综述：TiAl合金增材制造中的缺陷、微观结构与性能：形成机制、影响因素及改进策略

这篇综述系统总结了TiAl合金增材制造（AM）技术（包括电子束熔融EBM、激光选区熔化SLM和电弧定向能量沉积DED-arc等）的研究进展，重点分析了裂纹形成、Al元素挥发等缺陷机制，探讨了微观结构演化规律（如层带状组织、α2 /γ相变）与力学性能（拉伸强度、蠕变抗性等）的关联性，并提出了工艺优化、合金化设计和热处理等调控策略，为航空航天领域高性能TiAl构件制造提供重要参考。

　　

TiAl合金增材制造的研究进展与挑战

1. 引言
γ-TiAl合金因其低密度、优异的高温强度和抗氧化性，成为替代镍基合金的理想航空发动机材料。然而其本征脆性导致传统加工困难，而增材制造（AM）技术通过逐层堆积显著提升了成形效率。目前EBM、SLM和DED-arc是主流工艺，但面临裂纹、成分偏析等核心问题。

2. TiAl合金基础特性
Ti-Al二元相图显示，工程应用主要依赖α₂
(Ti₃
Al)和γ(TiAl)两相协同。Al含量（42-49 at%）和冷却速率共同决定凝固路径：β相凝固生成柱状晶，α相凝固形成层片状组织。添加Nb、Cr等β稳定元素可提升高温性能，而B、Y等细化晶粒元素能抑制裂纹。

3. 增材制造关键问题
3.1 裂纹行为
热应力与组织不均共同导致开裂。EBM通过1000℃预热抑制裂纹，但真空环境加剧Al挥发；SLM在惰性气氛中Al损失较少，但高热应力易引发裂纹。研究发现提高冷却速率可促使α₂
单相生成，减少相界应力集中。添加0.5 wt% LaB₆
可使晶粒从39.8μm细化至1.5μm，显著降低裂纹敏感性。

3.2 Al元素挥发
EBM工艺中Al损失高达7.37 at%，且呈不均匀分布。降低线能量密度可减少挥发，但需平衡组织均匀性。LMD工艺因非真空环境，Al损失控制在0.5 at%以下。

3.3 微观结构特征
AM特有的热循环导致层带状组织：EBM试样交替出现等轴γ晶带与双相细晶区，SLM形成枝晶/层片交替结构。沉积层经历多次重熔，顶部至底部出现组织退化（层片粗化、γ相球化），导致力学性能梯度下降。

4. 性能调控策略
4.1 工艺优化
提高预热温度至800℃以上可消除裂纹，但需避免晶粒过度长大。EBM采用多区域扫描策略可将Al损失降至0.5 at%，同时获得从层片到块状γ的组织梯度。

4.2 热处理
热等静压（HIP）能消除孔隙但无法完全消除组织带。两步热处理（1360℃+950℃）可获得细小近层片组织，使室温拉伸强度提升至543 MPa，延伸率达3.7%。

4.3 合金化
添加TiB₂
使晶粒尺寸从48.5μm降至4.9μm；Y₂
O₃
纳米颗粒通过钉扎位错提升800℃蠕变抗性；5 at% Ta的引入使高温强度提升35%。

5. 双金属结构
LMD制备的TiAl/Ti₂
AlNb界面存在B2+γ过渡层，但拉伸强度仅401 MPa。添加V中间层可减少脆性相，使界面强度提升至476 MPa。

未来展望
开发多能场耦合AM设备、建立工艺-组织-性能数据库、设计AM专用合金成分是突破方向。通过人工智能优化Nb/Y等元素配比，结合超声辅助等外场调控，有望实现大尺寸无裂纹构件制造。