铝分布与原位退火对层状微观结构形成的协同效应：EBM制备的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的微观结构演变及力学各向异性机制

《Materials Science and Engineering: A》：Synergistic Effect of Aluminum Distribution and In-situ Annealing on Layered Microstructure Formation: Microstructural Evolution and Mechanical Anisotropy Mechanisms in EBM-Fabricated Ti-48Al-2Cr-2Nb

采用电子束熔融制备层状Ti-48Al-2Cr-2Nb合金，揭示了铝元素周期性分布与内在退火协同作用对微观结构演化的影响。研究显示Al蒸发导致沿熔融方向周期性成分梯度，形成粗细交替的层状结构，其中富Al区域粗晶区因弱Zener钉扎效应发生异常晶粒生长，贫Al区域细晶区通过Zener钉扎保持超细γ/α?层片状结构。力学性能显示各向异性：垂直打印方向室温延伸率达1.3%，源于粗细晶协同变形；平行打印方向因晶界协调变形差导致脆性断裂。

　　这项研究围绕钛铝（TiAl）合金的制造与性能展开，特别是通过电子束熔融（EBM）技术制备出具有层状微观结构的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金。通过深入探讨Al元素的周期性分布以及固有的退火效应如何影响合金的微观结构演化，研究人员揭示了这种结构对材料性能的显著影响。研究发现，在EBM过程中，Al元素的蒸发现象导致其沿制造方向形成周期性的分布，进而促使形成Al元素含量较低、Ti元素含量较高的区域，这些区域形成了非常细小的α?晶粒（体积含量约为3.27%），同时在某些区域也引发了异常晶粒生长。因此，沿制造方向形成了交替的粗晶（CG）和细晶（FG）区域。这种结构不仅影响了材料的硬度，还对拉伸性能产生了显著的各向异性效应。

在室温条件下，当拉伸方向垂直于制造方向时，材料表现出最佳的延展性，其拉伸延伸率可达到1.3%。这种增强的延展性来源于粗晶与细晶区域之间的协调变形。然而，当拉伸方向与制造方向平行时，粗晶与细晶区域之间的协同变形能力较弱，导致裂纹优先在界面处产生，从而表现出脆性断裂特性，无论是在室温还是高温环境下。这一发现对于优化EBM工艺参数以及设计和调控TiAl合金的异质结构具有重要的理论和实践意义。

γ-TiAl合金因其低密度（约3.9 g/cm3）、高温下的高比强度、高弹性模量以及良好的蠕变、氧化和腐蚀抗性，受到了航空航天和汽车工业的广泛关注。早在1999年，三菱汽车就已经将γ-TiAl应用于Lancer Evolution VI涡轮增压器的涡轮轮中，标志着其在汽车领域的首次应用。到2013年，超过40,000个低压涡轮叶片已经成功应用于GEnx 1B（波音787）和GEnx 2B（波音747-8）涡扇发动机中。然而，尽管应用前景广阔，γ-TiAl合金在实际应用中仍受到其室温延展性差（通常只有0.3-2%的拉伸延伸率）和加工性能不佳的限制。这种材料在室温下表现出显著的脆性，其断裂韧性较低，使得传统加工工艺变得复杂且成本高昂。此外，其狭窄的高温加工窗口也使得材料在热机械加工过程中容易出现裂纹。

为了克服这些挑战，增材制造（AM）技术成为一种有前景的解决方案，特别是在生产具有近净成形和优异性能的TiAl组件方面。在过去十年中，电子束熔融（EBM）技术在TiAl合金制造中受到了特别关注。该技术在中等真空条件下（10?2 Pa或更高）运行，为处理对氧和氮具有高亲和力的反应性材料提供了理想的无污染环境。更重要的是，由于EBM过程中电子束的预加热温度极高，整个制造过程中基板温度始终保持在1000 °C以上，这远高于γ-TiAl的韧性-脆性转变温度（700-800 °C）。结合受控的冷却速率，EBM能够实现无裂纹或低裂纹密度的组件制造，使其特别适合用于TiAl合金的加工。

在EBM过程中，粉末会经历一系列周期性的热循环，包括预热、熔化、凝固和再熔化，以实现完全致密化。这种过程通常会导致形成细小但空间异质的微观结构。例如，铸造的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金晶粒尺寸约为1 mm，而通过EBM加工的合金则表现出平均晶粒尺寸为25 μm的细化现象。这种微观结构的细化有助于提高材料的硬度和强度。随着冷却速率的增加，扩散控制的相变逐渐转变为扩散不控制的相变，从而形成以等轴γ相为主的微观结构。此外，快速的熔化-凝固过程也导致了与传统粉末冶金或铸造-锻造TiAl合金不同的Al元素分布模式。

研究发现，通过EBM制备的TiAl合金通常呈现出具有层状特征的微观结构，沿制造方向交替分布着粗晶和细晶区域。这种独特的微观结构在多种合金成分中均有观察到，包括Ti-48Al-2Cr-2Nb、Ti-44.8Al-4.1Nb-0.7W-1.1Zr-0.4Si-0.5C-0.1B、Ti-47Al-8Nb、Ti-47Al-2Cr-2Nb、Ti-46.5Al-4Nb-0.5Mo-0.2Si-0.05B-0.05C、Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si、Ti-44Al以及Ti-44.5Al-3.9Nb-0.9Mo-0.1B等。Todai等人指出，这种层状微观结构能够提高材料的机械性能，但同时也表现出明显的各向异性。Sun等人进一步指出，粗晶区域主要由等轴γ相晶粒构成，而细晶区域则呈现出三种不同的微观结构形态：近γ结构、双相结构和近层状结构。通过优化工艺参数，细晶微观结构可以被调控，以实现比传统TiAl合金更高的屈服强度。然而，关于粗晶区域形成机制和控制策略的研究仍不够深入。

关于这种层状微观结构的形成机制，Seifi等人提出，其形成源于双级共晶反应。细晶区域起源于初始的树枝状凝固产物，而树枝状结构之间的γ晶粒则是由第二级共晶反应形成的。Baudana等人则认为，这种微观结构的异质性是由于在粉末层熔化过程中局部过热和热扩散效应造成的，同时伴随了前结构的部分再熔化。Todai等人指出，EBM过程中的固有退火效应通过在共晶温度以上的部分再结晶作用，将细晶区域转化为粗晶区域。Wimler等人则观察到，粗晶区域的Al元素含量较低，表明该结构对Al元素具有一定的敏感性。Wartbichler等人进一步指出，这种层状结构的形成与Al元素蒸发引起的初始凝固区域的相分布变化密切相关，并强调这种微观结构仅在Al含量较高的TiAl合金中形成。然而，目前对于这种微观结构形成机制的理解仍不充分，部分研究者缺乏关键证据，导致在解释其形成机制方面存在持续的争议。

此外，关于这些层状微观结构在拉伸变形过程中所表现出的各向异性效应的系统定量分析仍不完善，尤其是在动态变形行为的表征方面。为了解决这些问题，本研究以Ti-48Al-2Cr-2Nb合金为模型材料，通过EBM技术制备出具有不同层状微观结构的合金样品。研究采用多种综合表征技术，包括电子探针微分析（EPMA）、电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）和数字图像相关（DIC）技术，对合金的微观结构演化、元素和相分布变化、机械性能以及凝固行为进行了深入分析。研究提出的形成机制得到了后续热处理实验和定量建模的支持。同时，通过DIC应变场分析，对层状微观结构的各向异性效应进行了定量评估。

在材料制备方面，本研究使用的粉末由西安 Sailong 增材制造有限公司（Sailong AM）提供。该粉末通过电子感应熔化气体雾化（EIGA）工艺从Ti-48Al-2Cr-2Nb合金锭中制备而成，其化学成分在表1中进行了详细说明。通过显微镜观察，可以发现该粉末具有较高的球形度，大多数颗粒为球形，少数颗粒存在不规则形态。这些特性对于EBM过程中粉末的熔化和凝固行为具有重要影响，也决定了最终合金微观结构的形成。

在合金的微观结构表征方面，图3（a）至（f）展示了通过光学显微镜观察到的铸态合金微观结构。这些图像来自距离基板约8 mm的合金区域，对应于垂直于制造方向的XOY平面和与制造方向平行的XOZ平面。当观察XOZ平面时，可以明显看到沿制造方向交替分布的粗晶和细晶区域，形成了一种层状或带状结构。这种结构的形成与Al元素的分布密切相关，进一步影响了材料的力学性能和变形行为。

在铸态TiAl合金的空间依赖性微观结构演化方面，研究指出，在EBM过程中，固化的材料层会经历由再熔引起的热循环以及长时间的高温暴露，从而导致显著的微观结构演化。由于顶部区域在凝固后经历的热循环较少，其微观结构特征更接近于初始凝固状态。因此，观察不同区域的微观结构可以提供重要的信息。本研究揭示了这种微观结构在空间和时间上的依赖性，为理解其形成机制和调控策略提供了新的视角。

本研究通过系统分析和实验验证，深入探讨了Ti-48Al-2Cr-2Nb合金在EBM过程中的微观结构演化机制及其对机械性能的影响。研究结果表明，EBM技术能够有效制备出高密度的TiAl合金，但Al元素的蒸发现象导致其沿制造方向形成周期性的浓度梯度，从而影响了材料的微观结构。这种结构不仅决定了材料的硬度和强度，还对延展性和断裂行为产生了显著影响。通过优化工艺参数，可以调控细晶区域的形成，从而提升材料的性能。然而，关于粗晶区域的形成机制和控制策略仍需进一步研究。

此外，本研究还强调了在EBM过程中，Al元素的蒸发和分布对微观结构形成的关键作用。研究发现，Al元素的蒸发导致其在初始凝固区域的分布不均，进而影响了不同区域的相组成和晶粒形态。这种不均匀的分布使得某些区域形成了高Al含量的γ相，而其他区域则形成了低Al含量的α?相。这种微观结构的异质性不仅影响了材料的力学性能，还对其变形行为和断裂机制产生了深远影响。

本研究通过多种表征技术对这些现象进行了详细分析，并结合后续热处理实验和定量建模验证了其形成机制。研究结果表明，EBM技术能够实现对TiAl合金微观结构的精细调控，为优化制造工艺和设计高性能的TiAl合金提供了理论依据和实验指导。通过深入理解这些微观结构的形成机制，可以进一步提升材料的性能，满足不同应用场景的需求。

总的来说，这项研究不仅揭示了TiAl合金在EBM过程中的微观结构演化规律，还为理解其在不同变形条件下的性能表现提供了新的视角。研究结果表明，通过合理调控工艺参数，可以实现对TiAl合金微观结构的优化，从而提升其力学性能和加工性能。这一发现对于推动TiAl合金在航空航天和汽车等领域的应用具有重要意义。同时，研究也指出了当前在层状微观结构形成机制和各向异性效应分析方面存在的不足，为未来的研究提供了方向。通过进一步的实验和理论分析，有望更全面地理解TiAl合金在EBM过程中的行为，从而实现更高性能的材料设计和制造。