中南大学吴宏团队《Scripta Materialia》：原位合金化Ti-Al-Fe合金中的多尺度偏析与相变机制

本研究通过激光粉末床熔融（LPBF）制备了原位合金化Ti-5Al-5Fe（wt.%）合金，发现其具有β相、α'马氏体和纳米FCC-Ti三相共存的层次化微观结构。β晶粒内存在亚微米Fe偏析胞，α'板条内嵌有10–20 nm宽的FCC-Ti区域，主要分布于熔池边界。结合高分辨电镜与几何相位分析，研究提出FCC-Ti并非凝固末期的共晶产物，而是由Fe偏析和残余应变梯度驱动的应力诱导HCP→FCC剪切相变所致。该工作为非平衡钛合金的相演化提供了新见解。

内容简介

激光粉末床熔融的原位合金化技术可通过快速熔凝实现成分调制，进而形成多尺度异质结构。本研究以Ti、Al、Fe元素粉末为原料，在优化工艺参数下制备了Ti-5Al-5Fe合金。实验发现，样品由熔池逐层堆叠而成，具有双相组织：Fe贫乏的熔池底部形成α'马氏体，Fe富集的熔池内部则保留亚稳态β相至室温。

在β晶粒内部，透射电镜观察到约300 nm的胞状结构，胞壁处Fe含量达~16.8 wt.%，呈现周期性偏析。该胞状偏析源于凝固前沿溶质再分配与快速冷却的共同作用。而在熔池边界，α'马氏体板条宽度仅为~34 nm，且部分板条内嵌有10–20 nm宽、衬度明亮的FCC-Ti相。高分辨观察显示，FCC-Ti与HCP基体存在特定取向关系，界面处层错密集，且内部含有{111}孪晶。

值得注意的是，Scheil凝固模型曾预测该合金在终凝阶段会发生液相→HCP+FCC共晶反应，但实验成分分析与热力学计算均不支持该路径。几何相位分析（GPA）表明，FCC-Ti区域存在强烈的局部剪切应变，说明其形成与力学驱动有关。因此，作者提出该FCC-Ti相是由Fe偏析和残余应变协同诱导的固态HCP→FCC剪切相变产物，而非凝固共晶产物。这一发现揭示了增材制造钛合金中非平衡相演化的新机制。

图1 原位合金化Ti-Al-Fe合金的宏观与微观结构表征

图2 β相区域的TEM分析

图3 平衡相图与凝固路径计算

图4 熔池边界处α'马氏体和FCC-Ti的微观结构演化与应变分布

通讯作者简介

通讯作者：吴宏教授

• -毕业于中南大学

• -现任中南大学粉末冶金研究院结构材料所所长，博士生导师

• -英国兰卡斯特大学（Lancaster University）荣誉研究员，入选斯坦福大学全球前2%顶尖科学家排行榜、湖南省“杰出青年”科学基金、湖南省“湖湘青年科技创新创业人才”计划等人才项目。

主要从事粉末冶金新材料、增材制造（3D打印）与生物医用材料等领域研究工作。主持承担国防科技173计划技术领域基金、“十四五”国防技术基础科研计划课题、国家自然科学基金、173计划重点项目子任务、国家重点研发计划子任务、国家863计划子任务、教育部博士点科研基金、湖南省重点研发计划、湖南省自然科学基金等40项科研项目。发表学术论文200余篇，近五年以第一或者通讯作者发表SCI论文80余篇，H因子40。申请国家发明专利30余项，其中授权专利20项。荣获湖南省自然科学奖、湖南省技术发明奖、湖南医学科技奖各一项。参加国内/国际学术会议并做主旨/口头报告20余次。完成中英文学术著作各一部。担任国际学术期刊《Computer Modeling in Engineering&Sciences》、《Journal of Micromechanics and Molecular Physics》副主编，《Advanced Powder Materials》特聘编委，《Smart Materials in Manufacturing》、《Materials》、《Frontiers in Metals and Alloys》编委，《Materials Research Letters》、《复合材料学报》青年编委，同时兼任《Acta Biomaterialia》、《Additive Manufacturing》、《Journal of Materials Science&Technology》、《International Journal of Mechanical Sciences》等多个国际学术期刊长期审稿人。

Leyu Cai, Wenshan Guo, Hao Fu, Min Song, Ian Baker, Hong Wu*. Multiscale segregation and phase transformation mechanisms in an in-situ alloyed Ti-Al-Fe alloy. Scripta Materialia, 2026, 284: 117472.

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2026.117472

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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