电子束粉末床熔融制备的TiAl合金的原位调制机制对其微观结构和力学性能的影响

《Materials Science in Semiconductor Processing》：In-situ modulation mechanisms of TiAl alloys fabricated by electron beam powder bed fusion on microstructure and mechanical properties

本研究通过协同调控扫描速度和束流电流，揭示了TiAl合金微观结构-力学性能演化规律：高参数下形成α?/γ层片状组织，提升室温强度至650MPa但延展性下降；高温下B2相增强塑性和滑移孪生效应，断裂模式为晶界主导。该研究为航空热机械载荷部件的TiAl合金增材制造提供优化策略。

　　

杨丽|梁燕|李坤|薛辉|林强|向丁丁|张雷|林峰

清华大学机械工程系，北京，100084，中国

摘要

本研究通过协同调节扫描速度和束流电流，阐明了TiAl合金的微观结构与拉伸性能演变规律。随着扫描速度和束流电流的增加，粗大的γ键状相转变为细化的α₂/γ层状结构，这些层状结构的生长方向优先呈现0°/45°取向，同时α₂相的比例（从0.194%增加到0.388%）和B2相的比例（从0%增加到0.87%）。在室温下，由于层状结构的细化，拉伸强度提高至约650 MPa；但由于存在脆性的B2相，伸长率降低，断裂模式表现为准解理断裂。在700°C时，由于B2相的高韧性以及TiAl合金中滑移孪生作用的增强，伸长率有所提高，断裂模式主要为晶间断裂。此外，含有γ键状相的试样在垂直于生长方向的拉伸方向上表现出显著的伸长率差异，显示出各向异性。这些发现为设计用于航空航天定向载荷组件的先进TiAl合金提供了一种综合的工艺-微观结构-性能优化策略，特别适用于复杂热机械环境下的性能要求。

引言

TiAl合金作为一种金属间化合物，由于其独特的晶体结构而具有优异的机械性能，包括低密度、高比强度、热稳定性、耐腐蚀性和出色的抗蠕变性能[[1], [2], [3], [4]]。这些特性使其成为航空航天和汽车行业的理想材料，目前广泛应用于飞机发动机叶片和涡轮增压器转子等关键部件[[5], [6], [7]]。然而，TiAl合金固有的脆性给传统的制造技术（锻造、轧制、焊接）带来了挑战[[8], [9], [10]]。

增材制造技术（如选择性激光熔化（SLM）和电子束粉末床熔融（EB-PBF）[[11], [12], [13], [14]]）已成为可行的解决方案。与传统技术相比，SLM和EB-PBF具有明显的优势，如熔池体积小、冷却速度快[[15,16]]。采用这些方法制备的试样通常具有细小均匀的微观结构以及优异的机械性能[[17], [18], [19]]。不过，SLM的粉末粒径范围有限，导致成本较高；而EB-PBF的激光能量利用率低，导致预热温度不足和热梯度较大，从而促进裂纹的产生和机械性能的下降[[20], [21], [22], [23]]。相比之下，EB-PBF的工艺流程中包含预热步骤，可以有效降低残余应力[[24], [25], [26]]并抑制裂纹形成[[27], [28], [29]]。此外，EB-PBF在真空条件下进行，显著减少了O₂和N₂等气态杂质的含量[[30,31]]，因此更适合制备本质上脆性的TiAl合金[[32], [33], [34]]。

多项研究探讨了工艺参数对TiAl合金微观结构和拉伸性能的影响。Schwerdtfeger等人[7]指出，在低束流电流下，加工参数（包括层厚、扫描速度和扫描间距）的变化会导致Al损失约0.5原子%，这影响了微观结构和机械性能。Kan等人[35]通过调整熔化参数和预热束流电流，研究了微观结构和相的变化，发现较高的预热束流电流有助于层状结构的形成。Chen等人[15]发现，随着扫描速度的增加，晶粒尺寸和α₂、B2相的含量降低，过高的扫描速度会降低拉伸强度。Yue等人[17,28]发现，增加束流电流会增大晶粒尺寸并提高Ti-47Al-2Cr-2Nb合金中B2相的含量，而较高的能量密度会形成相对于生长方向呈0°和45°取向的层状结构，显著影响机械性能。Feng等人[30]通过调整工艺参数，制备出了在650°C时拉伸强度为707 MPa、伸长率超过3.5%的Ti–48Al–2Nb–2Cr合金。

尽管上述研究都是针对EB-PBF制备的TiAl合金的微观结构和机械性能进行的，但不同研究的结果仍存在差异。工艺参数如何影响微观结构和机械性能的机制仍需进一步探讨。因此，本研究采用EB-PBF在不同扫描速度和束流电流条件下制备了TiAl合金，并全面研究了扫描速度和束流电流对微观结构、相组成、拉伸性能及各向异性的协同作用。

粉末表征

TiAl合金的预合金粉末是通过真空感应熔化结合气体雾化法制备的。图1(a)显示的粉末形态主要为球形颗粒，伴有少量卫星颗粒。粉末的化学成分由外部实验室（中国联合检测认证有限公司）通过滴定法确定。粉末粒径使用Malvern Mastersize 2000激光粒度仪进行测量。如图1(b)所示，

微观结构和相

不同试样的表面形态如图2所示。随着扫描速度和束流电流的增加，黑色-灰色层状结构逐渐转变为以灰色-白色为主的结构。灰色-白色结构主要分布在S6试样的中心区域。黑色、灰色和白色分别对应γ相、α₂相和β相[36]。

S2和S6试样的微观结构分别如图2(a)–(b)和图3所示。

结论

本研究探讨了扫描速度和束流电流对微观结构、相组成及拉伸性能的影响。主要结果总结如下：

• (1)
  较高的扫描速度和束流电流强度促进了晶粒的细化和α₂/γ层状结构的形成，同时也促进了B2相的形成。
• (2)
  带状的γ相等轴晶粒使得试样在室温和700°C下的X方向上具有较高的伸长率。

CRediT作者贡献声明

杨丽：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，数据分析，概念构思。梁燕：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，数据分析。李坤：方法论设计，实验研究。薛辉：方法论设计，数据分析。林强：指导工作，资金获取，概念构思。向丁丁：指导工作，资金获取，概念构思。张雷：指导工作，资金获取，概念构思。林峰：指导工作，概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2021YFB3700503）和国家自然科学基金（项目编号：52505402和52305487）的支持。