电子束粉末床熔融结合激光定向能量沉积制备Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的高温氧化行为研究及其界面特性分析

为解决航空发动机高温部件在氧化环境中长期服役的可靠性问题，研究人员采用电子束粉末床熔融(EB-PBF)与激光定向能量沉积(LDED)复合工艺制备Ti-4822合金，系统研究了950°C下30-100小时的氧化行为。发现EB-PBF+HIP样品氧化速率最低(0.874 mg2 cm-4 h-1)，LDED区域因超细γ-TiAl结构导致氧化层剥落，揭示了界面α2-Ti3Al相的不利影响，为航空部件修复工艺提供重要依据。

　　

在航空工业追求轻量化的今天，γ-TiAl合金因其低密度和优异的高温性能成为理想材料，但传统加工技术难以制造复杂构件。更棘手的是，这些部件在发动机高温氧化环境中长期服役后，可能面临修复或功能升级的需求。目前针对增材制造(AM)钛合金的氧化研究多集中于短时实验(≤10小时)，无法真实模拟实际工况。尤其当采用激光定向能量沉积(LDED)进行修复时，EB-PBF基体与LDED特征区的界面行为将直接影响部件寿命。

国防研究与发展组织(DRDO)资助的研究团队创新性地采用EB-PBF制备Ti-48Al-2Cr-2Nb(Ti-4822)基板，通过LDED进行特征添加，系统研究了950°C下长达100小时的氧化行为。研究首次揭示了复合制造工艺中界面氧化失效机制，相关成果发表于《Journal of Alloys and Compounds Communications》。

关键技术包括：1) 采用EB-PBF制备16×16×4 mm³基板(包含直接成型AB和热等静压HIP两种状态)；2) 使用Formalloy X2设备进行LDED特征沉积(参数41.7-47.6 J/mm²)；3) 通过氧化增重法测定动力学曲线；4) 结合SEM/EDS分析氧化层成分。

【材料与方法】
研究选用EB-PBF制备的AB(直接成型)和AB+HIP(热等静压后处理)样品作为LDED基板。LDED特征区尺寸为10×10×7.5 mm³，采用41.7 J/mm²能量密度实现最佳结合。

【微观结构】
EB-PBF基体呈现纳米级α₂/γ层状组织，HIP处理后层状团尺寸增大；而LDED区因超高冷却速率形成超细 massive-like γ-TiAl结构。相分布图显示界面处存在明显的α₂-Ti₃Al相梯度变化。

【结论】
研究发现氧化抗性顺序为：EB-PBF(HIP) > EB-PBF(AB) > LDED。AB+LDED样品氧化速率常数达1.223 mg² cm^-4 h^-1，而AB+HIP+LDED降至0.874 mg² cm^-4 h^-1。LDED侧氧化层更厚且100小时后出现严重剥落，归因于：1) 超细γ-TiAl结构加速氧化；2) 界面处α₂-Ti₃Al相引发应力集中。该研究为航空发动机部件的AM修复工艺提供了关键数据支撑，证明HIP处理可显著提升复合结构的氧化稳定性。