增材制造（AM）技术，特别是激光粉末床熔化（L-PBF）技术，因其能够制备复杂几何结构的零件，已经受到业界的高度重视。在L-PBF过程中，材料会经历由层间和轨迹间熔化引起的周期性热循环，这种独特的热循环模式往往会促进有害相的形成，例如在亚稳态β钛合金中的等温ω相，这种相变可能会导致材料的严重脆化。亚稳态β钛合金因其优异的比强度、耐蚀性和生物相容性，广泛应用于航空航天和生物医学领域。这些合金通常含有大量的β稳定元素，如钼（Mo）、铌（Nb）、钒（V）、铬（Cr）和铁（Fe），能够在室温下保持高温β相。通过热处理控制组成相、其尺寸和体积分数，这些合金有望实现超高强度。然而，考虑到其合金元素含量高（材料成本高）以及热机械加工难度较大（制造成本高），近净成形技术，如增材制造，由于其能够减少材料浪费，降低对昂贵模具和机械加工的需求，成为亚稳态β钛合金最理想的制备工艺。
在此背景下，昆士兰大学的研究团队通过在激光粉末床熔化（L-PBF）过程中添加锡（Sn），成功解决了Ti-13.5Mo亚稳态β钛合金中的ω相脆化问题。Ti-13.5Mo作为一种重要的亚稳β钛合金，广泛应用于多种领域，并且是其他多组分β钛合金的基础，因此被选择为本研究的主要对象。研究的重点在于探索Sn的添加是否能够有效抑制等温ω相的形成，从而提高合金的塑性，满足关键应用（如生物医学植入物）对塑性（延伸率）的最低要求。微观结构表征和沉淀动力学模拟显示无论是Ti−13.5Mo合金还是添加锡后的Ti−13.5Mo合金，均存在密集分布的ω相。然而，锡的添加显著延缓了等温ω相最终共格形态的形成，从而有效减轻了脆化效应。维氏显微硬度测试和室温拉伸试验结果表明，通过L-PBF制造的Ti-13.5Mo+5Sn合金展现出优异的强度和塑性平衡，性能优于传统制造工艺制备的类似合金。这项研究不仅为Ti-Mo二元材料体系提供了解决方案，还为β钛合金的抗ω相脆化提供了一条途径，其研究成果对于增材制造领域具有重要意义，并有望推广到其他多组分β钛合金的设计与开发。
相关研究成果以题为“Designing against ω phase embrittlement in additively manufactured Ti−13.5Mo metastable β titanium alloy through Sn additions”的论文发表在《Additive Manufacturing》上。
图2.Ti-13.5Mo+5Sn的SEM图和相应的Ti、Mo、Sn元素的EDS图以及SEM-EDS图谱。
图3.Ti−13.5Mo 和 Ti−13.5Mo+5Sn 中 ω 相的体积分数在不同时效温度下随时间的变化规律。
图4.Ti - 13.5Mo+5Sn与同类合金（Ti - 13Mo - 6Sn和Ti - 14Mo - 5Sn）的拉伸性能比较。
