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Tailoring Microstructure and Corrosion Performance of In-Situ Alloyed Ti-5Cu-1Si Alloy via Laser Powder Bed Fusion: Impact of Volumetric Energy Density

本研究表明，通过优化 Ti-5Cu-1Si 合金在激光粉末床熔融过程中的体积能量密度，可以细化其显微组织，即增加等轴晶密度和 β 相体积分数，同时降低晶格应变，从而通过提高钝化膜稳定性显著增强耐腐蚀性能。

原作者： mohammad Talebi, Behzad Niroumand, Ahmad Razaghian, Luca Iuliano, Abdollah Saboori

发布于 2026-08-25

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原作者： mohammad Talebi, Behzad Niroumand, Ahmad Razaghian, Luca Iuliano, Abdollah Saboori

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

钛是一种工程师和医生都喜爱的金属，因为它不仅强度高，而且能够与人体和平共处。它是制作髋关节置换和牙科植入物的首选材料，因为它能抵抗人体体液并不易生锈。然而，使用铸造或切割等传统方法来制造钛零件（尤其是针对个体患者的复杂形状零件）通常既困难又昂贵。近年来，一种被称为激光粉末床熔融的技术作为一种强大的替代方案脱颖而出。这一过程就像一台高精度的3D打印机，利用聚焦的激光束逐层熔化微小的金属粉末，由下而上构建出一个固体物体。虽然这种方法提供了惊人的设计自由度，但快速的加热和冷却过程可能会使金属留下不完全均匀的微观结构，有时会导致其强度降低或更容易发生腐蚀。

研究人员一直在探索通过在打印前将不同的元素直接混合到粉末中来改进这些打印金属的方法。一种极具前景的组合是将铜和硅添加到钛中。众所周知，铜具有抗细菌的能力，这对于医疗植入物来说是一个巨大的优势，而硅则有助于增强金属的强度。挑战在于如何在打印过程中让这些不同的元素完美混合。如果它们混合得不好，就会形成微小的未混合区域，从而产生容易发生腐蚀的薄弱点。解决这个谜题的关键在于理解激光提供的能量如何影响金属的最终结构。

在最近的一项研究中，一个研究小组调查了改变打印过程中使用的能量量如何影响一种含有铜和硅的新型钛合金的质量。他们专注于一个特定的衡量指标——体积能量密度，它本质上描述了在给定体积的材料上施加了多少激光功率。通过使用三种不同的能量水平打印这种新型合金的样本，他们能够观察到金属内部结构的变化，以及这些变化如何影响其在类似于人体内体液的盐水环境中的抗腐蚀能力。

研究人员首先打印了纯钛和小块的新型钛-铜-硅合金立方体。他们使用激光熔化粉末，通过仔细调节激光的速度和它传递的功率来创建三种不同的能量条件。最低能量设置是基准，而另外两个设置提供了显著更多的热量。他们还打印了在最低和最高能量设置下的纯钛，以观察合金元素如何具体地改变金属的行为，使其区别于纯钛。打印完成后，他们在强力显微镜下检查了样本，并在盐水溶液中对其进行了测试，以测量其抗锈能力。

他们发现，所使用的能量量对金属的内部架构产生了戏剧性的影响。在最低能量水平下，金属并不是完美混合的。显微镜显示，一些原始的钛粉颗粒没有完全熔化，且铜和硅没有在材料中均匀分布。相反，这些元素聚集在独立的区域，形成了一个成分各异的拼布状结构。这种不均匀性是有问题的，因为金属的不同部分对水和盐的反应可能不同，从而导致局部腐蚀。然而，当研究人员增加能量密度时，金属变得更加均匀。更高的热量使粉末颗粒能够完全熔化，并给了铜和硅原子足够的时间均匀扩散，消除了团块，创造了均匀的混合物。

这种混合的变化也改变了金属晶粒（即构成固体金属的微小晶体）的形状和大小。在低能量样本中，晶粒较大且呈长柱状拉伸。随着能量的增加，这些柱状结构分解成更小、更圆的晶粒，并均匀分布在整个材料中。平均晶粒尺寸显著缩小，从低能量样本中的近五微米降至高能量样本中的不足两微米。这种细化非常重要，因为更小、更均匀的晶粒通常会使金属更强韧且更具抗损伤能力。

研究还观察了冷却过程中形成的各种相（或状态）。钛可以根据冷却速度的不同而存在不同的结构形式。低能量样本由于冷却非常快，含有大量的非平衡相，这种相富含溶解的铜和硅，但在结构上是不稳定的。这种相往往更具反应性，且更容易发生腐蚀。相比之下，高能量样本冷却较慢，使得铜和硅能够稳定下来。这导致了更高比例的稳定相，而这种相天然地更具抗腐蚀性。研究人员测量了金属晶格内的内应力，发现高能量样本的内应变要小得多，表明其结构更加放松且稳定。

当这些样本在盐水中进行测试时，它们的性能差异非常明显。以较高能量密度打印的样本表现出了更强的抗腐蚀能力。它们的腐蚀电位（衡量金属开始生锈可能性的指标）向正值偏移，表明其稳定性更高。更重要的是，金属的腐蚀速率显著下降。高能量样本的材料损耗率比低能量样本慢了五倍以上。这种提升直接归功于金属表面形成了更好的保护膜。均匀的结构和稳定的相使得一层薄薄的氧化保护层能够更有效地形成，从而起到抵御盐水的屏蔽作用。

研究人员得出结论，仅仅通过增加打印过程中使用的能量就足以改变金属的特性。通过提供足够的热量以确保完全熔化和混合，并通过允许稍慢的冷却速率，他们可以消除由未混合元素和不稳定相引起的薄弱点。这种方法不需要在打印后进行任何额外的热处理，从而节省了时间和成本。研究结果表明，通过精确控制能量输入，制造商可以生产出不仅强度高、具有抗菌性，而且对人体腐蚀环境具有高度抗性的钛植入物，这有望带来更持久、更安全的医疗设备。

技术摘要：通过激光粉末床熔融技术调控原位合金化 Ti-5Cu-1Si 合金的显微组织与耐腐蚀性能

问题陈述
虽然钛-铜（Ti-Cu）基合金在生物医学植入物方面具有极具前景的抗菌特性和生物相容性，但其通过传统方法（铸造、机械加工）生产受到高成本、材料稀缺以及与其高热阻相关的加工困难的限制。增材制造，特别是激光粉末床熔融（L-PBF），为制造近净成形部件提供了解决方案。然而，利用原位合金化（混合纯单质粉末）面临着重大挑战。不同单质粉末的物理和热物理性质（如熔点、激光吸收系数、热导率和粘度）的差异往往会导致熔化不完全、化学偏析（例如富 Cu 区块）以及非平衡相（如超饱和 $\alpha'$ 马氏体）的形成。这些显微组织的不均匀性会诱发微电偶腐蚀，从而严重损害对关键生物医学应用至关重要的耐腐蚀性能。此外，虽然后处理热处理可以缓解这些问题，但会增加成本和时间。目前缺乏研究探讨是否可以通过优化 L-PBF 工艺过程中的工艺参数（特别是体积能量密度，VED），来实现均匀的显微组织和优于后处理材料的卓越耐腐蚀性能。

研究方法
本研究调查了通过 L-PBF 制造的 Ti-5Cu-1Si（质量 wt.%）合金，该合金由商用纯 Ti、Cu 和 Si 粉末混合而成。为了将合金元素的影响与工艺参数解耦，同时也打印了纯 Ti 样品进行对比。

工艺参数： 样品在三种不同的体积能量密度（VED）下制造：43.98、61.68 和 77.55 J/mm³。纯 Ti 在最低（43.98 J/mm³）和最高（77.55 J/mm³）VED 下进行打印。
表征： 使用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）以及带有能谱仪（EDX）的场发射扫描电子显微镜（FESEM）分析显微组织演变及元素分布。通过 X 射线衍射（XRD）和 Williamson-Hall 分析确定物相组成和晶粒尺寸。采用热力学模拟（JMATPRO 和 Pandat）计算生长限制因子（ $Q$ ）和凝固区间。
电化学测试： 在 3. 5 wt.% NaCl 溶液中评估腐蚀行为，包括开路电位（OCP）监测、用于确定腐蚀电流密度（ $I_{corr}$ ）和电位（ $E_{corr}$ ）的动电位极化（PD），以及用于评估钝化膜电阻（ $R_p$ ）的电化学阻抗谱（EIS）。

主要贡献与结果

显微组织均匀化： 将 VED 从 43.98 增加到 77.55 J/mm³ 显著提高了化学均匀性。富 Ti 区、富 Cu 区和富 Si 区的面积分数大幅下降，均匀区域从约 42% 增加到约 95%。未熔化或部分熔化的 Ti 颗粒尺寸（从中值 19.2 nm 减小到 2.2 nm）和数量均有所减少，这归功于更大的熔池和较慢的冷却速率促进了原子扩散。
晶粒形貌与细化：
- 合金化的影响： 在恒定 VED（43.98 J/mm³）下，向纯 Ti 中添加 Cu 和 Si 会诱发从柱状先 $\beta$ 晶粒（纯 Ti 的典型特征）向等轴先 $\beta$ 晶粒的转变。这归功于 Si 的高生长限制因子（ $Q$ ）扩大了成分过冷（ $\Delta T_{CS}$ ）区域，从而促进了异质形核。
- VED 的影响： 进一步提高 VED 使等轴先 $\beta$ 晶粒的平均尺寸从 4.723 µm（在 43.98 J/mm³ 时）细化至 1.922 µm（在 77.55 J/mm³ 时）。晶粒尺寸分布变得更加均匀。
- 相变： 更高的 VED 降低了冷却速率，促进了非平衡针状 $\alpha'$ 马氏体向平衡板条状 $\alpha$ 和 $\beta$ 相的转变。 $\beta$ 相的体积分数从 22.59% 增加到 37.06%，而 $\alpha/\alpha'$ 分数从 23.63% 减少到 8.08%。
晶格应变与晶粒尺寸： XRD 分析显示，较高的 VED 降低了晶格微应变（从 0.46% 降至 0.16%）并增加了晶粒尺寸。这表明在较高 VED 下较慢的冷却速率允许超饱和 Cu 和 Si 原子从 $\alpha'$ 晶格中扩散出来，从而减轻了晶格畸变。
腐蚀性能：
- 动电位极化： 在最高 VED（77.55 J/mm³）下处理的样品表现出优异的耐腐蚀性，其腐蚀电位（ $E_{corr}$ ）从 -0.26 V 正移至 -0.17 V，且腐蚀电流密度（ $I_{corr}$ ）从 7.86 $\mu$ A/cm² 显著降低至 1.43 $\mu$ A/cm²。
- 阻抗谱： EIS 结果显示，高 VED 样品的钝化膜电阻（ $R_p$ ）为 11.53 K $\Omega$ .cm²，高于低 VED 样品的 9.2 K $\Omega$ .cm²，表明其钝化膜更具保护性和稳定性。

意义与主张
本文声称，优化 L-PBF 工艺过程中的体积能量密度是调控显微组织并增强原位合金化 Ti-5Cu-1Si 耐腐蚀性能的一种可行策略，且无需进行后处理热处理。研究表明：

VED 作为控制机制： 更高的 VED 有利于形成细小的等轴先 $\beta$ 晶粒群和均匀的合金元素分布，有效地消除了由化学偏析和非平衡相引起的微电偶对。
Si 和 Cu 的作用： Si 的加入显著增强了生长限制因子（ $Q$ ），驱动了柱状向等轴的转变（CET），而 Cu 和 Si 在最佳 VED 下的协同作用确保了溶质的均匀性。
腐蚀机制： 提高的耐腐蚀性能直接归因于显微组织特征：减少了高能非平衡 $\alpha'$ 相、最小化了晶格微应变，并形成了均匀的钝化膜。消除 Cu 富集偏析区防止了局部点蚀和沟蚀。

作者得出结论，通过仔细选择 VED，可以制造出具有特定显微组织特征（细小等轴晶、高 $\beta$ 相含量、低应变）的 Ti-5Cu-1Si 合金，这些合金本质上具有卓越的耐腐蚀性能，使其更适用于严苛的生物医学应用。

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