Nature Materials：机器学习引导增材制造超强钛合金！

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编辑丨风云

研究背景

纳米结构金属凭高密度界面获得优异力学性能，但溅射、电沉积与剧烈塑性变形等路线受几何与产能限制，难以成形复杂块体构件。激光粉末床熔融的极端温度梯度、快速冷却与循环热历史为亚稳纳米结构提供非平衡窗口，然而其庞大设计空间尚缺乏系统探索范式。

关键问题

目前，增材制造钛合金的纳米结构设计主要存在以下问题：

1、纳米结构钛合金长期难以直接成型复杂构件

现有纳米结构钛合金依赖溅射、电沉积与剧烈塑性变形等路线，几何受限、产能低下；传统铸锻路线则受偏析与相平衡约束，无法在成形复杂构件的同时保留纳米结构。

2、增材制造合金设计空间庞大、可靠数据匮乏

成分与工艺参数耦合构成巨大搜索空间，而已报道数据受设备、参数与原料差异影响噪声大，未探索成分区间的数据稀缺，机器学习模型缺乏可靠训练集支撑。

新思路

有鉴于此，香港城市大学吕坚、天津大学何春年等人将激光粉末床熔融与高通量实验、机器学习闭环耦合，制备并测试118种Ti–Al–Cr合金建立标准化数据集，以XGBoost（UTS与屈服强度R²分别0.87与0.97）在38,052个虚拟组合中收敛至最优设计区。选定的Ti–7.5Al–3.3Cr合金在打印态形成由马氏体相变驱动的亚10 nm异质堆垛纳米带（AB/BC/CA堆垛变体互生），赋予约1.5 GPa屈服强度、超1.7 GPa抗拉强度、约7.5%均匀延伸率与约380 MPa cm³ g⁻¹比强度，直接打印即可获得高强度高韧性一体化的钛合金构件。

技术方案：

1、建立了高通量实验与机器学习闭环的发现范式

元素粉末原位合金化LPBF制备118种Ti–Al–Cr试样建库；XGBoost预测误差低于50 MPa，虚拟筛选38,052个组合后实验验证前5%候选。

2、解析了亚10 nm异质堆垛纳米带的形成机制

球差校正STEM与三维原子探针证实α′板条内AB/BC/CA堆垛变体以约5 nm间距互生，界面生成单周期面心立方单元；分子动力学揭示其急冷shuffling起源并经控冷实验验证。

3、表征了超越同类合金的力学性能与高温服役适应性

打印态Ti–7.5Al–3.3Cr屈服强度1,501 MPa、抗拉1,726 MPa、延伸率7.5%；Cr增至7.5%时延伸率升至15.9%，550 °C抗拉仍高于1,100 MPa。

4、阐明了位错与纳米带交互作用下的强化韧化

分子动力学与多尺度表征显示，异质堆垛界钉扎a型位错并促使其分解为不全位错,位错滑移带穿越界面恢复堆垛序列，塑性应变均匀分布，应变硬化持续。  

技术优势：

1、建立了高通量实验与机器学习加速发现范式

HTE提供成分–工艺全覆盖的可靠数据集，ML驱动预测收敛，把合金开发从经验试错升级为数据驱动工作流；所选成分位于传统铸锻合金家族之外，拓展了增材制造专属合金空间。

2、实现了超高强度、高延伸与高温服役性能兼得

亚10 nm异质堆垛纳米带同时承担强化与韧化：强度超1.7 GPa并保持约7.5%延伸与显著加工硬化，比强度超越增材制造钢、铝、镍合金与高熵合金，550 °C抗拉仍高于1,100 MPa。

技术细节

数据驱动发现范式与合金–工艺筛选

作者以Al作α相稳定剂、Cr作β相稳定剂构建Ti–Al–Cr设计空间：元素粉末与商业纯钛混配后LPBF原位合金化，系统变化Al、Cr含量与激光功率、扫描速度，制备118种合金并按统一协议测试，形成低噪声标准化数据集。以钼当量与固溶强化贡献两个冶金描述符嵌入领域知识，XGBoost经留一交叉验证获得最优预测（RMSE低于50 MPa，UTS与YS的R²为0.87与0.97），预测值多数落在实验值±5%内。对38,052个虚拟成分–工艺组合排名后，前5%候选合金抗拉强度超1,630 MPa；SHAP分析显示Cr含量为主导特征，最优成分落于传统钛合金家族之外。

图  数据驱动的发现范式

亚10 nm异质堆垛纳米带的结构与起源

打印态Ti–7.5Al–3.3Cr显微组织由99.1% α′马氏体与不足1%残留β组成，板条厚约75 nm；板条内部进一步发育出垂直于[0001]、厚度低于10 nm的平行纳米带。原子分辨HAADF-STEM证明带衬度源于AB、BC与CA型堆垛变体在hcp基体内的密集互生，堆垛畴界处必然形成单周期面心立方单元，并使0001与0003等消光点复现。三维原子探针显示约6 nm周期的片层成分调制，Al与Cr反相关分布。分子动力学表明平衡退火得无缺陷粗大hcp板条，急冷则经多重形核与快速扩展冻结出密集堆垛变体；重加热至1,000 °C后按冷却速率从α+β经马氏体到异质堆垛α′的演化验证了该动力学起源。

图  亚10 nm异质堆积带

优异力学性能与高温适应性

打印态Ti–7.5Al–3.3Cr屈服强度1,501 MPa、抗拉1,726 MPa、均匀延伸率7.5%，显著超越已报道增材制造钛合金；同工艺打印的Ti–6Al–4V与商业纯钛作为参照，凸显其强度–延性协同与加工硬化能力。提高Cr含量进入亚稳β区后，Ti–7.5Al–5Cr（抗拉1,555 MPa，延伸12.4%）与Ti–7.5Al–7.5Cr（抗拉1,449 MPa，延伸15.9%）借助相变诱发塑性进一步提升延性，比强度高于增材制造钢、铝合金、镍合金与高熵合金。高温拉伸显示550 °C抗拉仍达1,169 MPa、700 °C降至695 MPa，抗热软化能力把增材制造钛合金的服役包络拓展至高温区。

图  卓越的机械性能

位错–纳米带交互与变形机制

基于AB/BC/CA堆垛构建厚约5 nm的HS-Ti原子模型，单轴拉伸显示三个取向下流动应力与应变硬化均高于参考hcp钛，(0001)基面内加载差异最显著。[12̄10̄]加载下密集异质堆垛带阻断滑移连续性又充当位错源,位错快速增殖并缠结成网络，原子位移分析显示塑性应变被离域化；参考钛则为平面单滑移，应变高度局域化。[101̄0̄]加载中a型位错被界面分割为亚10 nm线段，穿越界面需分解为不全位错；实验中7.5%应变后TKD给出广泛胞状位错亚结构，滑移带依次穿过堆垛界面恢复AB堆垛序列，需附加应力维持位错活性在大应变区间持续，原位拉伸与EBSD证实      了剪切带空间均匀发展。

图  位错与异质堆积纳米带的相互作用

展望

该工作打通了LPBF非平衡凝固与高通量实验、机器学习的闭环，把"打印即纳米结构化"变为现实：亚10 nm异质堆垛纳米带源于急冷马氏体的堆垛变体互生，兼具强化与持续加工硬化。该范式可推广至更多合金体系，为下一代轻质高强度结构金属的发现与复杂构件的直接成型提供路径。

参考文献：

Bai, X. et al. Sub-10-nm stacking bands enable ultrastrong additively manufactured titanium. Nature Materials (2026). DOI: 10.1038/s41563-026-02749-6