Дар хӯлаҳои титан ба даст овардани мустаҳкамии баланд одатан истифодаи унсурҳои бештари хӯларо талаб мекунад; аммо ин аз ҷиҳати арзиш, истеҳсолпазирӣ ва дар баъзе ҳолатҳо пластикӣ паёмад дорад. Ин таҳқиқот барои таҳияи титане, ки бе муроҷиат ба ҳиссаи баланди хӯла мустаҳкам буда, ҳамзамон қобилияти деформатсияи пластикиро нигоҳ медорад, шароити фавқулода тези сахтшавии усули гудозиши кати хокаи лазерӣ (Laser Powder Bed Fusion, L-PBF)-ро истифода мебарад. Муҳаққиқон ин равишро бо илҳом аз мафҳуми “мустаҳкамии баланд ва хӯлаи паст”, ки дар пӯлодҳо дер боз истифода мешавад, ҳамчун HSLA-Ti таъриф мекунанд.

Титани соф ва хӯлаҳои Ti-Cu, ки аз рӯи вазн %1,5, %3, %5 ва %7 мис доранд, бо L-PBF истеҳсол карда шуданд. Ti-и соф тақрибан 580 MPa мустаҳкамии ниҳоии кашиш ва тақрибан %22 дарозшавии кандашавиро нишон дод, дар ҳоле ки Ti-3Cu тақрибан 940 MPa мустаҳкамиро бо ҳамон сатҳи тақрибан %22 пластикӣ якҷо кард. Дар Ti-5Cu мустаҳкамии ниҳоии кашиш тақрибан ба 1.340 MPa расид, дар ҳоле ки дарозшавии кандашавӣ дар сатҳи %12 боқӣ монд. Ti-7Cu бо тақрибан 1.580 MPa мустаҳкамии боз ҳам баландтар дод, вале дарозшавӣ тақрибан ба %3 паст шуд.

Дар паси ин натиҷаҳо танҳо мустаҳкамшавии маҳлули сахти мис нест. Суръатҳои хеле баланди сардшавии истеҳсоли иловагӣ дар тартиби тақрибан 10⁵–10⁷ K/s диффузияи дурмасофаи атомҳои Cu-ро маҳдуд карда, сохтори иерархӣ аз донаҳои андозаи микрон, ламеллаҳои α′/α бо ғафсии чандсад нанометр ва нанопресипитатҳои бой аз Cu дар миқёси чанд нанометр ба вуҷуд меорад. Хусусан нанопресипитатҳои η′-и когерентӣ ва буридашаванда ҳаракати дислокатсияро душвор мекунанд, аммо деформатсияи пластикиро пурра қатъ намесозанд. Дар Ti-5Cu илова шудани нанопресипитатҳои сахттари Ti₂Cu η мустаҳкамиро боз ҳам зиёд мекунад.

Ҳамин тавр, таҳқиқот нишон медиҳад, ки комбинатсияи мустаҳкамии баланд–пластикӣ на танҳо бо зиёд кардани миқдори хӯла, балки бо истифодаи раванди истеҳсол ба тарзе, ки кинетикаи табдили фазаро назорат кунад, низ метавонад тарҳрезӣ шавад. Аммо натиҷаҳо ба ҳамаи системаҳои титани камхӯла ба таври худкор умумӣ карда намешаванд; таҳқиқот махсусан дар системаи Ti-Cu ва шароити истифодашудаи L-PBF анҷом дода шудааст.

Чаро таҳияи титани камхӯла мехоҳанд?

Титан ба сабаби мустаҳкамии хоси баланд, иҷрои хастагӣ, муқовимат ба зангзанӣ ва биомутобиқат дар татбиқҳои ҳавонавардӣ ва биотиббӣ як металли муҳандисии муҳим аст. Аммо қисми муҳимми хӯлаҳои тиҷоратии баландсамараи Ti чандин унсури хӯларо, аз ҷумла Al, V, Mo, Sn, Zr ва Cr, дар ҳиссаҳои нисбатан баланд дар бар мегирад.

Масалан, системаҳои паҳншудае мисли Ti-6Al-4V метавонанд иҷрои баланди механикӣ таъмин кунанд, вале арзиши хӯла, назорати ашёи хом ва мураккабии коркард метавонад зиёд шавад. Дар муқобил, титани софи тиҷоратӣ ё таркибҳои содатаре, ки миқдори ками Fe, Cr, Al ё Cu доранд, аз ҷиҳати истеҳсол ва арзиш ҷолибанд, аммо одатан дар тавозуни мустаҳкамӣ–пластикӣ камбудӣ нишон медиҳанд.

Аз ин рӯ, саволи асосии таҳқиқот чунин аст:

Оё бо истифодаи камтари унсурҳои хӯла ҳамоно нигоҳ доштани мустаҳкамӣ дар ҳудуди 1 GPa ё болотар аз он ва пластикии қобили истифода дар як мавод имконпазир аст?

HSLA-Ti чӣ маъно дорад?

Муаллифон равиши High-Strength Low-Alloy дар пӯлодҳоро ба титан мутобиқ карда, як таърифи кории нав пешниҳод мекунанд.

Меъёрҳои пешниҳодшудаи HSLA-Ti:

• миқдори умумии унсурҳои хӯла тақрибан %5 вазн ё камтар,
• мустаҳкамии ниҳоии кашиш UTS > 800 MPa,
• дарозшавии умумӣ TE > %10.

Дар доираи ин таҳқиқот ба ин меъёрҳо хусусан:

• Ti-3Cu: тақрибан 940 MPa UTS ва тақрибан %22 дарозшавӣ,
• Ti-5Cu: тақрибан 1.340 MPa UTS ва %12 дарозшавӣ

мувофиқат нишон медиҳанд.

Ti-1.5Cu бо тақрибан 770 MPa UTS аз ҳадди пешниҳодшудаи 800 MPa мустаҳкамӣ поён мемонад. Ti-7Cu бошад ҳам аз ҳадди пешниҳодшудаи %5 хӯла мегузарад ва ҳам азбаски дарозшавиаш тақрибан ба %3 меафтад, бояд берун аз таърифи HSLA-Ti арзёбӣ шавад.

Чаро мис интихоб шуд?

Системаи Ti-Cu барои муҳаққиқон махсусан ҷолиб аст, зеро диффузияи Cu дар дохили Ti зуд ва ҳалшавандагии он дар ҳарорати хонагӣ паст аст. Дар шароити сардкунии анъанавӣ ин вазъ метавонад ба ҷудошавии осони Cu ва ба вуҷуд омадани фазаҳои мувозинате мисли Ti₂Cu оварда расонад.

Зарраҳои калон ва ғайрикогерентии фазаи дуюм метавонанд мустаҳкамиро зиёд кунанд, аммо бо ба вуҷуд овардани тамаркузи шиддат шикастро осон гардонанд. Дар хӯлаҳои рехташудаи Ti-Cu, сарфи назар аз гузориши мустаҳкамии баланд дар сатҳи тақрибан 890 MPa, мушоҳида шудани пластикии хеле пасти тақрибан %1 яке аз мисолҳои ин мушкил аст.

Равиши таҳқиқот ин аст, ки ба ҷойи пурра озод гузоштани диффузияи Cu, онро бо суръатҳои баланди сардшавии L-PBF аз ҷиҳати кинетикӣ маҳдуд карда, нанопресипитатҳои хеле майдатар ва баъзан когерентӣ ҳосил кунад.

L-PBF чаро аз истеҳсоли классикӣ натиҷаи дигар медиҳад?

Дар гудозиши кати хокаи лазерӣ, лазер як минтақаи хеле хурдро барои муддати кӯтоҳ гудохта, маводро қабат ба қабат месозад. Ҳавзаи гудозиш зуд сард мешавад ва ҳангоми коркарди қабатҳои баъдӣ минтақа такрор ба такрор ба давраҳои термалӣ дучор мегардад.

Ин шароит метавонад барои рӯй додани табдилҳое, ки дар диаграммаи фазаи мувозинатӣ интизор мешаванд, вақти кофии диффузия нагузорад.

Мувофиқи таҳқиқоти манбаъ, тақрибан дар тартибҳои:

• L-PBF: 10⁵–10⁷ K/s,
• L-DED: 10²–10⁴ K/s,
• обдиҳӣ: тақрибан 160 °C/s

сардшавӣ сурат мегирад.

Ин фарқи хеле калон дар L-PBF диффузияи атомҳои Cu-ро маҳдуд карда, нигоҳ доштани сохтори мартенситии α′-и берун аз мувозинат ва нанопресипитатҳои метастабили бой аз Cu-ро имконпазир месозад.

Шакли 1 ба мо чӣ нишон медиҳад?

Шакли 1 дар саҳифаи дуюми мақола натиҷаи асосии механикии таҳқиқотро дар шаш панели ҷудогона нишон медиҳад.

Дар каҷҳои шиддат–деформатсия, бо зиёд шудани миқдори Cu мустаҳкамӣ ба таври низомманд боло меравад:

Дар ин ҷо созиши классикии мустаҳкамӣ–пластикӣ хусусан дар Ti-7Cu дубора равшан мешавад. Вақте миқдори мис аз ҳад зиёд баланд мешавад, гарчанде мустаҳкамии хеле баланд ба даст меояд, қобилияти деформатсияи пластикӣ якбора паст мегардад.

Шакли 1(c–f) натиҷаҳои Ti-Cu-и худи муҳаққиқонро бо системаҳои пештар нашршудаи Ti-Cu, Ti-6Al-4V ва хӯлаҳои гуногуни α, α+β ва β титан муқоиса мекунад. Мувофиқи баррасии адабиёти муаллифон, хусусан Ti-3Cu ҳосили хеле баланди мустаҳкамӣ–пластикӣ нишон медиҳад.

Микросохтор то чӣ андоза хурд шуд?

Ti-и софи L-PBF донаҳои номунтазам бо андозаи миёнаи дона тақрибан 48 ± 11 µm нишон дод, дар ҳоле ки дар хӯлаҳои Ti-Cu дар дохили донаҳо ламеллаҳои борики basket-weave ба вуҷуд омаданд.

Ғафсиҳои миёнаи ламелла:

Бо зиёд шудани миқдори Cu борик шудани ламеллаҳо масофаи ҳаракати озоди дислокатсияҳоро кам карда, ба афзоиши мустаҳкамӣ саҳм мегузорад.

Шакли 2: Дар миқёси атомӣ чӣ ба вуҷуд меояд?

Шакли 2 дар саҳифаи сеюми мақола тасвирҳои EBSD ва STEM-и дорои ҳалнокии атомиро якҷо мекунад.

Дар Ti-3Cu ду навъи гуногуни нанопресипитатҳои бой аз Cu мушоҳида мешаванд:

• зарраҳои лавҳамонанд дар сарҳадҳои ламелла бо тақрибан 16 nm дарозӣ ва 5 nm паҳнӣ,
• зарраҳои хурдтар дар дохили ламелла бо андозаи тақрибан 2 nm.

Таҳлилҳои HAADF-STEM-и дорои ҳалнокии атомӣ ва дифраксияи электронӣ нишон медиҳанд, ки ин зарраҳо ҳамон тартиби атомии HCP-ро бо матритсаи атрофии α′ нигоҳ медоранд.

Муҳаққиқон ин сохтори бой аз Cu, когерентӣ ва метастабилро фазаи η′ меноманд.

Нанопресипитати когерентӣ чаро муҳим аст?

Вақте як пресипитат бо матритса когерентӣ дорад, ҳамвориҳои атомии ду кристалл ба андозаи калон бе断шавӣ идома меёбанд. Аз ин рӯ, интерфейс метавонад мисли зарраҳои интерметалликии калон ва ғайрикогерентӣ ядрои қавии шикаст эҷод накунад.

Бо вуҷуди ин, зарраҳои η′ ҳаракати дислокатсияҳоро душвор мекунанд. Дислокатсия дар шиддати кофӣ баланд метавонад аз дохили зарра онро бурида гузарад. Ҳамин тавр, зарра ҳам монеаи мустаҳкамкунанда мешавад ва ҳам мисли садди комилан шикананда рафтор намекунад.

Ин механизм дар маркази шарҳи таҳқиқот оид ба ҳамзамон нигоҳ доштани мустаҳкамӣ ва пластикӣ ҷой дорад.

Ti-5Cu чаро аз Ti-3Cu фарқ мекунад?

Дар Ti-3Cu микросохтор асосан аз матритсаи α′ ва нанопресипитатҳои η′ иборат аст, дар ҳоле ки дар Ti-5Cu зиёд шудани миқдори Cu ба рух додани бештарини табдили диффузионӣ имкон медиҳад.

Дар натиҷа дар Ti-5Cu:

• ламеллаҳои α,
• нанопресипитатҳои когерентии η′,
• нанопресипитатҳои η дар сохтори мувозинатии Ti₂Cu

якҷо мавҷуданд.

Муаллифон инро ҳамчун dual nanoprecipitation — нанопресипитатсияи дугона таъриф мекунанд.

Зарраҳои η нисбат ба η′ монеаҳое мебошанд, ки дислокатсияҳо онҳоро бо буридан душвортар мегузаранд. Аз ин рӯ, мустаҳкамии Ti-5Cu нисбат ба Ti-3Cu якбора зиёд мешавад. Ҳамзамон минтақаҳои нисбатан нармтар байни зарраҳои борики η′ ва фазаҳои η дар система идомаи деформатсияи пластикиро таъмин мекунанд.

Ченкунии APT тақсимоти Cu-ро чӣ гуна тасдиқ кард?

Шакли 3 дар саҳифаи панҷум натиҷаҳои STEM-XEDS ва Atom Probe Tomography-ро нишон медиҳад.

Мувофиқи таҳлили APT, дар нанопресипитатҳои η′-и Ti-3Cu консентратсияи максималии Cu ба сатҳи тақрибан %27,5 атомӣ мерасад.

Зичии шумории нанопресипитатҳои η′ тақрибан:

\[ 2\times10^{22}\;m^{-3} \]

тахмин шудааст.

Ин зичии шумории фавқулода баланд таъмин мекунад, ки монеаҳои миқёси нанометр дар роҳи ҳаракати дислокатсияҳо хеле зуд-зуд дучор шаванд.

η′ воқеан метастабил аст?

Вақте намунаи Ti-3Cu дар 600 °C як соат коркарди гармӣ дид, мушоҳида шуд, ки зарраҳои η′ ба фазаи мувозинатии Ti₂Cu η табдил ёфтанд.

Пайдарпаии табдиле, ки муаллифон пешниҳод мекунанд:

\[ \alpha'(\mathrm{S.S.S.S.}) \rightarrow \eta' + \alpha' \rightarrow \eta' + \alpha + \eta \rightarrow \alpha + \eta \]

ба ин шакл аст.

Дар ин ҷо S.S.S.S., supersaturated solid solution, яъне маҳлули сахти аз ҳад сершуда мебошад.

Чаро дар истеҳсоли анъанавӣ ҳамон сохтор ба вуҷуд намеояд?

Муҳаққиқон ҳамон таркибҳои Ti-Cu-ро бо роҳҳои классикӣ, аз ҷумла гудозиши камони вакуумӣ ва обдиҳӣ низ баррасӣ карданд.

Дар ин равандҳо сардшавӣ мисли L-PBF зуд набуд, бинобар ин диффузияи Cu ба қадри кофӣ фурӯнишонда нашуд ва сохтори эвтектоидии α + η пайдо гардид. Фазаҳои калон ва пайвастатари Ti₂Cu ба вуҷуд омаданд, дар ҳоле ки нанопресипитатҳои η′ мушоҳида нашуданд.

Ин муқоиса дастгирӣ мекунад, ки натиҷаҳо на танҳо ба химияи Ti-Cu, балки ба таърихи термалии берун аз мувозинати L-PBF вобастаанд.

Ҳисобҳои DFT чӣ гуфтанд?

Муҳаққиқон дар суперхуҷайраи 200 атомии α-Ti ҳисобҳои назарияи функсионали зичиро анҷом доданд.

Натиҷаҳо нишон доданд, ки атомҳои Cu дар дохили матритсаи Ti ба ҷойи комилан мустақил мондан, якдигарро ҷалб мекунанд ва масофаи сеюмин ҳамсояи наздикро афзал медонанд.

Муаллифон ин тамоюли энергетикиро ҳамчун пуштибонии атомистӣ аз он шарҳ медиҳанд, ки ташаккули кластерҳои η′-и бой аз Cu метавонад аз ҷиҳати термодинамикӣ мусоид бошад.

Шакли 4: Мавод ҳангоми деформатсия чӣ мекунад?

Шакли 4 дар саҳифаи шашум ҳамкории дислокатсияҳоро бо нанопресипитатҳо пас аз деформатсияи кашиш нишон медиҳад.

Дар Ti-3Cu дар тақрибан %12 деформатсия шумораи зиёди дислокатсияҳои печидаи <a> ва дислокатсияҳои <c+a>, ки шиддати фаъолшавии баландтар талаб мекунанд, дида шуданд.

Дар тақрибан %22 деформатсия мушоҳида мешавад, ки дислокатсияҳои <c+a> равшантар шудаанд ва дар минтақаи наздики сатҳи шикаста ба ҳам печидаанд.

Ин ҳолат дастгирӣ мекунад, ки зарраҳои η′ дислокатсияҳоро муваққатан нигоҳ медоранд, аммо дар шиддати баланд дислокатсияҳо метавонанд нанопресипитатҳоро бурида пеш раванд.

Лағжиши сершумор чаро пластикиро нигоҳ медорад?

Агар металл ҳангоми деформатсияи пластикӣ танҳо бо шумораи ками системаҳои лағжиш деформатсия шавад, деформатсия метавонад дар минтақаҳои муайян мутамарказ гардад ва шикасти бармаҳал инкишоф ёбад.

Сохтори иерархии хӯлаҳои Ti-Cu дар натиҷаи ҷамъшавии дислокатсияҳо фаъолшавии системаҳои гуногуни лағжишро ташвиқ мекунад.

Хусусан дар Ti-3Cu бо зиёд шудани деформатсия инкишофи лағжиши салибӣ ва механизмҳои лағжиши сершумор ба деформатсияи пластикии ҳамгунтар саҳм мегузорад.

Ti-5Cu чӣ гуна ҳам сахт ва ҳам пластикӣ боқӣ мемонад?

Зарраҳои η дар Ti-5Cu дислокатсияҳои <c+a>-ро қавӣ маҳкам мекунанд. Аммо минтақаҳои байни қаторҳои η ва каналҳое, ки нанопресипитатҳои η′-и буридашаванда доранд, метавонанд осонтар деформатсияи пластикӣ кунанд.

Таҳқиқот ин сохторро ҳамчун як навъ рафтори композитии миқёси микро шарҳ медиҳад:

• минтақаҳои сахти η: мустаҳкамии баланд таъмин мекунанд,
• каналҳои нармтаре, ки η′ доранд: ҷараёни пластикиро идома медиҳанд.

Ҳамин тавр, Ti-5Cu нисбат ба Ti-3Cu мустаҳкамии хеле баландтар мегирад, вале пластикӣ комилан аз байн намеравад.

Шакли 5 ва симулятсияи динамикаи молекулавӣ

Шакли 5 дар саҳифаи ҳафтум гузаштани як дислокатсияи канории <a>-ро аз қатори нанопресипитатҳои η′ дар миқёси атомистӣ симулятсия мекунад.

Параметрҳои истифодашуда дар шакл байни нанопресипитатҳо:

• 20 nm фосила,
• 4 nm диаметр

нишон дода шудаанд.

Дар Ti-и соф барои ҳаракати дислокатсия тақрибан 390 MPa шиддати критикии лағжиш лозим аст, дар ҳоле ки дар модели дорои қатори нанопресипитатҳои η′ ин арзиш тақрибан ба 570 MPa мерасад.

Фарқи тақрибӣ:

\[ 570-390\approx180\;MPa \]

ёфта шудааст.

Вақте барои системаи Polycrystalline омили Taylor 3 истифода мешавад, ҳадди назариявии болоӣ:

\[ \Delta\sigma_y\approx3(180)=540\;MPa \]

ҳисоб шудааст.

Муаллифон таъкид мекунанд, ки ин ба сабаби суръати хеле баланди деформатсияи MD шароити воқеии таҷрибавиро мустақиман намояндагӣ намекунад. Ислоҳ бо ҳассосияти суръати деформатсия тахмини афзоиши тақрибан 325 MPa медиҳад.

Номувофиқатии дохилии манбаъ дар усули MD

Дар Шакли 5 ва баҳс диаметри зарраи η′ 4 nm дода шудааст, дар ҳоле ки дар шарҳи модели аввалини MD дар бахши Methods барои нанопресипитат 6 nm диаметр зикр мешавад.

Манбаъ ин фарқро шарҳ намедиҳад. Аз ин рӯ, дар ин ҷо яке аз арзишҳо ба ҷойи дигаре хомӯшона ислоҳ нашудааст.

Ҳамчунин дар баҳс суръати ҳисобии деформатсия тақрибан 10⁸ s⁻¹ ифода шудааст, дар ҳоле ки шарти сарҳадии истифодашуда дар бахши усулҳо 2 × 10⁸ s⁻¹ аст.

Рафтори шикасти мавод чӣ гуна тағйир ёфт?

Сатҳҳои шикастаи Ti-1.5Cu ва Ti-3Cu асосан морфологияи чуқурчадор, яъне хоси шикасти пластикиро нишон доданд.

Дар Ti-5Cu ва Ti-7Cu ҳамроҳи чуқурчаҳо хусусиятҳои cleavage низ дида мешаванд.

Хусусан бартарӣ ёфтани хусусияти quasi-cleavage дар сатҳи шикастаи Ti-7Cu бо пластикии он, ки тақрибан ба %3 паст шудааст, мувофиқ аст.

Таҳқиқот чиро дастгирӣ мекунад?

• Суръати баланди сардшавии L-PBF метавонад дар Ti-Cu микросохторҳои метастабилеро ба вуҷуд оварад, ки дар истеҳсоли классикӣ ба даст оварданашон душвор аст.
• Бо зиёд шудани миқдори Cu мустаҳкамии хӯлаҳои Ti-Cu равшан зиёд мешавад.
• Ti-3Cu метавонад тақрибан 940 MPa UTS ва тақрибан %22 пластикиро якҷо таъмин кунад.
• Ti-5Cu ба шарофати нанопресипитатсияи дугона ба тақрибан 1.340 MPa UTS ва %12 дарозшавии кандашавӣ расидааст.
• Нанопресипитатҳои когерентии η′ дислокатсияҳоро ба таври мустаҳкамкунанда бозмедоранд, дар ҳоле ки буридашаванда буданашон ба идомаи деформатсияи пластикӣ кӯмак мекунад.
• Нанопресипитатҳои сахттари η дар Ti-5Cu афзоиши иловагии мустаҳкамиро таъмин мекунанд.
• Борикшавии ламелла, нанопресипитатсия ва механизмҳои лағжиши сершумор якҷо ба тавозуни мустаҳкамӣ–пластикӣ саҳм мегузоранд.

Таҳқиқот чиро исбот намекунад?

• Нишон намедиҳад, ки ҳамаи таркибҳои титани камхӯла бо L-PBF ба ҳамон иҷро мерасанд.
• Исбот намекунад, ки натиҷаи 1.340 MPa ва %12 дар ҳамаи мошинҳо ё параметрҳои L-PBF ба таври худкор дубора истеҳсол мешавад.
• Нишон намедиҳад, ки Ti-7Cu ба меъёри HSLA-Ti мувофиқ аст.
• Умри хастагӣ ё toughness-и шикасти маводро дар ин таҳқиқот ба таври фарогир тасдиқ намекунад.
• Коррозияи дарозмуддат ё иҷрои имплантро намеозмояд.
• Дар намунаҳои дорои Cu иҷрои антибактериалиро мустақиман чен намекунад.
• Ҳисоб намекунад, ки миқдори пасттари хӯла изи карбонии давраи ҳаётро то чӣ андоза кам мекунад.
• Арзиши истеҳсоли силсилавии тиҷоратӣ ё арзиши умумии қисмро дар миқёси саҳроӣ тасдиқ намекунад.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Дар таҷриба кадом хӯлаҳо истифода шуданд?

Бо истифода аз хокаи Ti ва Cu-и газатомизатсияшудаи тозагии баланд панҷ таркиб омода шуд:

• Ti-и соф,
• Ti-1.5 wt.% Cu,
• Ti-3 wt.% Cu,
• Ti-5 wt.% Cu,
• Ti-7 wt.% Cu.

Андозаи зарраҳои хока дар фосилаи 15–53 µm аст. Хокаҳои хӯла дар омехтакуни сеченакаи Turbula T2F бо суръати 150 rpm ду соат ба таври механикӣ омехта карда шуданд.

Параметрҳои истеҳсоли L-PBF

Намунаҳо бо системаи яклазерии SLM 125HL дар атмосфераи муҳофизатии аргон истеҳсол карда шуданд.

Параметрҳои ниҳоии истеҳсол дар натиҷаи таҷрибаҳои пешинаи шаклпазирӣ ва кашиш муайян карда шуданд.

Барои муқоиса истеҳсоли классикӣ низ анҷом дода шуд

Муҳаққиқон Ti ва ҳамон таркибҳои Ti-Cu-ро бо гудозиши камони вакуумӣ низ истеҳсол карданд.

Инготҳо барои зиёд кардани якхелагии химиявӣ панҷ бор аз нав гудохта шуданд. Ҳамин тавр муқоиса кардан имкон пайдо кард, ки микросохторҳои ҳосилшуда бо L-PBF танҳо аз таркиби химиявӣ ё аз кинетикаи истеҳсол вобастаанд.

Микросохтор бо кадом усулҳо таҳқиқ шуд?

Дар таҳқиқот як силсилаи фарогири тавсифкунии бисёрмиқёсӣ истифода шуд:

• X-ray diffraction — XRD,
• Electron Backscatter Diffraction — EBSD,
• Back-Scattered Electron тасвиргирӣ — BSE,
• Transmission Electron Microscopy — TEM,
• Scanning Transmission Electron Microscopy — STEM,
• HAADF-STEM,
• XEDS харитасозии унсурӣ,
• Electron Energy-Loss Spectroscopy — EELS,
• Atom Probe Tomography — APT,
• Convergent Beam Electron Diffraction — CBED.

Бо шарофати ин усулҳо сохтор аз донаҳои миқёси микрометрӣ то пресипитатҳои чанднанометрӣ ва тақсимоти атомии Cu пайгирӣ шудааст.

Озмоишҳои кашиш чӣ гуна гузаронда шуданд?

Намунаҳои кашиш аз қисмҳои L-PBF бо эрозияи симӣ дар шакли устухони саг бурида шуданд.

Минтақаи ченкунӣ:

• 10 mm дарозӣ,
• 2 mm паҳнӣ,
• 2 mm ғафсӣ

омода карда шуд.

Озмоишҳо дар ҳарорати хона бо суръати деформатсияи `10⁻³ s⁻¹` анҷом дода шуда, деформатсия бо экстенсометри лазерии бетаамос чен карда шуд.

Барои ҳар гурӯҳи хӯла озмоиши кашиш се маротиба такрор карда шуд.

Иҷрои асосии механикӣ

Ti-3Cu чаро махсусан ҷолиб аст?

Ti-3Cu тақрибан %22 дарозшавии кандашавиро нигоҳ дошта, нисбат ба Ti-и соф мустаҳкамиро тақрибан:

\[ \frac{940-580}{580}\times100\approx62\% \]

зиёд мекунад.

Аз ин рӯ, Ti-3Cu хӯлаи дорои баландтарин мустаҳкамии мутлақ дар таҳқиқот нест; аммо дар арзёбии ҳамзамони мустаҳкамӣ ва пластикӣ ҷолиб аст.

Афзоиши мустаҳкамии Ti-5Cu

Арзиши тақрибии 1.340 MPa UTS барои Ti-5Cu нисбат ба Ti-и соф тақрибан:

\[ \frac{1340-580}{580}\times100\approx131\% \]

баландтар аст.

Ба ибораи дигар, мустаҳкамии ниҳоии кашиш бештар аз ду баробар боло рафт, дар ҳоле ки %12 дарозшавӣ нигоҳ дошта шуд.

Мустаҳкамии фишорӣ

Манбаъ хабар медиҳад, ки мустаҳкамии ниҳоии фишории Ti-3Cu-и as-printed ба тақрибан 2.000 MPa наздик мешавад ва бо зиёд шудани миқдори Cu боз ҳам боло меравад.

Тибқи муқоисаи муаллифон, ин арзишҳо аз системаҳои Ti-Cu, ки бо роҳҳои анъанавии рехтагарӣ, ковиш ва синтеркунӣ истеҳсол шудаанд, баландтаранд.

Нақши механикии зарраҳои η′

Вақте натиҷаҳои MD ва микроскопия якҷо арзёбӣ мешаванд, ду рафтори фазаи η′ пеш меояд:

1. Бо нигоҳ доштани дислокатсия то як шиддати критикӣ мустаҳкамиро зиёд мекунад.
2. Азбаски дар шиддати кофӣ метавонад аз ҷониби дислокатсия бурида шавад, мисли монеаи комилан шикананда рафтор намекунад.

Ин хусусияти дуюм яке аз шарҳҳои муҳимми ҳамзистии мустаҳкамӣ–пластикӣ мебошад.

Нақши механикии фазаи η

Нанопресипитатҳои Ti₂Cu η монеаҳои қавие мебошанд, ки буриданашон душвортар аст.

Дар Ti-5Cu мавҷудияти онҳо бо афзоиши тақрибан %35-и мустаҳкамии ҷорӣшавӣ нисбат ба Ti-3Cu алоқаманд карда мешавад.

Аммо вақте ҳиссаи η боз ҳам зиёд мешавад, таъсири минтақаҳои сахт ва шикананда қавитар мегардад. Дар Ti-7Cu паст шудани пластикӣ то тақрибан %3 дар баробари мустаҳкамии баланд ҳадди ин тамоюлро нишон медиҳад.

Муҳимтарин натиҷаи муҳандисӣ

Муҳимтарин натиҷаи муҳандисии таҳқиқот он аст, ки тарҳи хӯла танҳо бо саволи “аз кадом унсур чӣ қадар илова кунем?” маҳдуд нест.

Дар ин ҷо раванди истеҳсол мустақиман ба абзори тарҳрезии хӯла табдил меёбад:

Таркиб + таърихи термалии L-PBF → кинетикаи табдили фаза → сохтори ламелла ва нанопресипитат → механизми дислокатсия → мустаҳкамӣ ва пластикӣ.

Аз ин рӯ, ҳамон таркиби номиналии Ti-Cu ҳангоми истеҳсол бо усули классикӣ ва бо L-PBF метавонад микросохторҳои гуногун ва дар натиҷа хусусиятҳои механикии гуногун нишон диҳад.

Аз ҷиҳати ҳавонавардӣ чӣ гуфтан мумкин аст?

Мустаҳкамии хоси баланд ва миқдори ками хӯла метавонад системаи Ti-Cu-ро барои татбиқҳои сохторӣ ҷолиб гардонад. Аммо таҳқиқоти манбаъ мавзӯъҳое чун афзоиши тарқиши хастагӣ, устувории ҳарорати баланд, хазиш, таҳаммулпазирӣ ба осеб ва сертификатсияи ҷузъи воқеии ҳавонавардиро дар бар намегирад.

Аз ин рӯ, натиҷаҳо мустақиман маънои “Ti-5Cu акнун метавонад ҷойи Ti-6Al-4V-ро гирад”-ро надоранд.

Аз ҷиҳати биотиббӣ чӣ гуфтан мумкин аст?

Муаллифон бо ишора ба таъсири антибактериалии Cu, ки метавонад адгезияи бактериявӣ ва ташаккули биофилмро кам кунад, таъкид мекунанд, ки системаҳои Ti-Cu барои имплантҳо потенсиал доранд.

Аммо дар ин мақола:

• озмоиши фарҳанги бактерия,
• санҷиши ситотоксикӣ,
• ченкунии хориҷшавии ион,
• озмоиши импланти in vivo

гузориш нашудааст.

Аз ин рӯ, истифодаи биотиббӣ потенсиали ояндаест, ки бо натиҷаҳои механикӣ мувофиқ аст; ин тасдиқи мустақими клиникии ин таҳқиқот нест.

Иддаои устуворӣ ва арзиш чӣ гуна бояд шарҳ дода шавад?

Таҳқиқот баҳс мекунад, ки истифодаи миқдори ками унсури хӯла метавонад нисбат ба системаҳои гарони Ti-и баландхӯла иқтисодӣ ва аз ҷиҳати манбаъ содатар бошад. Дар Supplementary Information арзишҳои мавод муқоиса шуда, гуфта шудааст, ки системаҳои Ti-Cu тавозуни қавии мустаҳкамӣ–арзиш нишон медиҳанд.

Бо вуҷуди ин, таҳқиқот арзёбии пурраи давраи ҳаёт анҷом надодааст. Дар L-PBF:

• истеъмоли барқ,
• энергияи истеҳсоли хока,
• истифодаи аргон,
• ниёз ба post-processing,
• бозкоркард,
• эквиваленти CO₂ барои ҳар қисм

чен нашудааст.

Аз ин рӯ, ибораи “устувор” дар ин ҷо бояд дар заминаи миқдори пасти хӯла ва бартарии эҳтимолии мавод/арзиш арзёбӣ шавад.

Аз нуқтаи назари Türkiye чӣ гуна бояд арзёбӣ шавад?

Дар таҳқиқот хока, системаи L-PBF, лаборатория ё қисми саноатие, ки дар Türkiye истеҳсол шудааст, вуҷуд надорад. Аз ин рӯ, гуфта намешавад, ки нишондиҳандаҳои механикии гузоришшуда дар ягон хатти истеҳсолии Türkiye ба таври худкор такрор мешаванд.

Барои тасдиқи маҳаллӣ бояд тозагии хокаҳои Ti ва Cu, андозаи зарра, миқдори оксиген, қувваи лазер, суръати скан, hatch spacing, атмосфераи мошин ва таърихи термалӣ ба таври мувофиқ бо таҳқиқоти манбаъ назорат карда шаванд.

Хусусан дар татбиқи ҳавонавардӣ ё тиббӣ, азбаски танҳо мустаҳкамии кашиш кофӣ нест, хастагӣ, toughness-и шикаст, коррозия, биомутобиқат ва такроршавандагии раванд низ бояд ҷудогона тасдиқ карда шаванд.

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

Номи пурраи кори аслӣ: Ultra-strong and ductile low-alloy titanium by additive manufacturing

Муаллифон: Chuanxi Ren, Hao Wang, Xiangyuan Cui, Jinjin Guo, Hansheng Chen, Zizheng Song, Hengchao Shi, Yating Ran, Chunjin Wang, Chi Fai Cheung, Hongwei Liu, Kang Cheung Chan, Xiaozhou Liao, Ting Zhu, Dengke Chen, Simon P. Ringer, Zibin Chen.

Муаллифони аввал бо саҳми баробар: Chuanxi Ren ва Hao Wang.

Муаллифони масъул: Ting Zhu, Dengke Chen, Simon P. Ringer ва Zibin Chen.

Муассиса 1: State Key Laboratory of Ultra-precision Machining Technology, Department of Industrial and Systems Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China.

Муассиса 2: Research Institute for Advanced Manufacturing, Department of Industrial and Systems Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China.

Муассиса 3: School of Aerospace, Mechanical and Mechatronic Engineering, The University of Sydney, New South Wales, Australia.

Муассиса 4: Australian Centre for Microscopy & Microanalysis, The University of Sydney, New South Wales, Australia.

Муассиса 5: Department of Engineering Mechanics, School of Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, China.

Муассиса 6: Woodruff School of Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, USA.

Навъи манбаъ: Мақолаи таҳқиқотии рецензияшудаи таҷрибавӣ ва ҳисоббарории илми мавод.

Журнал: Materials Today.

Ҷилд: 96.

Рақами мақола: 103329.

DOI: 10.1016/j.mattod.2026.103329

Санаи ирсол: 10 сентябр 2025.

Санаи ревизия: 1 апрел 2026.

Санаи қабул: 2 апрел 2026.

Нашри онлайн: 7 апрел 2026.

Ҷилди журнал: сабти библиографии июл 2026.

Пайванди расмии DOI: https://doi.org/10.1016/j.mattod.2026.103329

Ҳолати рецензия: Ин мақолаи таҳқиқотии академии рецензияшудаест, ки дар Materials Today нашр шудааст.

Иҷозатнома: Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International — CC BY-NC 4.0.

Ҳолати Preprint: Ҳуҷҷати баррасишуда мақолаи ниҳоии нашршудаи Materials Today мебошад.

Равиши асосии таҷрибавӣ: Истеҳсоли Ti-и соф ва хӯлаҳои Ti-1.5Cu, Ti-3Cu, Ti-5Cu ва Ti-7Cu бо L-PBF; муқоисаҳои гудозиши классикии камонӣ; тавсифкунии микросохтор бо XRD, EBSD, BSE, TEM, STEM, XEDS, EELS, CBED ва APT; озмоишҳои кашиш ва фишор; ҳисобҳои DFT ва динамикаи молекулавӣ.

Такрори озмоиши кашиш: Ҳар гурӯҳи Ti/Ti-Cu се маротиба озмоиш шудааст.

Шарти асосии L-PBF: қувваи лазер 350 W ва суръати скан 800 mm/s; диаметри spot 80 µm, ғафсии қабат 30 µm, hatch spacing 105 µm ва чархиши қабат 90°.

Дастрасии маълумот: Муаллифон изҳор кардаанд, ки маълумоти зарурӣ барои арзёбии натиҷаҳои мақола дар мақола ва/ё Supplementary Information мавҷуд аст ва маълумоти иловагӣ метавонад бо дархост аз муаллифон гирифта шавад. Сабти Data Availability-и мақола мегӯяд, ки маълумот бо дархост пешниҳод мешавад.

Ихтилофи манфиатҳо: Муаллифон изҳор кардаанд, ки манфиати молиявӣ ё муносибати шахсии маълуме, ки ба таҳқиқот таъсир расонад, вуҷуд надорад.

Маблағгузорӣ: Таҳқиқот аз ҷониби якчанд манбаъ, аз ҷумла Shenzhen Municipal Science and Technology Innovation Commission, барномаҳои Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong Innovation and Technology Commission, National Natural Science Foundation of China, Natural Science Foundation of Shanghai, AXA Foundation for Human Progress ва Australian Research Council дастгирӣ шудааст.

Саҳмҳои муаллифон: Zibin Chen ва Simon P. Ringer лоиҳаро консептуалӣ ва идора кардаанд. Chuanxi Ren истеҳсоли намуна, озмоишҳои механикӣ ва тавсифи асосиро анҷом додааст. Hao Wang дар HAADF-STEM; Ting Zhu, Dengke Chen ва Jinjin Guo дар MD; Xiangyuan Cui дар DFT; Hansheng Chen дар корҳои APT саҳм гирифтааст. Муаллифони дигар ба микроскопия, таҳлил, манбаъ ва тафсири натиҷаҳо саҳм гузоштаанд. Нақшҳои муфассали CRediT дар манбаъ ҷудогона дода шудаанд.

Ҳадди таърифи HSLA-Ti: HSLA-Ti дар ин таҳқиқот таърифи тарҳиест, ки муаллифон пешниҳод кардаанд: тақрибан ≤5 wt.% хӯлаи умумӣ, UTS > 800 MPa ва дарозшавии умумӣ > %10. Аз ин рӯ, Ti-3Cu ва Ti-5Cu меъёрҳоро қонеъ мекунанд, дар ҳоле ки Ti-7Cu таркиби муқоисавии баландмустаҳкам дар дохили таҳқиқот аст, аммо дар ҳудуди пешниҳодшудаи HSLA-Ti нест.

Номувофиқатии дохилии манбаи MD: Дар Шакли 5 ва бахши баҳс диаметри нанопресипитати η′ D = 4 nm ва фосила S = 20 nm гуфта мешавад, дар ҳоле ки дар шарҳи модели аввалини edge-dislocation MD дар бахши Methods диаметри зарра 6 nm дода шудааст. Манбаъ ин фарқро шарҳ намедиҳад. Ғайр аз ин, дар баҳс суръати деформатсия тақрибан 10⁸ s⁻¹ гардонда мешавад, дар ҳоле ки дар бахши Methods 2 × 10⁸ s⁻¹ истифода шудааст.

Ҳадди антибактериалӣ: Дар бахши натиҷаҳо гуфта мешавад, ки хусусиятҳои антибактериалии Cu аз ҷиҳати татбиқҳои имплант бартарии эҳтимолӣ мебошанд; дар ин таҳқиқот озмоишҳои антибактериалӣ ё биофилм анҷом дода нашудаанд.

Ҳадди устуворӣ: Муаллифон миқдори пасти хӯла ва арзиши нисбатан пасти маводро бо потенсиали рушди системаҳои устувортари Ti алоқаманд мекунанд. Дар таҳқиқот таҳлили давраи ҳаёт, тавозуни мустақими энергия ё ченкунии партоби карбон анҷом дода нашудааст.

Ҳадди муҳтавои илмӣ: Таркибҳо, арзишҳои механикӣ, андозаҳои микросохтор, хусусиятҳои нанопресипитат, параметрҳои истеҳсол, натиҷаҳои DFT/MD ва тафсирҳо дар ин мақолаи Verianla ба таҳқиқоти аслӣ асос ёфтаанд. Манбаъҳои беруна танҳо барои тасдиқи ҳувияти библиографӣ ва ҳолати рецензия/нашр истифода шудаанд.