中南大学 l 钛合金高通量实验技术进展综述

3D科学谷洞察

高通量金属制造技术的发展将推动金属增材制造的广泛应用，提高生产效率，降低成本，并加速新材料的开发和应用。未来的发展将更加注重技术的集成和自动化，通过高通量实验和机器学习的结合，实现更高效的材料开发和工艺优化。”

引用格式

Ke-chao ZHOU, Xiu-ye YANG, Yi-xin AN, Jun-yang HE, Bing-feng WANG, Xiao-yong ZHANG.A review on advances of high-throughput experimental technology for titanium alloys[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2024, 34(11):3425-3451.

研究背景

钛具有密度低、比强度高、耐腐蚀性好等特点，是航空航天、海洋工程以及生物医学等领域不可或缺的关键金属材料。随着服役要求的日益提升，对钛合金的性能要求也随之提升，从而推动了新一代钛合金的开发。同时，这也带来了巨大的挑战：传统的材料设计‘试错’方法因受限于时间、人力和物力，严重阻碍了高性能钛合金的研发进程。为了应对这一挑战，美国政府于2011年启动了材料基因组计划。该计划聚焦于高通量计算、高通量实验技术以及材料大数据技术的应用。高通量实验技术有助于高效制备和表征大量样品，其基本原理是将传统的顺序迭代研究过程转变为高效的并行过程，通过量变实现材料研究效率的质变。因此，推动高通量实验技术的发展对于钛合金的设计与制备具有至关重要的理论指导意义和工程应用价值。

文章亮点

本综述回顾了钛合金高通量实验技术的最新进展。主要讨论了钛合金制造中高通量成分设计、高通量变形及高通量热处理等常用的高通量制备技术，同时讨论了高通量表征技术目前在钛合金中的应用。最后，总结了钛合金高通量实验技术的研究成果，并深入分析了其在工业应用中面临的挑战。

图文解析

高通量制备技术是一种先进的实验设计方法，通过同时处理大量样品或数据，可显著提高实验效率和准确性。该技术不仅适用于生物、化学和医学等领域，近年来也被广泛应用于钛合金和其他有色金属的研究中。在钛合金的研发中，高通量制备技术可以加速材料筛选、优化工艺参数，并有助于深入了解材料特性。表1从多个维度总结了这些技术在钛合金中的应用。

表1 钛合金中高通量制备方法的对比

成分的细微变化会导致钛合金的相组成和微观结构发生显著变化。在广阔的成分空间内，存在着无数可能的组合，传统方法已无法满足大规模快速筛选钛合金成分的需要。高通量制备技术，特别是能够获得成分梯度的技术，已成为钛合金成分设计的重要工具。这些技术包括历史悠久的扩散多元节技术，以及最近优化的方法，如增材制造、气相沉积和其他与高通量概念相结合的合成技术。这些高通量制备技术的应用极大地加速了钛合金的成分设计过程，并有效降低了开发成本。Wu等使用扩散多元节技术和热力学数据库成功设计了Ti64-xMo合金，并分析了它们的相组成和性能（图1）。

Zhu等研究了Mo和Cr的合金化对钛合金性能的影响，并利用机器学习技术预测了合金的微观结构特征，大大提高了成分筛选的效率（图2）。简而言之，扩散多元节技术凭借其独特的优势，在钛合金的设计与创新中发挥着关键作用。这项技术不仅优化了钛合金的成分梯度设计，还可以结合先进的测试技术，用于后续构建机械性能数据库，为钛合金的应用提供了重要的参考。

图1 Ti6Al4V−Ti6Al4V45Zr, Ti6Al4V20Mo, Ti6Al4V20Fe和Ti6Al4V20Cr扩散多元节示意图

图2 固溶处理（a-c）和时效处理（d-f）的实验值和预测值之间的相关系数 ：(a、d）α相的平均长度；（b、e）α相的平均宽度；（c、f）α相的体积分数

增材制造凭借其高精度加工能力，适用于制备具有复杂结构或成分梯度以及不同显微组织的样品。激光金属沉积和激光束熔化技术的应用，使得金属材料的高通量制备成为可能。Zhang等将定向能量沉积与机器学习相结合，开发了一种高通量制备技术，用于揭示Ti-Al-V合金的成分、显微组织与机械性能之间的关系，如图3所示。

与扩散多元节相比，增材制造在样品制备方面具有以下显著优势：(1)高时间效率：增材制造大大缩短了样品制备时间，省去了长时间的扩散过程。(2)强设计灵活性：该方法可以直接制造具有成分梯度的样品，并可用于模具制造，展现了强大的设计能力。(3)样品制备要求简单：与扩散多元节中对大块样品的超高精度配合要求不同，增材制造对样品的要求较为简单，从而降低了制备难度。

然而，增材制造也存在以下缺点：(1)后处理要求：增材制造样品可能需要后处理以改善表面质量。然而，当前的后处理技术仍有待改进，可能影响样品质量的一致性。(2)材料和尺寸限制：增材制造受限于工件的材料和尺寸。一些材料可能不适合增材制造，而且它可能不适用于大尺寸梯度样品的生产。(3)内部质量风险：在增材制造过程中，可能会出现微孔等内部缺陷，这会影响样品的整体质量和性能。

图3 激光定向能量沉积方法制备的Ti-xA-yV (0≤x≤11, 0≤y≤11, wt.%)合金成分调整示意图

塑性变形在钛合金的生产中至关重要，显著影响钛合金工件的成形和性能。然而，钛合金的塑性变形工艺目前存在一些问题，如加工道次多、稳定性差，这导致了高生产成本和低成材率，从而限制了其更广泛的应用。此外，钛合金复杂的变形机制使得设计所需的工艺参数以实现理想的显微组织变得更加困难。高通量变形试验技术为解决这些问题提供了方案。双圆锥台压缩和梯度轧制等技术可以在单一样品中产生应变和显微组织梯度，从而快速建立变形条件与显微组织之间的关系。这种高通量变形试验技术为钛合金加工技术的快速设计和优化提供了新的思路。

双圆锥台压缩试验是一种高通量压缩变形技术，可以在单一样品内产生梯度应变和相应的显微组织变化。如图4(a)所示，通过对双圆锥台样品进行单轴压缩，样品横截面沿径向方向的显微组织会连续变化（图4(c)）。这种异质性源于双圆锥台样品独特的几何尺寸而产生的受控且不断变化的应变场。由于在压缩试验过程中无法直接测量径向应变梯度，通常采用有限元方法来确定等效应变分布，如4(b)所示。与传统的圆柱样品压缩试验相比，双圆锥台压缩试验能够实现应变场和显微组织的连续变化，避免了使用多个具有不同变形条件的样品进行重复试验。这种方法缩短了开发时间，降低了成本，为研究钛合金在压缩（锻造）过程中显微组织演变提供了更经济高效的实验方法，并揭示了其变形机制。

图4双圆锥台压缩试验：（a）样品几何特征；（b）有限元求得的应变分布；(c)连续变化的微观结构

双圆锥台样品可以揭示热变形机制随应变的变化，帮助研究人员构建变形机制图。受Ashby图的启发，这些图直观地反映了合金在不同变形条件下发生的变形机制，有助于设计目标微结构的工艺参数。Wang等人利用双圆锥台压缩技术研究了各种钛合金的热变形行为。他们利用连续变化的微观结构结果来揭示变形机制的演变。结合EBSD和TEM等表征技术进行微观组织图像分析，他们确定了不同变形机制之间的临界点。通过将这些离散临界点与有限元分析获得的应变分布图进行比较，他们定量分析了变形机制发生转变的临界应变。此外，他们还根据热变形应力应变数据，利用动态材料模型构建了热加工图。将变形机理图与热加工图进行叠加，可对变形条件如何影响变形机理进行定量分析。图5显示了TC18、TA16、TA16/SiCp钛合金和TiZrV中熵合金的变形机制图。

图5几种钛合金和中熵合金的变形机制图：(a) TC18；(b) TA16；(c) TA16/SiCp；(d) TiZrV

热处理是控制钛合金微观结构和性能的关键工艺。传统的合金热处理方法通常采用传统的加热技术，只产生一个温度区。要研究热处理过程，通常需要在不同条件下进行多个平行实验，然后对样品的微观结构和性能进行表征。这种方法耗费大量时间和经济成本。而梯度热处理技术则使用专门的实验设备在样品中形成连续的温度分布。这种方法可实现微观结构的梯度分布，从而通过高通量表征技术广泛而快速地获取有关性能和微观结构的数据。与其他有色金属相比，钛合金在加热和冷却过程中的相变使其热处理更为复杂。梯度热处理技术可以更快、更准确地获取钛合金的热处理参数、微观结构和性能数据。如图6所示，最初用于确定钢材淬透性的Jominy端淬试验现在也适用于钛合金热处理过程的高通量研究。

图6 梯度热处理示意图：(a) 样品和热电偶位置；(b) 实验设备

高通量表征技术在钛合金中的应用，特别是微观结构观察和机械性能测试方面，已显示出巨大的潜力。这些技术通常具有空间分辨率高、表征尺度大、采集速度快、稳定性高和可扩展性强等特点。利用自动化设备和软件，高通量表征技术可以对大量钛合金样品进行高效、精确的表征，从而显著提高研究效率。

高通量表征技术不仅能对钛合金的微观结构进行高清成像，揭示复杂的结构特征，还能精确测量其机械性能，量化强度和韧性等关键性能参数。这种从微观到宏观的全面分析为钛合金材料的性能优化和机理研究提供了强大的数据支持。研究人员可以快速筛选出高性能的候选材料，并进一步研究其性能与结构之间的内在关系，从而推动钛合金材料的创新发展。

总之，高通量表征技术在钛合金的科学研究中发挥着不可或缺的作用。其高效、精确、全面的表征能力为钛合金材料的开发和应用提供了强有力的技术支持。表2总结了几种已应用于或有望应用于钛合金高通量表征的方法。

表2 钛合金中高通量表征方法的对比

在讨论结构材料的机械和物理特性时，析出物、基体和界面的微观结构起着至关重要的作用。因此，对基体合金的成分/相、增强相和化合物的形态/分布/含量以及界面结构/成分进行详细表征尤为重要。然而，现有的表征材料微观结构的方法，如X射线、紫外线和红外光谱以及光学和电子显微镜技术，各有其优势，但受到光通量密度、空间分辨率以及全面表征大尺寸样品和跨尺度材料结构的能力等因素的限制。这些限制阻碍了它们满足当代材料科学对高通量微区测试、快速研发流程和高效检测技术的需求。

为了克服这些局限性，科学家们开发了许多高通量技术来表征结构材料。例如，同步辐射源可在从红外线到硬X射线的整个光谱范围内实现高亮度微聚焦，具有高准直、全光谱覆盖、高偏振和高纯度等优异特性。因此，它们可以满足高通量材料样品对亮度和空间分辨率的要求，是合金材料高通量表征的理想选择。此外，传统的微结构表征工具（如扫描电镜）也已适用于高通量表征。Zhu等开发了一种单光束高通量扫描电子显微镜（图7），可同时收集二次电子和背散射电子信号，分辨率达到纳米级。这样就能识别和区分各种相，并收集和分析大量长度尺度的数据。因此，实验数据可以跨尺度连接，从厘米级到纳米级，甚至原子级。Su等人以高通量热处理方式广泛表征了感应淬火齿轮的微观结构和残余应变。如图8所示，他们利用散裂中子源技术和布拉格边透射成像技术，获得了微观结构和残余应变空间分布的二维图。

图7 Navigator-100 高通量扫描电子显微镜的系统组件

图8 中子布拉格边缘透射示意图成像方法

研究结论

(1) 成分筛选与优化

高通量技术能制备具有成分梯度的单一样品，或同时快速制备多种不同成分样品。扩散多元节技术利用扩散原理实现成分梯度调整，与增材制造、气相沉积等高通量制备技术共同为钛合金的成分筛选与优化提供了更多途径。

(2) 加工与热处理工艺优化

双圆锥台压缩与梯度轧制作为高通量变形实验技术，分别应用于锻造与轧制工艺的探索，有助于揭示钛合金在变形过程中微观组织的演变机制，为构建变形机制图、优化成形工艺及建立相关数据库提供了数据基础

(3) 热处理条件优化

梯度热处理技术能够在单一样品上实现连续的温度变化，或并行处理多个样品以形成独立的温度区，结合高通量表征技术，可以显著加快数据收集的速度。目前，端淬、高频感应加热、电脉冲处理等已用于钛合金研究，微波加热等新方法也展现出应用潜力。

(4) 性能和微观结构快速表征

高通量表征技术依托同步辐射、中子散射等大型研究设施，推动钛合金微观结构表征。电子显微镜技术经过智能化改进，能迅速收集微观图像。纳米压痕等高通量性能测试技术已应用于钛合金，结合扩散多元节等高通量技术及原位表征方法，可快速建立成分-组织-性能关系。流体微探针、高温拉伸测试等高通量机械性能测试技术有望在钛合金研究中得到推广。

团队介绍

周科朝，教授、博士生导师，粉末冶金国家重点实验室主任，中南大学原副校长。现任国家新材料产业发展战略咨询专家委员会委员，中国材料研究学会副理事长，国务院学位委员会第八届材料学科评议组成员，教育部第七届科技委材料学部委员，教育部材料教指委委员，曾担任“十五”至“十二五”国家“863”计划新材料领域、“十三五”国家重点研发计划“重点基础材料技术提升与产业化”重点专项等国家科技计划的咨询和指南专家。长期从事粉末冶金和有色金属新材料、高通量材料制备技术研究，主要研究方向为高性能钛合金、铜合金和极端电化学环境用惰性（非活性）电极材料技术，承担了国家863计划重点项目“铝电解惰性电极技术研究”、国家重点研发计划项目“高通量材料制备技术平台研究”等一批国家项目的研究，开发的高强韧钛合金已经成功应用于国产大飞机起落架部件。发表学术论文150余篇，获得发明专利50多项，出版学术专著1本，培养博士后、博士和硕士50多名，获省部级一等奖3项。

张晓泳，中南大学粉末冶金国家重点实验室研究员，博士生导师，担任中国材料研究学会青年委员会理事、湖南省生物材料学会骨修复材料与器械专委会常务委员、钛精深加工湖南省工程研究中心专委会委员等职。目前主要从事钛合金设计与加工、3D打印复杂精密成形、高性能粉末冶金制品等研究领域的工作，已在上述相关领域承担国家重点研发计划、国家自然科学基金重大项目课题和面上项目、教育部装备预研、湖南省科技重大项目等项目10余项，并获2019年湖南省科技进步一等奖和2020年中国有色金属工业科技进步一等奖。

汪冰峰，教授、博士生导师。主要从事合金变形参数高通量获取和大数据分析技术研究、功能钛合金设计研制，主持和参加了国家自然科学基金面上项目和国际合作重点基金、国家重点科研项目等10余项。以第一或通讯作者发表学术论文30余篇，授权国家发明专利5项。参与获湖南省科学技术进步一等奖、湖南省自然科学二等奖、中国有色金属工业科学技术一等奖、湖南省高等教育省级教学成果二等奖等省部级奖励多项。

何骏阳，本科毕业于华中科技大学；博士毕业于北京科技大学新金属材料国家重点实验室，师从吕昭平教授；博士后工作于德国马克斯普朗克学会钢铁研究所，随后全职回国工作于中南大学粉末冶金研究院。主要从事高熵合金组织及性能调控，新型高温合金及钛合金的原子尺度缺陷的表征及其对性能的影响。主持国家自然科学基金面上基金、青年基金、湖南省自然科学基金青年基金等国家及省部级科研项目5项；至今为止共发表学术论文70余篇，其中一作/通讯29篇（Acta Mater. 3篇，Scripta Mater. 4篇，MRL 2篇，Int J Plasticity 1篇），热点+高被引共3篇，总谷歌被引超1万次，H因子37，一篇Acta Materialia被评为“2017年中国百篇最具影响国际学术论文”。获评教育部2017年度“高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖一等奖”（7/8），Science, Acta Mater.等著名材料期刊审稿人，获评2020年度Materialia杂志优秀审稿人。

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