北科大增材顶刊：打破常规！成分异质性“变废为宝”，增材制造钛合金实现强塑性协同优化

增材制造原位合金化技术因能够突破传统合金设计中的成分限制，实现复杂合金体系的快速探索与定制化制备，在航空航天、生物医疗及化工能源等领域展现出广阔的应用前景。然而，该技术固有的非平衡凝固特性往往导致合金元素在熔池内部发生显著偏析，形成成分不均匀的微观结构。长期以来，这种成分异质性被视为原位合金化的"先天缺陷"，研究者们通常致力于通过工艺优化或高温长时均匀化热处理来消除偏析，以期获得均一的微观组织和稳定的力学性能。

然而，消除偏析的努力往往伴随着新的困境。高温长时热处理虽能改善成分均匀性，却不可避免地导致LPBF特有的细晶强化效应减弱、亚微米胞状结构消失，甚至引发晶粒粗化和加工成本攀升。更为关键的是，成分偏析所衍生的局域相稳定性差异——这一由增材制造自然赋予的"结构基因"——在传统均匀化处理中被彻底抹除，从而丧失了一种潜在的微观结构设计自由度。如何在保留增材制造非平衡组织优势的前提下，将固有的成分异质性转化为性能增益的驱动力，而非需要被动消除的缺陷，成为增材制造原位合金化领域亟待突破的核心科学问题。

为解决这一难题，北京科技大学曲选辉教授、张百成教授团队围绕LPBF原位合金化中成分偏析这一长期困扰材料界的关键科学问题，提出了一种"化弊为利"的微结构调控新策略，通过精准设计的短时低温热处理将打印态固有的成分异质性转化为层次化的异质微观结构，实现了钛合金强度与塑性的协同提升。相关成果以"Strength and ductility of an in-situ alloyed additively manufactured titanium alloy with composition-induced microstructural heterogeneity"为题，发表于增材制造领域权威期刊《Additive Manufacturing》。北京科技大学博士研究生龚虎强为论文第一作者，北京科技大学张百成教授、印度理工学院Ramasubramanian Lakshmi Narayan教授为论文共同通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.addma.2026.105302

1、颠覆认知——将“成分偏析”从缺陷转化为设计工具

传统观念中，激光粉末床熔融原位合金化带来的成分不均匀性被视为必须消除的工艺缺陷。本研究反其道而行之，基于对熔池流体动力学和凝固行为的深入理解，主动保留并放大了Ti与CoCrMo之间的成分梯度。通过精确控制合金添加量（仅2.5 wt%）和打印参数，研究人员在打印态样品中构建了从溶质贫乏区到溶质富集区的连续成分梯度。这一成分梯度成为后续微观结构调控的“先天蓝图”，使得原本需要复杂工艺才能实现的层次化异质结构，在单次打印过程中便自然成型。该策略彻底颠覆了“偏析有害论”，为增材制造合金设计提供了全新的底层逻辑。

图1. 打印态样品典型组织及成分表征

2、天然的“相结构梯度”——从α到α′再到β的连续演化

成分偏析并非仅停留在化学层面，而是直接决定了相组成的空间分布。研究发现，随着钼当量从0.39连续升高至22.68，打印态合金的相结构也呈梯度式演变：在溶质贫乏的熔池内部，形成粗大的α板条（层片间距约108 nm）；过渡区域因高冷速而生成针状α′马氏体（厚度约58 nm）；而在溶质富集的熔池边界，则稳定保留体心立方β晶粒（尺寸约12 μm）。这种“一池三相”的天然梯度结构，是传统均匀合金化或后续热处理无法复制的。它使得材料在不同尺度上兼具细晶强化、相界强化和固溶强化的多重贡献，为后续性能优化奠定了坚实的结构基础。

图2. 梯度结构的TEM表征

图3. 梯度结构形成示意图

3、精准热处理设计——利用ω相变实现“点石成金”

打印态合金中，β晶粒内部存在两种ω变体：靠近界面的部分坍塌ωath（约3 nm）和远离界面的完全坍塌ωiso（约5.4 nm）。后者虽提供额外强化，但也是导致脆断的根源。研究团队基于热力学计算，精准选取500°C/1h的短时低温热处理——该温度恰好高于ω相的溶解温度但远低于α/β相变点。在此条件下，ωiso完全溶解并作为α相的最优异质形核点，诱导出大量与β基体保持共格Burgers关系的超细α晶粒（平均仅64 nm），同时α′逆转变为α，粗α板条适度粗化至131 nm。这一热处理像一把“钥匙”，开启了从脆性ω强化向韧性超细α+β协同强化的转变，仅用一个小时的低温工艺便实现了性能的质变。

图4. 热处理态合金TEM表征

4、强塑性同步突破——位于性能包络线上边界

经过上述热处理，合金在抗拉强度仅下降17%（从1193 MPa降至993 MPa）的前提下，延伸率近乎翻倍（从4.2%提升至8.3%），展现出优异的强塑性平衡。将本研究合金与文献报道的几种低合金化钛合金（包括Ti-Fe、Ti-Cu等体系）进行比强度-延展性对比，热处理态Ti-2.5CoCrMo合金稳稳落在性能包络线的上边界，意味着在同等强度水平下具有最优的塑性，或在同等塑性下具有最高的比强度。这一性能突破并非依赖昂贵稀有元素或复杂多步热处理，而是通过“偏析导向+精准热处理”这一低成本路径实现，具有直接的工程推广价值。

图5. 本研究合金拉伸曲线以及性能对比图

5、揭示异步-协同变形机制——背应力与纳米孪晶的协奏

力学性能的提升背后有着清晰的物理机制。通过循环加卸载试验和透射电镜原位观察，研究团队揭示了“异步变形启动、共格界面辅助滑移传递、纳米孪晶协调塑性”的阶梯式变形模式。在热处理态合金中，塑性优先在软质粗α板条中启动，随后应变不匹配在界面处产生可观的背应力（随真应变持续升高至584 MPa）。与打印态不同的是，超细α晶粒与β基体之间的共格界面允许位错通过连续滑移穿越，避免了位错塞积引发的应力集中；而脆性ωiso的消除则彻底切断了裂纹早期萌生的通道。更令人惊喜的是，在变形后期，超细α晶粒内部激发了{10-12}拉伸纳米孪晶，进一步协调了塑性流变，延缓了颈缩失稳。这种由微观结构梯度驱动的层级化变形机制，为异质结构材料的强韧化设计提供了新的理论依据。

图6. 循环加载-卸载试验拉伸曲线及背应力演化曲线

图7. 热处理态合金在不同拉伸应变下的TEM组织演变

结论与展望

本研究以激光粉末床熔融原位合金化中的成分偏析为切入点，提出并验证了一种“保留化学梯度→诱导相结构梯度→通过ω辅助α析出构建层次化异质结构→实现异步协同变形”的全链条设计策略。研究不仅系统揭示了Ti-2.5CoCrMo合金在打印态和热处理态下的微观组织演化规律，还深入阐明了ω相变体对塑性的影响机制、共格界面对位错滑移的促进作用以及纳米孪晶在协调变形中的关键角色。更重要的是，该工作打破了增材制造领域长期存在的“偏析必须消除”的思维定式，证明成分不均匀性可以被巧妙转化为性能提升的驱动力。这一“化弊为利”的范式，不仅为开发高比强度、高塑性钛合金提供了经济高效的解决方案，也为其它存在偏析倾向的增材制造合金体系（如Al、Ni、Fe基合金）的结构设计开辟了新的思路。未来，该策略有望与成分梯度设计、多材料打印等前沿技术深度融合，推动增材制造从“形状定制”迈向“性能定制”的新阶段。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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