东北大学顶刊丨粉末床熔融增材制造超低温钛合金组件，强度/延展性实现同步提升

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目前，开发液氢动力的航空航天器，客机和汽车是减少碳排放和解决能源危机最有前景的战略之一，尤其是液氢燃料最有能力代替汽油、柴油等传统燃料。在液氢火箭发动机、液氢贮箱、管道和泵轮等设备中，一般运行在20K下，因此需要轻质金属构件在20K以下的超低温仍具有优异的力学性能。钛合金，尤其是近α型钛合金，具有密度低、比强度和比刚度高、延展性好、超低温热膨胀系数低等显著优势，已成为理想的航空航天低温结构材料，在液体燃料火箭发动机中得到应用。

因此，开发一种新型的低温近α钛合金将具有巨大的科学价值和实用意义。对此，东北大学牛红志教授团队首次证实了电子束粉末床熔融（EB-PBF）用于超低温应用的高性能钛合金部件的可行性，并且发现EB-PBF制备的微量钇改性的Ti− 3Al− 3Mo− 3Zr合金的低温强度和塑性与层片组织特性密切相关。

Graphical Abstract

图1. (a)处理过的样品 3D 显微 CT 结果，(b)粉末粒度分析及气孔率统计结果，(c)低放大倍率 OM 图像和(d)处理过的微观结构的SEM图像

图2. PBF制备的试样(a)和(b)HIP处理，(c)和(d)910 ℃退火，(e)和(f)950℃退火条件下的纵向截面微观结构

基于EB-PBF制备出的钛合金试样实现了低温塑性的突破，其断裂伸长率（EI）在20K时高达20%，在77K时达29%，且强度没有明显下降，这种优异的低温塑性是由于大尺度孪生有效缓解了局部应力集中，增强了应变硬化能力。相比之下，细小的α - Ti板条的交织结构会阻碍位错滑移/转移和孪晶长大，导致极限抗拉强度（UTS）在20K时高达1500 MPa，EI适中≤13.5%。

相关研究成果以题 “Achieving highly promising strength-ductility synergy of powder bed fusion additively manufactured titanium alloy components at ultra-low temperatures” 发表在国际知名期刊Additive Manufacturing上。

图3. PBF制备的合金拉伸性能随温度的变化图。(a)和(b)分别为 77 K和 20 K拉伸工程应力-应变曲线，(c)950℃退火拉伸断裂试样在 20 K下的多次颈缩，(d)和(e)分别在77 K和20 K下的拉伸真应力-真应变曲线与相应的加工硬化率曲线相交，交点表示均匀变形的结束

综上所述，在这项研究中，首先采用EB-PBF增材制造来开发面向液氢泵的低温钛合金叶轮，系统研究了EB-PBF构建的近α钛合金的低温增韧行为。

1）首次通过实验证明通过EB-PBF用来制造几何形状复杂的低温钛合金部件是可行的，在20K时具有非常强的延展性。

2）EB-PBF构建的钛合金表现出优异的断裂伸长率，20K时的延展性为20.0%，77K时的延展性为29.0%。20K的合金远高于目前主流的锻造和PM钛合金。

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来源：增材制造硕博联盟

Additive 断裂航空航天汽车电子增材材料

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首次发布时间：2023-03-20