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材料加工領域一直以來採用各種技術來提高加工淨度，以減少或調控敏感金屬結構件中雜質水平，最終獲得理想的機械效能。但對於粘結劑基粉末冶金技術，如

金屬注射成型

（MIM）和

燒結增材製造

（又稱間接3D列印），僅僅透過最佳化工藝層面提高其加工淨度的成本高昂，甚至難以實現。這些技術固有的低淨度屬性來源於對本就含有較多雜質的粉末原材料使用了高分子粘結劑用以生坯成型。而生坯中的粘結劑難以被完全脫脂移除，其部分熱分解產物還會附著在脫脂燒結爐內，持續地汙染脫脂後的燒結氛圍，這都加劇了碳氧等雜質的攝取汙染問題，特別是對於鈦等活潑金屬，嚴重惡化材料的機械效能。

為了應對這一問題，德國亥姆霍茲中心的Thomas Ebel和PengXu，分析了不同類別、具有不同微結構和不同碳氧雜質水平的MIM鈦合金，

揭示了碳氧雜質透過影響易萌生疲勞裂紋的弱微觀結構單元，以削弱高周疲勞效能的機制。並提出了耐汙染，即避免形成對雜質非常敏感的弱微觀結構的鈦合金材料設計理念。

相關論文以題為“Superior Fatigue Endurance Exempt from High Processing Cleanliness of Metal-Injection-Molded β Ti-Nb-Zr for Bio-tolerant Applications”發表在Materials &Design。

論文連結：

https：//doi。org/10。1016/j。matdes。2021。110141

透過故意降低加工淨度限制，增大所設計鈦合金的雜質攝取總量，使其燒結態中碳含量高達1670ppm、氧含量3900ppm，晶界呈曲折魚骨狀並析出虧碳碳化物顆粒，粗大的β晶內含有大量不同位向的次生α相，但卻獲得了600MPa的高周疲勞強度。相比常見的鈦合金，如Ti-6Al-4V，雖然採用較為嚴格的限制，使得碳含量僅為450ppm、氧含量1900ppm，經相同的測試方法和測試引數，也只提供了450MPa的疲勞強度。

在此基礎上，耐雜質鈦合金最高忍受了3倍以上的碳攝取量和2倍左右的氧攝取量，卻仍能夠提供更高的疲勞耐受極限。

這項研究為雜質與缺陷對鈦合金的疲勞失效影響機理提供了更深層次的理解，同時也為克服低成本高效能的悖論提供了新的依據。這種能迎合低淨度技術的耐雜質型合金設計的初步成果，有助於放寬對燒結增材製造和金屬注射成型加工鈦合金等敏感結構材料的工藝淨度要求。

圖1 MIM耐雜質鈦合金（β Ti-Nb-Zr）基本的相組成和微觀結構

圖2 晶界區的相組成、微觀結構和各相之間的位向關係

圖3 MIM常見的鈦合金與耐雜質鈦合金（β Ti-Nb-Zr）的高周疲勞效能比較

圖4 含有典型粉末冶金缺陷的MIM耐雜質鈦合金（β Ti-Nb-Zr）的高周疲勞失效機制與四點彎曲疲勞試樣內滾子之間的均勻力矩區域內示意圖

圖5 （a）MIM耐雜質鈦合金（β Ti-Nb-Zr）經汙染燒結的高周疲勞效能；（b）由孔隙處片狀α次生相啟用疲勞小裂紋的裂紋萌生區，即主要裂紋萌生機制；（c）在高載入應力條件下，由孔隙處大尺寸虧碳碳化物析出相啟用疲勞小裂紋的裂紋萌生區，即條件觸發的裂紋萌生競爭機制（有條件的疲勞二象性）；（d）極少數情況下，由魚骨晶界和大尺寸虧碳碳化物析出相共同啟用疲勞小裂紋的裂紋萌生區

*感謝論文作者團隊對本文的大力支援。

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