品制备

在本研究中，从Avimetal Powder Metallurgy Technology Co., Ltd.购买了商业纯钛（CP-Ti，ASTM Grade 1）和Ti-6Al-4V（6.39 wt.% Al，4.05 wt.% V，余量Ti）的气雾化粉末。此外，北京兴荣源科技有限公司还提供了预合金化的Ti-54Al粉末（54.2 at.% Al，0.026 at.% C，0.048 at.% N）。所有粉末都呈现球形形态，表面光滑，粒径分布范围为53至103 μm，确保了最佳性能

层状结构

图2a展示了沿建造方向平行切面的Ti-3.5Al、Ti-6Al-4V和异质样品的XRD图谱。所有样品都显示了仅与α-Ti相（P6₃/mmc）相对应的衍射峰。未观察到与β相相关的衍射峰。尽管Ti-6Al-4V在平衡条件下通常被归类为α+β合金，但当前样品中缺乏β衍射峰与先前的研究结果一致

讨论

层状异质样品实现了高屈服强度和延展性的显著结合，超过了具有相同成分的均匀合金通常观察到的机械性能。如前所述，这种增强的机械行为归因于Ti-3.5Al/Ti-6Al-4V界面处的应变局部化以及软质层和硬质层之间的变形不兼容性。

结论

通过利用L-DED过程固有的快速热循环，本研究利用CTE不匹配引起的热机械效应来设计具有热失配应力和预储存位错结构的界面。由此产生的结构实现了强冶金结合、尖锐但机械兼容的界面，以及超越ROM预测的协同机械响应。本研究的主要发现总结如下：

1.

CRediT作者贡献声明

Xingdong Dan：撰写——原始草稿、方法论、调查、正式分析、概念化。Chuanxi Ren：方法论。Xuanlai Chen：方法论。Hongning Wen：撰写——审阅与编辑。Hengchao Shi：方法论。Qi Liu：调查。Shengxi Jin：调查。Dongdong Zhang：撰写——审阅与编辑。K.C. Chan：撰写——审阅与编辑、监督、资源获取、概念化。Zibin Chen：撰写——审阅与编辑、监督、资源获取、资金获取、概念化。