Ti-1Al-8V-5Fe (Ti-185)等含鐵β -Ti合金因其強度高（抗拉強度高達1600MPa）、成本低而受到人們的青睞。然而，由于強的Fe元素偏析和β相顆粒的形成，這些合金不能通過鑄錠鑄造生產。本研究中以單質Ti、Fe粉末和不規則形狀的Al-V中間合金粉末為原料，采用選擇性激光熔化(SLM)技術成功地制備了Ti-185部件。 在本研究中，Ti-185作為一種新型材料被用于選擇性激光熔化(SLM，一種基于粉末床的增材制造技術)的制造中。相對于α + β級，關于β鈦合金AM的研究很少。這被認為是由于可用于SLM制造的粉末很稀有。本工作的主要目的是研制Ti-185合金的打印組件，且具有最小的偏析和孔隙，合理的力學性能。在金屬加熱過程中，冷卻速率可達103-104°C/s，這可以大大減少Fe偏析，減少β顆粒的形成，確保獲得最佳的屈服強度和韌性。Eylon和Froes指出，Ti-185應該只用于能夠從液體快速轉化為固體的過程中。由此可見，增材制造具有高凝固速率的特點，是唯一適合加工Ti-185的材料。 相關研究以題為“Additive manufacturing of a novelTi-Al-V-Fe alloy using selective laser Melting“的論文，被發表在《Additive Manufacturing》期刊上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.04.006 鈦合金具有較高的比強度和較高的工作溫度。近年來，β -Ti合金因其較高的強度以及較其它Ti合金更好的韌性和抗疲勞性能而得到了廣泛的研究。這些合金含有大量的β穩定元素(Mo, V, Cr, Fe)。由于成本高，β -Ti合金的大規模采用受到限制，這部分是由于Mo、V和Cr合金元素的成本。 Ti-1Al-8V-5Fe (Ti-185)是一種獨特的低成本β -Ti合金，與Ti-10V-2Fe-3Al (Ti-1023)和Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (Ti-5553)相比，它含有較低成本的合金元素，特別是Fe，同時提供高強度和疲勞壽命。盡管Ti-185在50多年前就獲得了專利，但使用傳統的加工方法在商業上并不可行。這是因為鑄造過程中Fe發生了強烈的微偏析，導致成分變化較大，并導致脆性相的析出。在目前Ti-185合金的少數可實施應用中，多是通過對合金進行熱處理，以產生由β基體和晶界初生α相組成的微觀組織，以及晶粒內部α析出相的納米級分布。 Joshi等人開發了Ti-185的加工路線，即粉末冶金結合熱機械加工。這樣就避免了Fe的偏析和有害β斑相的形成(β斑相是富含β穩定元素的β相區域，如Fe和/或Cr)。雖然Ti-185合金性能優異(拉伸強度1655MPa，伸長率4 - 6%)，但在制作組件時，需要經過漫長而昂貴的燒結處理和多次軋制步驟。Devaraj從相同的材料開始，通過在β -超溫下時效處理，在β -基體中開發了具有非常精細的初生和次生α的分級納米結構合金。這種顯微組織產生了強度和延展性的獨特組合，超過了現有的所有商業鈦合金。

圖1 (a)本研究所用Ti-185粉末的SEM圖像，(b)預制樣品的XRD圖譜，(c)粒徑分布分析。

圖2 (a, b)在拋光和腐蝕條件下的建成樣品的光學顯微圖，(c)建成樣品和隨后加熱到1200°c然后水淬的樣品的XRD圖，(d)建成樣品在建成方向的EDS線掃描。(注意:Fe線和V線相互重疊)。

圖3所示。(a)建成結構的光學顯微圖;(b)來自(a)框的高分辨率圖像，顯示出不均勻的沉淀分布。構建方向是垂直的。

圖4所示。由疊加的晶界圖(白點為無索引點，實線為高角度晶界)和(b) (a)中高亮區域的α相圖(注:β (β)相矩陣中的晶界被初級α相裝飾，(c)對應的鐵(Fe)圖顯示了鐵在α和β (β)區域之間的分配。

圖5所示。Ti-185合金在SLM和后熱處理過程中的溫度-時間剖面示意圖。對于O值為0.78 wt.%的Ti-185，平衡熔化溫度為1650℃，β-過渡溫度為980℃。

圖6所示。(a)建成樣品的亮場TEM圖像;(b)衍射圖和(c)， (d) α相和ω相的暗場圖像;(e)β基體內位錯結構;(f)分析顯示α β， n d ω，，斑點的衍射圖。

圖7 在(a, c) 800℃時效1 h和(b, d) 960℃時效30min時，晶粒尺寸和α析出相的演變。生成方向為垂直方向。

圖8 Ti-185試樣的預制和熱處理(960°C-30min)的真壓應力-應變曲線。故障點由交叉標識。

表1 (近)β- β Ti合金的壓縮力學性能。 最終，用SLM法成功地生產出了一種因鑄錠過程中嚴重偏析而易發生脆性的含鐵鈦合金Ti-185。在Ti-185中發現的小晶粒和這些β顆粒的缺失提供了強有力的冶金證據，表明Ti-185是一種很有前途的SLM材料。強度和塑性的顯著結合是由于非常細的晶粒結構、分布在β (β)基體中的納米級α相、高位錯密度以及高氧含量。 通過對預制構件的微觀結構分析表明，SLM可以用于產生具有納米級析出相和非有害的鐵偏析的非常細的晶粒組織。這一結果可以用SLM過程中的快速凝固條件來解釋。壓縮試驗結果表明，無論是打印試樣還是熱處理試樣，都能獲得超高強度和合理的延性。該工藝為增材制造新系列含鐵鈦合金的開發開辟了一條新的途徑。

審核編輯 ：李倩