开启轻量化的未来：TiAl合金增材制造的研究进展

《Journal of Materials Research and Technology》：Opening the Future of Lightweight: Research Progress in Additive Manufacturing of TiAl Alloys

TiAl合金因其低密度和高高温性能被视为航空发动机涡轮叶片等关键部件的理想材料，但其室温脆性、狭窄热加工窗口和易裂性阻碍了广泛应用。本文系统综述了激光粉末床融合（LPBF）、电子束熔融（EBM）和定向能量沉积（DED）三种增材制造技术在TiAl合金中的研究进展：LPBF通过快速凝固细化组织并提升硬度，但存在热裂纹和孔隙问题，可通过激光扫描路径优化、基板预热及添加Nb、Y等合金元素改善；EBM利用真空环境减少氧化和蒸发，但需调整扫描速度和预热电流以平衡致密化和性能；DED适合大型部件制造，但易形成粗大柱状晶和热影响区，通过层间熔化（IR）和连续沉积（CDED）技术可优化。研究还表明，添加TiB?、LaB?等强化相及热处理（如HIP和退火）可有效调控相组成、减少缺陷并提升机械性能（如LPBF TiAl合金压缩强度达2277 MPa，EBM经HIP处理后抗拉强度达679 MPa）。当前挑战包括各向异性、Al蒸发控制及规模化生产成本，未来需结合智能算法优化工艺参数，开发新型合金体系并探索多技术融合制造。

　　TiAl合金因其低密度和优异的高温性能，被视为航空发动机涡轮叶片、汽车排气阀和高温结构部件的理想材料。然而，其在室温下的脆性、狭窄的热加工窗口以及对热裂的敏感性长期以来限制了其工业应用的广泛性。近年来，三种主要的增材制造（AM）技术：激光粉末床熔融（LPBF）、电子束熔融（EBM）和定向能量沉积（DED）为TiAl合金的精确成型、微观结构控制和性能提升提供了新的途径。本文系统综述了这三种AM技术的原理和特性，分析了TiAl合金在增材制造过程中常见的缺陷类型（如热裂、孔隙和Al蒸发）的形成机制和抑制策略。随后，探讨了工艺参数优化、合金成分设计和增强相添加对TiAl合金微观结构细化、相组成和机械性能的影响。此外，还研究了热处理在相变控制和缺陷闭合中的关键作用。最后，讨论了增材制造TiAl合金所面临的挑战和未来发展方向，旨在为高性能TiAl部件的增材制造提供理论基础和技术参考。

TiAl合金在航空和汽车工程中具有广泛的应用前景，其低密度和优异的高温性能使其成为高强度和耐高温环境下的理想材料。与常用的镍基高温合金相比，TiAl合金的密度仅为后者的约一半，这使其在不显著牺牲高温性能的情况下实现结构重量的大幅降低。此外，与钛合金相比，TiAl合金在高温下表现出更优异的蠕变抗性和氧化行为，因此更适合长期运行于高温环境下的部件。在航空领域，TiAl合金已经被初步应用于飞机发动机的涡轮叶片，以替代镍基高温合金部件。2006年，通用电气（GE）首次将TiAl合金应用于波音787飞机的GEnx-1B发动机的第6和第7级低压涡轮叶片，从而实现了约200磅的重量减轻，燃油消耗降低了20%，噪音水平减少了50%，温室气体排放如NOx降低了80%。由于TiAl合金固有的特性，如室温下延展性差和热加工窗口狭窄，导致其成形性差，因此铸造是目前生产TiAl部件最广泛采用的技术之一。然而，铸造TiAl合金通常伴随粗大的层状微观结构和铸造缺陷，这些因素严重限制了其机械性能和后续加工的可行性。增材制造技术凭借其逐层沉积、近净成形和结构自由度等固有优势，为TiAl合金的高性能制造提供了有前景的新途径。

目前应用于TiAl合金的粉末型增材制造技术主要包括三种：激光粉末床熔融（LPBF）、电子束熔融（EBM）和定向能量沉积（DED）。这三种技术在能量输入方式、冷却速率、构建环境和微观结构演化机制等方面存在显著差异，导致其在成形质量、缺陷敏感性和微观结构-性能控制方面表现出不同的特征。例如，在LPBF中，小的激光光斑尺寸、薄的层厚和极高的冷却速率使合金容易出现热裂和孔隙缺陷。EBM则在高真空和高预热条件下进行，可以有效抑制孔隙和热裂，但容易导致Al的损失。DED由于其高热输入和大层厚，导致成形区域的晶粒粗大和层间微观结构不连续，特别是在复杂沉积路径或严重热积累的情况下，TiAl合金更容易形成异质微观结构和性能波动。与LPBF和EBM相比，DED具有更高的沉积速率和更大的构建体积，同时其多轴喷嘴可提供更灵活的材料沉积方式，使其成为修复损坏部件的高效工具。此外，DED通过多材料粉末喂入系统实现成分梯度控制，从而能够制造功能梯度材料或混合结构，进一步拓展了其应用潜力。

在增材制造过程中，TiAl合金常见的缺陷包括热裂、孔隙和元素蒸发。这些缺陷的形成与制造过程中的热应力、冷却速率和材料特性密切相关。热裂主要发生在固相线附近的结晶过程中，表现为晶间裂纹。由于增材制造过程中极端的冷却速率和局部重复的热循环，制造的部件内部会产生显著的热梯度和残余应力，特别是在沉积层之间的界面处。TiAl合金的低延展性使其难以缓解应力集中，从而导致晶间冷裂或延迟裂纹的形成。此外，Ti和Al元素的高反应性会导致在制造过程中形成连续的氧化物层，如TiO?和Al?O?。虽然之前的研究表明，在可控条件下，均匀分散的Al?O?和TiO?增强相可以有效细化TiAl合金的微观结构并提升其机械性能，但这些氧化物通常是制造过程中的非预期副产物。这些氧化物形状不规则、分布不均，主要沿扫描轨迹分布，缺乏均匀分散，其在晶界处的存在会破坏界面润湿性和结合强度，成为潜在的裂纹起始点。同时，氧溶解到TiAl基体中会显著降低延展性和断裂韧性。因此，从材料完整性和性能的角度来看，应在增材制造过程中尽量减少这些氧化物的形成。

在制造过程中，Al的损失和不均匀分布是另一个重要问题。Al的蒸气压显著高于Ti，因此在高功率激光照射下，特别是在LPBF过程中，Al容易发生选择性蒸发。同时，制造过程中熔池温度远高于Al的沸点，导致Al迅速逸出。EBM所需的真空环境进一步促进了Al的蒸发。研究表明，单轨中Al的损失范围为5.73至0.32原子百分比，其中更严重的损失和Al的不均匀分布出现在制造样品中。为了减少这种元素损失，可以通过降低线能量（即提高扫描速度并减小线偏移）来实现。此外，制造过程中由于热输入的不均匀性，熔池内部可能会产生气泡，这些气泡在熔池塌陷时会形成闭孔。这种闭孔现象在高能激光输入的制造过程中尤为显著。因此，优化制造参数和采用适当的制造策略对于减少孔隙和裂纹的形成至关重要。

TiAl合金的微观结构控制和性能优化是增材制造研究的重点。通过工艺参数优化，如调整激光功率、扫描速度和沉积路径设计，可以有效减少裂纹和孔隙的形成。合金元素的调控（如添加Nb、Y、TC4）和增强相的引入（如TiB?、RGO、LaB?）进一步提升了TiAl合金的微观结构均匀性和机械性能。此外，热处理（如退火和HIP）可以诱导相变并促进微观结构重构，从而改善整体性能。例如，在LPBF制造的TiAl合金中，高温退火可以将初始的α?相结构转化为γ相结构，从而提高其高温性能。而HIP处理则可以显著减少内部孔隙并消除缺陷，同时促进晶粒球化或溶解，从而实现微观结构的均匀化和优化。

EBM技术在制造TiAl合金时展现出独特的优点。其采用高能电子束作为热源，可以深入穿透粉末床并实现更高的能量吸收。此外，EBM在高真空环境下进行，有助于减少金属粉末的污染和氧化。由于其高预热温度，EBM制造的TiAl合金表现出较低的残余应力水平，从而减少几何变形和裂纹的形成。EBM制造的TiAl合金的微观结构通常由近γ结构组成，而缓慢冷却的铸态TiAl合金则表现出完全的层状结构。近γ结构在室温下具有较高的延展性，但在高温下表现出较差的强度。因此，通过热处理可以调节相分布和微观结构特性。例如，通过HIP和热处理的组合，可以将EBM制造的TiAl合金的微观结构从层状结构转变为双相结构，从而进一步优化其性能。

DED技术在制造TiAl合金时具有较高的沉积效率和较大的构建体积，适合制造大型部件和功能梯度材料。然而，其成形精度和表面质量相对较低。DED过程中，由于热输入的不均匀性，熔池内部可能会形成气泡和不均匀的热影响区（HAZ）。为了减少热影响带（HABs）的形成并提高微观结构的均匀性，开发了连续DED（CDED）技术。CDED通过持续的横向热传导，实现了熔池的连续冷却，从而避免了周期性的热循环。此外，DED制造的TiAl合金通常表现出交替的树枝状晶粒区域和完全层状结构区域，其微观结构呈现出明显的垂直梯度。通过引入增强相（如TiB?、LaB?、Ti?AlC），可以有效细化晶粒并促进等轴晶形成，从而提高材料的机械性能。此外，合金元素的调控（如添加Nb和Ta）可以进一步优化相组成和性能。

在机械性能方面，TiAl合金的增材制造展现出显著的各向异性。例如，在DED制造的TiAl合金中，不同沉积方向的拉伸性能存在显著差异。在沉积方向（θ = 0°）时，拉伸强度和延伸率最高，而在垂直于沉积方向（θ = 90°）时，这些性能最低。通过优化沉积路径和热处理工艺，可以有效减少各向异性，提高材料的整体性能。例如，HIP处理可以显著提高TiAl合金的强度和延展性，同时减少残余应力和孔隙缺陷。此外，通过调整沉积参数，如电流、扫描速度和沉积方向，可以实现对TiAl合金微观结构和性能的精细调控。

综上所述，增材制造技术为TiAl合金的高性能制造提供了新的可能性。然而，目前仍面临诸多挑战，如高温裂纹的敏感性、Al的挥发和分布不均、显著的机械各向异性以及大规模工业应用的限制。未来的研究应集中在开发具有更好延展性和更低裂纹敏感性的新型TiAl合金体系，以及通过工艺优化和微观结构设计解决当前存在的问题。此外，结合多尺度建模和机器学习技术，可以建立工艺条件、微观结构和性能之间的定量关系，从而加速高性能TiAl材料的设计和工艺优化。这些努力将为TiAl合金的增材制造在航空、汽车等领域的应用奠定更坚实的基础。