通过激光粉末床熔化和热等静压技术，利用Ti6Al4V和AlSi10Mg粉末制备Ti–Al–Si基金属间化合物

《Materials Advances》：Preparation of a Ti–Al–Si based intermetallic alloy from Ti6Al4V and AlSi10Mg powders by laser powder bed fusion and hot isostatic pressing

采用激光粉末床融合（LPBF）结合热等静压（HIP）和热处理（HT）成功制备了Ti-44Al-1.7V-0.2Mg-4.5Si合金，优化了LPBF参数（80-100W激光功率，0.12mm hatch间距，1400mm/s扫描速度）。HIP处理使孔隙率降低90%以上，并改善微观均匀性。HT进一步细化了Ti5Si3析出相（尺寸0.7-2.0μm），形成γ-TiAl为主的多相结构。室温下抗压强度达1050MPa，850℃时保持490MPa强度，表现出优异的高温抗蠕变性能。

　　在现代材料科学中，钛铝合金因其轻质和优异的高温性能，被认为在航空航天、汽车及能源等多个工业领域具有广阔的应用前景。这种合金通常由钛（Ti）和铝（Al）组成，并通过添加其他元素如硅（Si）、钒（V）和镁（Mg）来进一步优化其性能。随着3D打印技术的快速发展，特别是激光粉末床熔融（LPBF）工艺的成熟，为制造复杂结构的钛铝合金提供了新的可能性。然而，由于材料熔化过程中的复杂性和热力学行为，如何在LPBF过程中实现高质量的合金制造仍然是一个挑战。

本研究聚焦于通过混合商用的Ti6Al4V和AlSi10Mg粉末，并结合LPBF和热等静压（HIP）工艺，成功制造出Ti–44Al–1.7V–0.2Mg–4.5Si（at%）的钛铝合金。为了达到理想的成型效果，研究团队选择了较低的激光功率（80–100 W），较高的扫描速度（约1400 mm/s）和适中的扫描间距（约0.12 mm）。这些参数的优化有助于获得更高的尺寸精度和更好的成型质量。然而，即便经过参数优化，LPBF制造的样品仍然表现出裂纹、气孔和未熔颗粒等缺陷，这限制了其在高温应用中的性能表现。

为了解决这些问题，研究采用了HIP工艺对样品进行后处理，HIP能够在高温和高压下有效消除气孔和裂纹，并提高微观结构的均匀性。HIP处理后的样品中，气孔减少了90%以上，裂纹也得到了显著改善。此外，HIP还促进了不同相的均匀分布，使得材料的结构更加致密。然而，HIP并不能完全消除所有缺陷，特别是在某些含有Ti5Si3析出相的区域，仍然存在少量气孔。这可能是由于Ti5Si3析出相的脆性特性导致了局部塑性变形的不均匀性。

为了进一步改善材料的性能，研究还引入了热处理（HT）工艺。HT不仅有助于消除HIP处理过程中残留的缺陷，还能调整材料的微观结构，使其形成由γ-TiAl、α2-Ti3Al和Ti5Si3析出相组成的多相结构。HT的实施使材料在高温下的性能得到了显著提升，其在室温下的压缩强度达到约1000 MPa，而在850°C和900°C时分别达到490 MPa和350 MPa。这些数据表明，HT对提高材料的高温性能具有重要作用。

此外，研究发现材料的力学性能表现出明显的各向异性。在垂直于打印方向的位置，材料的硬度、压缩屈服强度和塑性变形均高于平行于打印方向的性能。这种各向异性可能是由于LPBF过程中熔融和凝固的不均匀性所导致的。尽管HIP和HT工艺在一定程度上改善了材料的均匀性，但这种各向异性仍然存在，这表明在实际应用中需要进一步考虑加工方向对性能的影响。

为了确保材料的微观结构和性能达到预期目标，研究还探讨了不同粉末混合比例对材料性能的影响。例如，Ti6Al4V和AlSi10Mg粉末的混合比例被设定为2.3:1（wt%），以确保Ti和Al的适当比例，同时引入适量的Si和Mg以提高材料的高温性能和抗裂性。然而，尽管采用了这种混合策略，材料的微观结构仍然存在一定的不均匀性，这可能是由于粉末熔化过程中的热梯度和冷却速率引起的。

研究还分析了不同工艺参数对材料性能的影响。例如，激光功率、扫描速度和扫描间距的变化对材料的致密度和缺陷形成具有显著影响。较低的激光功率和较高的扫描速度有助于减少气孔的形成，但也会导致材料的不完全熔化，从而影响其微观结构的均匀性。而较高的激光功率和较低的扫描速度虽然能够促进更完全的熔化，但也可能引入更多的裂纹和气孔，这需要在工艺参数的选择上进行权衡。

此外，研究还探讨了HIP和HT工艺对材料性能的协同作用。HIP能够有效消除气孔和裂纹，而HT则有助于进一步优化材料的微观结构，提高其高温性能。这种协同效应使得材料能够在高温环境下保持较高的强度和韧性，同时在室温下也表现出良好的机械性能。然而，研究指出，HIP和HT工艺并不能完全消除所有缺陷，特别是在含有Ti5Si3析出相的区域，仍然存在一定的气孔，这可能限制了材料在某些极端条件下的性能表现。

为了进一步提高材料的性能，研究还考虑了粉末混合的均匀性以及熔化过程中的热力学行为。例如，Ti6Al4V和AlSi10Mg粉末的混合均匀性对材料的微观结构和性能具有重要影响。混合不均匀可能导致局部区域的元素分布不均，从而影响材料的整体性能。因此，研究中采用了3D粉末混合器来确保粉末的均匀混合，以减少元素分布的不均。

此外，研究还分析了不同扫描策略对材料性能的影响。例如，采用“棋盘”和“蛇形”两种扫描策略，分别对材料的微观结构和性能进行了比较。结果表明，这两种扫描策略在一定程度上影响了材料的成型质量，但整体性能差异不大。这表明，在实际应用中，扫描策略的选择对材料的性能影响有限，但对成型质量仍有重要意义。

研究还探讨了不同工艺参数对材料性能的优化。例如，通过调整激光功率和扫描速度，可以有效减少气孔和裂纹的形成，同时提高材料的致密度。然而，较高的激光功率和较低的扫描速度虽然能够促进更完全的熔化，但也可能引入更多的裂纹和气孔，这需要在工艺参数的选择上进行权衡。此外，扫描间距的调整对材料的微观结构和性能也有一定的影响，较宽的扫描间距可能导致更多的气孔，而较窄的扫描间距则有助于提高材料的致密度。

为了验证这些结论，研究还进行了详细的机械测试和微观结构分析。例如，通过硬度测试和压缩测试，评估了材料在室温和高温下的性能表现。结果表明，材料在室温下的硬度和压缩强度较高，而在高温下则表现出良好的高温性能。此外，研究还分析了不同处理方式对材料性能的影响，发现HIP和HT的组合处理能够显著提高材料的性能，但并不能完全消除所有缺陷。

研究还探讨了材料在不同方向上的性能差异。例如，垂直于打印方向的材料表现出更高的硬度和压缩强度，而平行于打印方向的材料则相对较低。这种各向异性可能是由于LPBF过程中熔融和凝固的不均匀性所导致的。因此，在实际应用中，需要考虑加工方向对材料性能的影响，以确保其在不同使用条件下的可靠性。

综上所述，本研究通过结合LPBF和HIP工艺，成功制造出Ti–44Al–1.7V–0.2Mg–4.5Si（at%）的钛铝合金。这种新型制造方法不仅能够提高材料的致密度和微观结构的均匀性，还能显著改善其高温性能和机械性能。尽管HIP和HT工艺在一定程度上减少了缺陷，但仍然存在一定的气孔，这需要进一步的优化。此外，材料的各向异性表明，在实际应用中需要考虑加工方向对性能的影响，以确保其在不同使用条件下的可靠性。本研究为未来钛铝合金的先进制造技术提供了新的思路和方法，具有重要的应用价值。