哈尔滨工业大学陈玉勇教授团队：增材制造TiAl合金的研究进展！

来源：焊接科学

轻质耐热的TiAl合金是航空航天和民用工业等领域最具潜力的高温结构材料之一。然而，由于其低的延展性和断裂韧性，制造TiAl零部件具有挑战性。目前，增材制造工艺被认为是制造TiAl零件具有前途的技术之一。2023年7月17日，哈尔滨工业大学陈玉勇教授团队在《金属学报》期刊发表最新综述“增材制造TiAl合金的研究进展“，介绍了增材制造技术原理和特点的基础上，综述了激光金属沉积(LMD)、选区激光熔化(SLM)和电子束熔化(EBM)制备TiAl合金的工艺-组织-性能关系，并对该技术未来的发展趋势进行了展望。陈玉勇、时国浩、杜之明、张宇、常帅为作者，陈玉勇教授为通讯作者。

图1 增材制造工作原理示意图

图2 激光沉积Ti-48Al-2Cr-2Nb 合金的SEM-BSE 像

图3 Ti-47Al-2Cr-2Nb 合金热处理前后的SEM 像

总结展望
通常情况下，没有显微组织能够表现出所有所需的最佳性能。一般认为，双态组织表现出较高的强度和室温延展性，这是由于其具有非常精细的组织特征(γ晶粒尺寸、片层团尺寸和片层间距)，遵循Hall-Petch强化关系。在需要抗蠕变和断裂韧性的地方(如高温涡轮发动机零部件)，全片层组织的粗大特征可能更有利。这意味着细化全片层组织的片层团尺寸和片层间距将改善该显微组织，从而获得更高的延伸率和高温强度。相比于传统制造方法，增材制造以成分较均匀的预合金粉末为原料，同时具有较高的冷却速率，因此更容易生产组织均匀且晶粒细小的TiAl合金。但是增材制造的超高温度梯度与冷却速率也易导致脆性TiAl合金的开裂，同时TiAl合金内部也存在部分冶金缺陷，这使得TiAl合金难以充分发挥组织均匀且晶粒细小带来的性能提升。优化工艺参数和基板预热是增材制造TiAl合金过程中调控温度场分布与减少残余应力的重要措施，可实现无裂纹及少缺陷合金的制备。而热等静压作为一种后处理工艺，可以进一步消除合金内部缺陷。此外，根据产品所需的性能，可以进行相应的后续热处理调控组织，但应当合理选择后处理参数，避免晶粒长大，从而保留超高冷却速率下获得的细晶组织。

此外，增材制造工艺制造小批量定制产品具有高度柔性化和相对较低成本的优点，非常适合用于制造具有复杂结构、高精度要求的发动机高温结构件。因此，目前增材制造被认为是在航空航天应用中生产复杂的TiAl零件的有力候选方法。其中，电子束增材制造的TiAl低压涡轮叶片已经得到了应用，而其他增材制造方法(如激光金属沉积和选区激光熔化)也已被尝试用于制造TiAl部件。尽管增材制造TiAl合金取得了令人鼓舞的结果，但仍有很多问题需要讨论和解决。

(1) 成分设计。增材制造是一个快速熔化和凝固的过程，为了更好地润湿基材和确保凝固过程中有足够的液体补给，需要合金熔体具有较好的流动性。合金的流动性与合金的成分密切相关。美国研制的Ti-48Al-2Cr-2Nb是一种针对熔模铸造设计的合金材料，并且已经在波音787飞机发动机中运用。而针对增材制造，特别是电子束增材制造的高真空工作环境，Al的烧损较为严重。因此，需要对增材制造TiAl合金成分进行优化设计。

(2) 粉末原料。目前，TiAl合金粉末受车间和生产流程的限制，产量相对较低，这使得TiAl合金粉体的价格长期保持在较高水平，同时批次之间的质量难以保持一致性。因此，由于粉末原料的劣势，需要进一步开发高性能、低成本的TiAl合金粉末制造工艺。此外，增材制造的零件应更接近“净形状”，以减少后续加工成本，进一步提升产品的性能。

(3) O含量。O含量对TiAl合金的塑性影响非常大，在TiAl制备过程中控制O含量是非常必要的。增材制造TiAl合金的氧吸收发生在粉末材料的生产和沉积过程中。因此，制备高洁净度、高球形度、低O含量的TiAl合金粉末是制造航空航天用高性能复杂关键零部件的重要措施。此外，与电子束增材制造相比，激光增材制造的工作环境是惰性气体(Ar气)气氛，而非真空环境，并不能完全防止氧吸收，特别是在过热和长时间保温时。因此，在增材制造过程中，也要控制O含量的增加。

(4) 孔隙率。孔隙是增材制造TiAl样品中最常见的缺陷，一般可分为球形气孔和未熔合孔。在使用过程中，孔隙充当裂纹形核点，特别是未熔合孔，会严重恶化零件的力学性能。为了降低零件中的孔隙度，首先选用空心粉含量少的粉末原料，其次优化工艺参数(如增加能量输入，以消除未熔合孔)，最后对零件进行热等静压处理。

(5) 显微组织。显微组织的演变受热输入显著影响，主要因素是冷却速率。冷却速率主要取决于能量输入、熔池温度和温度梯度。因此，可以通过优化这些变量以控制显微组织。值得注意的是，确保稳定的熔池轨迹对于表面质量和显微组织非常重要。建议进一步研究熔池动力学，从监控熔池开始，使用高速摄像机和/或热像仪，提取详细信息，例如熔池几何形状和温度变化，然后可以在相应地调整工艺参数的反馈系统中使用该信息。此外，后续热处理是补救不均匀显微组织的重要措施。然而，确定合适的处理温度和保温时间具有挑战性，应研究这些参数的影响以确保显微组织均质化。

(6) 增材制造设备。现有的增材制造设备以及维护费用成本较高，可用的建造尺寸较小，例如，目前电子束熔化设备的最大建造尺寸仅为直径350mm、长380mm，难以满足航空航天领域大尺寸零件的需求。因此，设计、开发并研制大尺寸的具有自主知识产权的增材制造设备是当务之急。此外，粉末预热是生产无裂纹零件的重要策略。采用基板预热仅限于对小部件生产具有很好的匹配度，而外加热源虽可以用于大尺寸零件，但成本相对较高。因此，应在大尺寸增材制造设备中开发具有高效且低成本的加热系统设备，以实现大尺寸零件的制造。

通讯作者
陈玉勇博士，男，1956年1月生。哈尔滨工业大学二级教授、博士生导师、国防“973”技术首席、劳动人事部第一层次“百干万跨世纪人才”、国务院政府特殊津贴专家、黑龙江省杰出青年科学基金获得者、黑龙江省优秀中青年专家、国防科工委“511人才工程”学术技术带头人，荣获首届中国青年科技奖，航空航天部首届“十佳航天科技青年”。

主要研究方向为新型轻质耐热钛合金及钛铝合金精密热成形技术、增材制造等。作为负责人或主要参加者已承担或参与国家及省部委研究项目40余项，包括国防“973”项目、科技部“973”项目、“863”项目、国家重大科技专项、国家自然科学基金面上项目，总装和科工委的项目多项。授权国家发明专利35项，出版专著一部，发表SCI、EI收录250余篇。2017年研究成果“航天复杂钛合金构件精密制造装备与工艺”获国防科技进步一等奖，同时该成果荣获2017年航天科技一等奖，2012年研究成果“新型基合金物理冶金技术基础研究”获黑龙江省科学技术奖一等奖，获省部级二等奖8项，三等奖2项。

现任中国机械工程学会铸造分会理事，全国会执行委员会理事，中国材料研究学会-金属间化合物及非晶合金分会理事，中国材料研究学会——凝固科学分会理事，黑龙江省铸造学会理事长。

论文引用
陈玉勇 时国浩 杜之明 张宇 常帅. 增材制造TiAl合金的研究进展[J]. 金属学报, 10.11900/0412.1961.2022.00582.