激光定向能量沉积TA15/TiAl双金属结构：激光功率优化、微观结构演变与力学性能提升研究

推荐：针对航空航天极端环境下TA15合金高温性能不足的问题，研究人员通过激光定向能量沉积(LDED)技术，优化激光功率(800-1600 W)制备TA15/TiAl双金属结构。研究发现1400 W(S2)样品孔隙率最低(0.19%)，界面形成Al3Ti硬质相与FCC相梯度结构，实现抗拉强度780±25 MPa和1.41%延伸率，为高温部件设计提供新思路。

　　

在航空航天领域，高温部件的性能极限始终是制约技术发展的关键瓶颈。传统TA15钛合金（Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V）虽具有优异的焊接性和塑性，但其理论使用温度难以突破500°C；而TiAl基合金（如Ti-48Al-2Cr-2Nb）虽能在800°C长期工作，却因室温脆性导致加工困难。如何将两种材料的优势结合，成为突破高温部件设计困境的重要方向。

针对这一挑战，中国的研究团队在《Smart Materials in Manufacturing》发表研究，创新性地采用激光定向能量沉积(LDED)技术制备TA15/TiAl双金属结构。通过系统调控激光功率(800-1600 W)，团队成功解决了界面脆裂和热膨胀失配等关键问题，开发出具有梯度过渡区的复合结构。研究发现，1400 W功率下制备的样品展现出最优性能：孔隙率仅0.19%，抗拉强度达780±25 MPa，且断裂发生在TiAl侧而非界面，证实了优异的冶金结合效果。

研究采用多项关键技术：通过电极感应熔炼气雾化(EIGA)和等离子旋转电极工艺(PREP)制备球形粉末；使用2 kW光纤激光LDED系统在氩气保护下进行逐层沉积；结合X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)分析相组成；采用电子背散射衍射(EBSD)和能谱(EDS)表征元素分布；通过室温拉伸试验和显微硬度测试评估力学性能。

3.1 孔隙率分析
通过五组激光功率(S1-S5)对比发现，1400 W(S2)样品孔隙率最低(0.19%)，缺陷以微小气孔为主；而1600 W(S1)因匙孔效应产生不规则大孔，800 W(S5)则因能量不足出现未熔合缺陷。

3.2 激光功率对微观结构的影响
XRD显示所有样品均存在非平衡凝固形成的D0₂₂-Al₃Ti相。随着功率降低，组织从粗大针状α'马氏体(S1)逐步细化，但过低功率(S4-S5)会导致裂纹率激增94%。TEM证实界面区存在FCC结构C相，其与α'相的取向关系满足(1^-100)_HCP//{1^-1^-1}_FCC。

3.3 激光功率对力学性能的影响
S2展现出最佳综合性能：屈服强度752±21 MPa，延伸率1.41±0.11%。断口分析显示解理断裂特征，裂纹沿γ/α₂相扩展，但未在界面萌生，表明梯度结构有效缓解了应力集中。

3.4 过渡区微观结构演变
EDS线扫描显示TA15到TiAl存在明显的Al/Ti成分梯度。硬度分布揭示界面区硬度>400 HV_0.2，归因于Al₃Ti相析出。值得注意的是，FCC相通过Shockley不全位错机制形成，其与α相的Blackburn取向关系({0001}_α//{111}_γ)显著提升了界面韧性。

这项研究通过LDED技术成功实现了TA15/TiAl双金属结构的无裂纹制备，阐明了激光功率-微观结构-性能的构效关系。特别值得关注的是，非平衡凝固形成的FCC相与梯度结构协同作用，既缓解了Al₃Ti硬质相带来的应力集中，又通过相变诱导塑性提高了界面结合强度。该成果不仅为航空航天高温部件设计提供了新思路，更拓展了激光增材制造在异种材料连接中的应用边界。未来研究可进一步探索高温服役性能及多参数协同优化，推动该技术向工程化应用迈进。