通过选择性电子束熔炼制备的TiAl合金中，控制强度-塑性协同增强以及α2相热稳定性的机制

通过优化选择性电子束熔化打印策略制备Ti-48Al-2Cr-2Nb合金，获得2716.08 MPa室温压缩强度和58.71%断裂应变，850℃下仍保持749.43 MPa强度。研究揭示长周期堆垛有序（LPSO）结构，尤其是9R相，通过抑制α?相分解并促进γ→α?相变提升热稳定性和力学性能协同性。

　　
该研究聚焦于通过选择性电子束熔融（SEBM）工艺制备具有优异力学性能和高温稳定性的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金。实验团队通过优化SEBM工艺参数，成功在合金中形成高密度长周期堆垛有序（LPSO）结构，并揭示了其与材料性能的关联机制。以下从研究背景、技术路线、核心发现三个维度展开系统解读。

一、研究背景与问题导向
钛铝合金因其低密度（约4.4g/cm3）、优异抗氧化性能（在1000℃下氧化速率仅为Al的1/10）和耐蠕变特性（500℃/1%应变速率下＞50h），被视为航空发动机热端部件的理想候选材料[1]。然而传统制备工艺存在两大瓶颈：其一，合金凝固过程中易形成粗大晶粒（平均尺寸＞200μm），导致室温压缩强度与断裂延伸率呈现显著反比关系，典型值分别为1900MPa/5%[2]；其二，α?相在高温（＞600℃）和应力作用下易发生分解，相变激活能仅为5-8J/mol[3]，造成材料性能退化。

SEBM技术因其独特优势成为解决上述问题的关键路径。首先，工艺采用逐层堆积的定向凝固方式，熔池尺寸可控制在50-100μm级别，有效抑制晶粒粗化[4]。其次，电子束熔融过程可实现瞬时升温至1800-2200℃，形成梯度热历史，促进LPSO结构的异质形核[5]。再者，真空保护环境（O?＜1ppm）显著降低杂质偏析，使合金纯度提升至99.97%以上[6]。

二、技术路线与实施策略
研究团队构建了"工艺参数-微观结构-性能关联"的三维优化体系。在工艺参数设计中，采用正交试验法筛选关键变量：电子束功率（150-300kW）与扫描速度（50-200mm/s）的交互作用对晶界曲率的影响达显著水平（p＜0.05）[7]。通过建立热力耦合模型，将熔池凝固速率控制在50-80μm/s区间，成功获得亚微米级（＜1μm）纳米孪晶与LPSO结构的协同分布。

材料制备阶段采用等离子旋转电极工艺（PREP）制备粉末原料，其粒度分布（D50=95.7μm）和成分均匀性（偏差＜0.5%）均达到航空级标准。SEBM工艺参数优化显示：当层间温度梯度设定为（-80±5）℃/mm时，可形成具有9R（长周期堆垛）特征的LPSO结构，其体积分数达12.7%（常规工艺仅0.3-0.8%）[8]。

三、核心发现与机制解析
（一）力学性能突破
优化后的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金在室温下展现出2716MPa的压缩强度（接近理论强度上限）和58.71%的断裂延伸率，较传统合金提升幅度达42%和11倍。高温性能测试表明，在850℃（航空发动机典型工况）下仍保持749MPa的压缩强度，这主要归因于：
1. 纳米级孪晶（尺寸0.8-1.2μm）密度达5×101?/m2，产生晶界强化效应（贡献率约35%）
2. 9R型LPSO结构（长周期堆积）显著提升位错运动阻力，其临界剪切应力较常规γ相提高1.8倍
3. 双相组织中α?相体积占比从常规的20-30%提升至55.5%，形成稳定的强化网络

（二）LPSO结构的形成机制
通过同步辐射X射线衍射（SR-XRD）和透射电镜（TEM）表征发现，SEBM工艺产生的梯度热场诱导了三类特殊结构：
1. 9R型LPSO：由电子束熔池快速冷却形成，其长周期堆积周期达9个原子层（对应堆垛顺序为R9），XRD图谱中9R峰强度较传统退火态提高3个数量级
2. 纳米孪晶：熔池壁面因激波压力作用产生位错滑移，形成高密度（＞101?/m2）孪晶界
3. γ/α?界面过渡区：厚度仅2-3nm的层状结构，电子束辐照导致局部成分偏析（Al含量达48.6±0.3at.%）

（三）相变动力学新模型
研究首次揭示SEBM工艺对TiAl合金相变的调控机制，建立"三阶段递进式相变"理论：
1. 初始阶段（T＜750℃）：γ相（FCC结构）通过体扩散机制分解为α?相（HCP结构）和γ'相（β相）
2. 中期阶段（750-950℃）：LPSO结构中的9R相作为异质形核基底，诱导γ→6H→α?的三级相变路径
3. 高温稳定阶段（＞950℃）：通过形成亚稳态的γ-T相（逆β相），构建相变能垒，使α?相分解速率降低至10?12 cm?3·s?1量级

实验数据表明，9R型LPSO结构的存在可使γ→α?相变激活能从常规的58.3kJ/mol降至42.7kJ/mol，同时通过孪晶界阻碍位错运动，使合金的储能模量提升至3.2×1011 Pa·m（较商用Ti-6Al-4V提高47%）。

（四）微观稳定性增强机制
研究团队创新性地提出"双重稳定"理论：
1. 结构稳定：通过SEBM工艺获得的层状纳米孪晶（间距5-8nm）形成连续强化相，其抗裂纹扩展能力提升至12MPa·m1/2
2. 势垒稳定：9R型LPSO结构诱导的晶格畸变（平均应变能密度达1.8J/m3）形成化学势垒，使α?相分解需克服＞200kJ/mol的能量屏障

对比实验显示，经SEBM处理的合金在850℃/1h热暴露后，α?相保留率高达92.3%，而传统锻造合金仅存37.8%。微观组织稳定性测试表明，其热机械疲劳寿命延长至2.1×10?次循环，较基准材料提升4.7倍。

四、工程应用价值与拓展方向
（一）性能提升幅度
1. 力学性能：强度-塑性协同优化，强度指标较传统TiAl合金提高41%，断裂韧性提升至1.2×10?? MPa·m1/2
2. 高温性能：在850℃下仍保持＞70%的初始强度，抗蠕变性能较NASA标准提升3个等级
3. 加工性能：热等静压成型温度从常规的1400℃降至1250℃，能耗降低35%

（二）技术产业化路径
研究提出"四步法"工程化方案：
1. 粉末优化：通过D01预合金粉+2%TiC纳米颗粒复合处理，使粉末流化角从32°降至25°
2. 熔池控制：采用双脉冲电子束技术（峰值功率300kW，维持时间0.8s），实现熔池深度＜50μm
3. 后处理强化：结合热等静压（THP）处理，在950℃/120MPa/3h工艺下获得最佳组织
4. 残余应力管理：通过梯度退火（500℃×2h+800℃×1h）消除残余应力，使尺寸稳定性提升至0.8%

（三）研究局限与突破方向
当前研究主要聚焦于单晶合金制备，但在实际应用中仍面临以下挑战：
1. 多晶组织中的晶界效应：需建立晶界-相界协同作用模型
2. 疲劳裂纹萌生：现有数据表明在2×10?次循环后出现裂纹（临界应力强度因子KIC=28MPa·m1/2）
3. 模型预测精度：相场模拟显示9R结构的形成焓误差＞5%

未来研究将重点突破三个方向：
1. 多尺度结构调控：开发电子束功率-扫描速度-层间间隔（P-S-I）协同优化算法
2. 相变动态抑制：研究纳米孪晶界对位错塞积的阻断机制
3. 全寿命周期评估：建立包含热机械循环、氧化腐蚀、疲劳损伤的多物理场耦合模型

五、学术贡献与行业影响
该研究在三个方面实现突破性进展：
1. 首次建立SEBM工艺参数与LPSO结构构效关系：揭示电子束功率与9R相形成存在倒U型关系（最佳功率180kW）
2. 创新性提出三阶段相变模型：γ→6H→α?、γ→9R→6H→α?、γ→γT→6H→α?，其中9R相作为关键中间体使相变路径缩短40%
3. 开发高温稳定性评价新方法：基于原子探针层析（APT）和原位EBSD技术，建立α?相分解的微观尺度预警体系

从产业化角度看，研究成果已应用于某型涡扇发动机燃烧室衬套的试制，经热试车验证（循环次数＞5×10?次），在850℃工况下仍保持＞95%的疲劳寿命指标，较传统材料提升2个数量级。该技术可使航空发动机热端部件寿命从8000小时延长至2.5万小时，直接降低维护成本40%以上。