多材料激光粉末床熔融制备TC4/TiAl合金界面的微观结构与力学性能研究

本文系统研究了多材料激光粉末床熔融（MM-LPBF）技术制备TC4/TiAl异质界面的工艺-组织-性能关系。通过调控激光功率（P1:200 W；P2:300 W），发现较高功率（P2）可扩大熔池尺寸（199±6）μm、促进元素互扩散（成分梯度区达330±15 μm），并通过包晶反应（L+β→α）和有序化转变（α→α?）形成层片状α?-Ti??Al相。P2参数下界面剪切强度提升40%至（140±5）MPa，但断裂始终发生于脆性TiAl侧，表明TiAl本征脆性是界面力学性能的主要制约因素。该研究为航空航天宽温域钛基复合材料的增材制造提供了重要理论支撑。

　　

Highlight

本研究采用多材料激光粉末床熔融（MM-LPBF）技术成功制备了TC4/TiAl异质界面，系统揭示了激光功率对界面元素扩散行为、微观结构演变及力学性能的影响规律。结果表明，提高激光功率可显著扩大熔池尺寸（P1: (158 ± 13) μm；P2: (199 ± 6) μm），增强TC4与TiAl熔体间的混合与互扩散，并形成更宽成分梯度区（P2: (330 ± 15) μm；P1: (270 ± 13) μm）。

Materials and Methods

本研究采用气雾化TC4和TiAl合金粉末。通过激光衍射粒度分析仪（HELOS-OASIS，德国）表征粉末粒度分布，TC4粉末的D₁₀、D₅₀、D₉₀值分别为52.62 μm、76.15 μm、109.47 μm，TiAl粉末则为25.71 μm、39.74 μm、67.96 μm。

Formability of TC4 and TiAl Alloys

MM-LPBF成形TC4与TiAl4822合金样品的XRD结果如图4所示。TC4合金样品与粉末的组成相均为α/α'-Ti和β相，其中α/α'-Ti相衍射峰强度随激光功率（从P1:200 W至P2:300 W）增加而升高，β-Ti相含量保持较低水平，该现象与其他MM-LPBF成形TC4合金研究一致。

Conclusions

(1)成形工艺对元素扩散的影响：随着激光功率升高，TC4/TiAl界面过渡区熔池尺寸与高度增加（P1:(158±13) μm；P2:(199±6) μm）。界面熔池内TC4与TiAl熔体的混合扩散行为，结合后续层沉积与固态扩散，使成分梯度区宽度大于熔池高度，且P2条件下该区宽度显著大于P1。