《Materials Design》：疲劳性能优异，且对杂质不敏感的钛合金！
材料加工领域一直以来采用各种技术来提高加工净度，以减少或调控敏感金属结构件中杂质水平，最终获得理想的机械性能。但对于粘结剂基粉末冶金技术，如金属注射成型（MIM）和烧结增材制造（又称间接3D打印），仅仅通过优化工艺层面提高其加工净度的成本高昂，甚至难以实现。这些技术固有的低净度属性来源于对本就含有较多杂质的粉末原材料使用了高分子粘结剂用以生坯成型。而生坯中的粘结剂难以被完全脱脂移除，其部分热分解产物还会附着在脱脂烧结炉内，持续地污染脱脂后的烧结氛围，这都加剧了碳氧等杂质的摄取污染问题，特别是对于钛等活泼金属，严重恶化材料的机械性能。
为了应对这一问题，德国亥姆霍兹中心的Thomas Ebel和PengXu，分析了不同类别、具有不同微结构和不同碳氧杂质水平的MIM钛合金，揭示了碳氧杂质通过影响易萌生疲劳裂纹的弱微观结构单元，以削弱高周疲劳性能的机制。并提出了耐污染，即避免形成对杂质非常敏感的弱微观结构的钛合金材料设计理念。相关论文以题为“Superior Fatigue Endurance Exempt from High Processing Cleanliness of Metal-Injection-Molded β Ti-Nb-Zr for Bio-tolerant Applications”发表在Materials &Design。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110141
通过故意降低加工净度限制，增大所设计钛合金的杂质摄取总量，使其烧结态中碳含量高达1670ppm、氧含量3900ppm，晶界呈曲折鱼骨状并析出亏碳碳化物颗粒，粗大的β晶内含有大量不同位向的次生α相，但却获得了600MPa的高周疲劳强度。相比常见的钛合金，如Ti-6Al-4V，虽然采用较为严格的限制，使得碳含量仅为450ppm、氧含量1900ppm，经相同的测试方法和测试参数，也只提供了450MPa的疲劳强度。
在此基础上，耐杂质钛合金最高忍受了3倍以上的碳摄取量和2倍左右的氧摄取量，却仍能够提供更高的疲劳耐受极限。这项研究为杂质与缺陷对钛合金的疲劳失效影响机理提供了更深层次的理解，同时也为克服低成本高性能的悖论提供了新的依据。这种能迎合低净度技术的耐杂质型合金设计的初步成果，有助于放宽对烧结增材制造和金属注射成型加工钛合金等敏感结构材料的工艺净度要求。
图1 MIM耐杂质钛合金（β Ti-Nb-Zr）基本的相组成和微观结构
图2 晶界区的相组成、微观结构和各相之间的位向关系
图3 MIM常见的钛合金与耐杂质钛合金（β Ti-Nb-Zr）的高周疲劳性能比较
图4 含有典型粉末冶金缺陷的MIM耐杂质钛合金（β Ti-Nb-Zr）的高周疲劳失效机制与四点弯曲疲劳试样内滚子之间的均匀力矩区域内示意图
图5 （a）MIM耐杂质钛合金（β Ti-Nb-Zr）经污染烧结的高周疲劳性能；（b）由孔隙处片状α次生相激活疲劳小裂纹的裂纹萌生区，即主要裂纹萌生机制；（c）在高加载应力条件下，由孔隙处大尺寸亏碳碳化物析出相激活疲劳小裂纹的裂纹萌生区，即条件触发的裂纹萌生竞争机制（有条件的疲劳二象性）；（d）极少数情况下，由鱼骨晶界和大尺寸亏碳碳化物析出相共同激活疲劳小裂纹的裂纹萌生区