哈工大黄永江课题组 l 多元素原位合金化调控增材制造TC4多尺度组织

| 3DScienceValley · 2026/10/12

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Ti-6Al-4V（TC4）是增材制造领域应用最广泛的钛合金之一。然而，激光定向能量沉积（LDED）过程中的陡峭温度梯度和快速冷却，往往使材料形成粗大的外延柱状原始β晶粒、较强的晶体学织构以及针状或片层状α/β组织。这些组织特征不仅导致低塑性、加剧力学各向异性，还会影响局部滑移传递、应变协调和损伤萌生。

针对上述问题，哈尔滨工业大学黄永江教授以及宁志良教授联合香港城市大学杨涛教授采用预合金化AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金粉末作为多元素合金化源，在LDED制备TC4的过程中同步引入Al、Co、Cr、Fe和Ni元素。该策略的重点并非在TC4 中构建传统意义上的“高熵合金相”，而是利用不同溶质元素对凝固行为、相稳定性、元素分配和纳米析出的差异化作用，在一次原位合金化过程中实现多尺度组织协同调控。研究发现，在所考察的成分范围内，添加5 wt.%AlCoCrFeNi2.1的 TC4–5%原始β晶粒平均短轴尺寸由约314 μm 降至78 μm，α片层宽度由约357 nm细化至194 nm，同时形成适量片层间β相和平均尺寸约1.2 nm的α2–Ti3Al纳米析出相。同时该合金获得了最佳综合性能，屈服强度达到1180.4 MPa，抗拉强度达到1239.1 MPa，延伸率保持在11.3%，实现了高强度与塑性的显著协同。

进一步结合原位电子背散射衍射（in-situ EBSD）、滑移迹线分析和透射电镜（TEM）揭示了TC4–5%在拉伸过程中的晶格旋转、局部取向梯度演化、多滑移模式参与及损伤局域化行为，建立了“多元素原位合金化—多尺度组织调控—局部塑性响应—损伤萌生”之间的内在关联。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2026.104797

第一作者：程子健

通讯作者：宁志良、杨涛、黄永江

通讯单位：哈尔滨工业大学、香港城市大学

论文题目：Multiscale microstructure regulation and strength–ductility response of a multi-element in-situ alloyed additively manufactured Ti-6Al-4V alloy

图形摘要

多元素原位合金化驱动原始β 晶粒柱状—等轴转变，并通过α/β 层级组织调控、固溶强化、位错强化和纳米α₂ 析出，实现增材制造TC4 合金的强度和塑性的显著协同。

论文亮点

（1）提出多元素一体化原位合金化策略。采用固定元素比例的预合金化 AlCoCrFeNi2.1粉末作为合金化源，在LDED过程中综合调控原始β晶粒形貌、α片层尺度、α/β相组成、溶质分配和纳米α2析出，拓展了增材制造钛合金的成分—组织设计空间。

（2）确定兼顾强度与塑性的最佳成分窗口。TC4–5%的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别达到1180.4 MPa、1239.1 MPa和11.3%。当添加量增至10 wt.%时，虽然屈服强度进一步升至1304.6 MPa，但延伸率降至5.7%，表明过度β稳定化会重新引发显著的强度与塑性的权衡。

（3）揭示高强度的多机制协同来源。α片层细化、多元素固溶强化和位错强化是主要贡献，平均尺寸约1.2 nm、体积分数约2%的α2–Ti3Al析出相提供补充强化。

（4）原位捕捉局部塑性与损伤演化。随拉伸应变增加，低角度晶界比例由5.55%增至31.2%，平均KAM值由0.44增至1.08；高KAM区逐渐向原始β晶界和三叉结集中，并与裂纹萌生位置相对应。

（5）定量评价了柱状—等轴转变判据。在本文TC4–x%合金系列以及所纳入的Ti–HEA文献数据中，生长限制因子Q与原始β晶粒形貌的相关性强于Scheil凝固区间ΔTS 和成分过冷参数P，为多组元原位合金化钛合金的成分设计提供了可参考的热力学指标。

图文解读

从热力学设计到柱状—等轴转变

热力学计算显示，AlCoCrFeNi2.1的加入能够显著改变TC4 的凝固温区、溶质生长限制能力和相稳定性。研究据此选择TC4、TC4–2%、TC4–3.5%、TC4–5%和TC4–10% 进行实验对比，以寻找晶粒细化、相组成和力学性能之间的平衡区间。

TC4–x%合金的热力学预测，包括伪二元平衡相图、非平衡冷却条件下的凝固温区，以及TC4 和TC4–5% 的Scheil 凝固曲线。

实验结果表明，TC4–5%的原始β 晶粒长大受到明显抑制，晶粒长宽比降至约1.4，呈现显著的近等轴化特征。进一步的相关性分析显示，在本文涉及的成分序列中，生长限制因子Q与原始β晶粒长宽比的线性相关系数 R2达到0.88；加入已有Ti–HEA原位合金化数据后，R2仍达到0.87，高于 P和 ΔTS。

原始β 晶粒形貌与Scheil 凝固区间、生长限制因子 Q 和成分过冷参数 P的相关性。对于本文所考察的多组元快速凝固体系，Q 表现出更稳定的柱状—等轴转变预测能力。

5 wt.% 添加量实现最佳强塑匹配

不同添加量对应着清晰的成分依赖性力学响应。未合金化LDED-TC4 的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为854.3 MPa、920.5 MPa 和7.9%；TC4–2%和TC4–3.5%在强度提升的同时，将延伸率分别提高至11.9%和13.8%。TC4–5%则在延伸率仍高于10% 的前提下，将屈服强度提升至1180.4 MPa，表现出最有竞争力的高强度—塑性组合。

当添加量达到10 wt.% 时，材料的屈服强度和抗拉强度进一步升高至1304.6 MPa 和1411.3 MPa，但延伸率下降至5.7%，断口也由混合型韧性断裂特征转向更明显的脆性特征。这说明多元素合金化并非“越多越好”，相稳定性和层级组织必须被控制在合适窗口内。

LDED 制备TC4–x%合金的工程应力—应变曲线、真实应力—应变曲线、加工硬化率以及与已有变形、铸造和增材制造钛合金的强塑性能对比。

多尺度组织共同支撑高强度

EBSD重构结果显示，未合金化TC4中存在明显的粗大柱状原始β晶粒；加入5 wt.% AlCoCrFeNi2.1 后，原始 β 晶粒平均短轴尺寸由约314 μm 降至78 μm，降幅约75%。与此同时，α相和重构原始β 相的最大织构强度分别由5.05 MUD 和9.70 MUD 降至3.50 MUD 和4.45 MUD，表明晶粒近等轴化伴随着织构弱化。

LDED-TC4与TC4–5%的重构原始β晶粒、α相取向、极图及原始β晶粒短轴尺寸统计。TC4–5%表现出明显的晶粒细化、近等轴化和织构弱化。

TEM进一步揭示了更细尺度的组织变化：TC4–5%的平均α片层宽度由约357 nm 降至194 nm；Co、Cr、Fe和Ni优先向片层间β区域分配，Al则更多富集于α片层。在α基体内部，还观察到平均尺寸约1.2 nm、体积分数约2%的有序α2–Ti3Al 析出相。

TC4与TC4–5%的TEM对比，以及TC4–5%中的α/β层片组织、元素分配、α2超点阵衍射和纳米 α2 析出相统计。

基于实验组织参数的计算显示，TC4–5%中α片层细化、多元素固溶、位错和α₂ 析出对应的屈服强度增量估算值分别为116.4 MPa、113.2 MPa、157.6 MPa 和66.0 MPa，原始β晶粒细化的直接Hall–Petch 增量约为10.8 MPa。各项线性叠加所得预测屈服强度约为1318 MPa，高于实验值1180 MPa，说明不同强化机制并非完全独立，相关数值应作为半定量比较，而非严格的唯一分解。

原位揭示塑性变形的渐进演化

为理解TC4–5% 为何能在高强度下保留11.3%延伸率，在0%、1%、2%、3%、5%、7%全局应变及断裂状态下开展了原位EBSD 跟踪。随着拉伸进行，α晶粒发生持续晶格旋转，晶内取向梯度和低角度晶界逐步增加，表明塑性变形由初始滑移逐渐发展为更复杂的局部协调过程。

TC4–5%在不同拉伸状态下的原位EBSD取向图和极图。低角度晶界比例由初始状态的5.55%增至7%应变状态下的31.2%。

KAM结果进一步显示，材料的平均KAM值从初始状态的0.44升至1%应变时的0.68，并在7%应变时达到1.08。高KAM区首先出现在部分原始β晶界附近，随后不断扩展，并在高应变阶段集中于原始β晶界和三叉结。这些区域承受更强的几何约束和应变不协调，因而更容易发生位错塞积和损伤局域化。

TC4–5%在不同变形状态下的KAM 分布。高应变阶段的局部取向梯度明显向原始β 晶界及三叉结集中。

多滑移模式参与局部应变协调

滑移迹线分析表明，代表性区域内存在基面、柱面和锥面候选滑移系的局部参与；由5% 应变增加至7% 应变时，被归属于锥面<a>和局部锥面<c+a>候选滑移的迹线增多。需要强调的是，滑移迹线与Schmid因子只能提供几何相容性判断，实际滑移激活还受到临界分切应力、局部应力状态、相邻晶粒约束及α/β界面相容性的共同影响。

TC4–5%在不同变形状态下的表面滑移迹线、候选滑移系统计及沿选定路径的累积取向差。

原位观察发现，裂纹优先在原始β晶界附近萌生，并大致沿晶界扩展。当裂纹进入相邻α晶粒后，局部裂纹路径又沿深滑移带继续推进，晶界处的应变不相容与晶内滑移局域化共同参与了损伤演化。

TC4–5%裂纹区域的原位取向、KAM、重构原始β晶粒和裂尖形貌。裂纹萌生位置与原始β 晶界附近的高局部取向梯度相对应。

断后TEM 观察到α相中的<a>、<c>和<c+a>位错活动以及相邻β区域内的位错滑移，结果表明，高应变区可由多种局部变形模式共同承担塑性应变。研究区域内未观察到具有明确晶体学特征的变形孪晶，说明室温拉伸主要由位错滑移主导。

断裂后TC4–5% 的TEM 分析，显示α、β区域内的位错活动以及α/β界面附近的局部变形相互作用。

总结与展望

本研究采用AlCoCrFeNi2.1辅助多元素原位合金化，对LDED制备TC4的凝固组织、相组成、纳米析出及局部塑性行为进行了系统调控。主要结论如下：

（1）5 wt.%添加量成功推动原始β晶粒由粗大柱状向近等轴形貌转变，平均短轴尺寸由约314 μm 降至78 μm，长宽比降至约1.4；在本文及所纳入的Ti–HEA数据范围内，生长限制因子 Q对该转变表现出较强的相关性。

（2）TC4–5% 同时具有细化的原始β晶粒和α片层、适量片层间β相以及纳米α2–Ti3Al析出相；当添加量提高至10 wt.%时，保留β相比例大幅升高并伴随明显塑性损失，说明5 wt.% 是本研究成分范围内更合理的综合平衡点。

（3）TC4–5% 获得1180.4 MPa 屈服强度、1239.1 MPa抗拉强度和11.3%延伸率。高强度来自α片层细化、多元素固溶、位错及纳米α2析出的共同贡献，其中α2析出属于补充强化机制。

（4）原位EBSD、滑移迹线和断后TEM共同表明，TC4–5%在变形过程中经历持续晶格旋转和局部取向梯度累积，多种滑移模式及α/β区域内的局部变形活动为应变协调提供了可能路径；在高应变阶段，损伤则优先向原始β晶界和三叉结等强约束区域局域化。

该工作说明，增材制造钛合金的强塑协同不能仅依赖单一晶粒细化或单一析出强化，而需要在凝固组织、α/β层级结构、溶质分配、纳米析出和局部变形能力之间建立可控平衡。多元素预合金化粉末为实现这种一体化调控提供了新的材料设计思路。

论文引用

Zijian Cheng, Yonggang Sun, Siyuan Cheng, Zhiliang Ning*, Tao Yang*, Jianfei Sun, Yongjiang Huang*. Multiscale microstructure regulation and strength–ductility response of a multi-element in-situ alloyed additively manufactured Ti-6Al-4V alloy.

International Journal of Plasticity, 2026, 205:104797.

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2026.104797.

作者信息

通讯作者：宁志良，教授，博士生导师，哈尔滨工业大学精密热成形全国重点实验室教师。先后主持承担国家自然科学基金面上项目、国家部委基金项目、科技部国际合作项目、黑龙江省科技攻关重点项目。获得省部级科技进步二等奖三项，发表论文140余篇，其中SCI收录80余篇，申报国家发明专利70余项，授权40项。

通讯作者：杨涛，现任职香港城市大学材料科学与工程系，国家自然科学基金优秀青年基金和香港研究资助局杰出青年学者获得者。长期专注于严苛环境服役金属结构材料的合金设计、组织结构调控和先进制造技术的研究。先后荣获IUMRS青年科学家，CMRS青年科学家等称号，并于2021-25年度连续入选美国斯坦福大学发布的“材料科学领域全球TOP 2% Scientists”榜单。已在Science, Nature, Acta Materialia等国际期刊发表学术论文220余篇，引用1.6万余次。先后主持国家自然科学基金、国家重点研发专项等科研项目30余项。

通讯作者：黄永江，哈尔滨工业大学教授，工学博士，博士生导师，英国皇家学会牛顿学者，黑龙江省高层次人才，中国金属学会非晶合金分会委员，精密热成形全国重点实验室副主任，中国热处理行业协会汽车钢分会副理事长。主要从事新型航天金属材料的增材/增减材智能制造、亚稳金属材料（包括非晶合金及其复合材料、轻合金、高熵合金等）、凝固理论及铸造装备等方向研究工作。获黑龙江省科技进步二等奖一项，黑龙江省自然科学二等奖一项，黑龙江省高校自然科学一等奖和二等奖各一项。在Advanced Materials、Acta Materialia、International Journal of Plasticity、Corrosion Science等国际著名学术杂志上发表SCI收录论文270余篇，被Science等权威杂志引用8520次（单篇最高SCI引用280余次），ESI高被引7篇，3篇入选封面论文，1篇论文入选中国知网高影响力论文，1篇论文入选Rare Metals杂志年度最佳论文，H因子46，申请国家发明专利82项，授权55项，担任8个国际期刊副主编/编委/青年编委。