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Design and post-heat treatment of a hybrid titanium alloy with tailored microstructure and enhanced fracture toughness

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Autor(es):
Prandi, Gilberto V. ; Rodrigues, Joao Felipe Q. ; Valentim, Matheus ; Sangali, Marcio ; Soyama, Juliano ; Gabriel, Andre Henrique G. ; Silva, Leandro S. ; Cremasco, Alessandra ; Caram, Rubens
Número total de Autores: 9
Tipo de documento: Artigo Científico
Fonte: Journal of Alloys and Compounds; v. 1042, p. 15-pg., 2025-10-15.
Resumo

Conventional alloy design reaches its performance ceiling as modern applications demand simultaneous optimization of conflicting properties such as strength, ductility, and fracture resistance. Here, we demonstrate a disruptive alloy design strategy through the creation of a Hybrid Titanium Alloy (HYTA), synthesized via laser powder bed fusion (PBF-LB) using a tailored blend of 80 wt% Ti-42Nb and 20 wt% Ti-5553. This approach leverages the intrinsic low modulus and ductility of Ti-42Nb with the aging response and high strength of Ti-5553, yielding a chemically heterogeneous microstructure with synergistic behavior. Thermal analysis and in situ high-temperature X-ray diffraction (HT-XRD) reveal alpha-phase formation onset at similar to 425 degrees C, peaking near 750 degrees C, and partially reversing at the beta-transus (similar to 825 degrees C). Optimal mechanical performance was achieved at 500 degrees C, with a 16 % increase in compressive strength and a 9 % rise in tensile strength, while preserving adequate ductility. Remarkably, fracture toughness remained significantly higher than conventional aged beta-Ti alloys (KQ = 54 MPa.root m), attributed to a refined alpha-phase and a heterogeneous architecture that deflects crack propagation. This work establishes a new alloy design paradigm based on controlled hybridization, offering a versatile platform for engineering multifunctional titanium components with tunable properties for structural and biomedical use. (AU)

Processo FAPESP: 23/04844-0 - Fabricação de componentes com gradientes funcionais por deposição
Beneficiário:Leandro Santos da Silva
Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
Processo FAPESP: 23/13947-8 - Explorando materiais em camadas usando fusão a laser em leito de pó de ligas de titânio
Beneficiário:João Felipe Queiroz Rodrigues
Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
Processo FAPESP: 22/10350-8 - Modulação de propriedades mecânicas de componentes para implante via manufatura aditiva de ligas de Ti
Beneficiário:Matheus Valentim
Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto
Processo FAPESP: 22/10049-6 - Obtenção de materiais com controle de rigidez por manufatura aditiva e tratamentos térmicos
Beneficiário:Gilberto Vicente Prandi
Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto
Processo FAPESP: 18/18293-8 - Ligas de titânio: transformações de fases e manufatura aditiva aplicadas na obtenção de materiais com gradientes funcionais
Beneficiário:Rubens Caram Junior
Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Temático
Processo FAPESP: 24/13761-4 - Aplicação de Fusão a Laser em Leito de Pó na Obtenção de Materiais com Gradientes Funcionais em Ligas Ti-Nb-Ta
Beneficiário:Marcio Sangali Cristino da Silva
Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado