激光定向能量沉积制备(Ti2AlC与TiB2)协同增强TiAl合金的强韧化机制与高温性能研究

针对TiAl合金本征脆性和高温性能不足的瓶颈问题，研究人员通过激光定向能量沉积(DED)技术原位合成(Ti2AlC+TiB2)双相增强Ti-48Al-2Cr-2Nb合金，发现B4C添加可细化(α2/γ)层片组织并形成纳米级Ti2AlC界面析出相，使材料在750-850℃区间同时提升抗拉强度(UTS)和断裂延伸率，为航空航天高温结构材料开发提供新思路。

　　

在航空航天领域，轻量化高温结构材料的研发始终是学界与工业界关注的焦点。TiAl合金因其低密度、高比强度等优势被视为新一代发动机叶片候选材料，但本征脆性导致的加工困难和高温性能不足长期制约其应用。传统电子束粉末床熔融(EBPBF)技术虽能成形TiAl部件，却受限于电子束偏转角度而难以制备大尺寸构件，且1100℃预热会引发(α₂/γ)层状组织分解。激光定向能量沉积(DED)虽具近净成形优势，但热应力导致的裂纹和粗大柱状晶引发的力学各向异性问题突出。更关键的是，现有单一增强相改性的TiAl复合材料难以兼顾高温强度与塑性，亟需开发新型协同增强体系。

AVIC金属粉末冶金技术有限公司的研究团队创新性地采用DED技术将TiAl预合金粉末与B₄C纳米粉末复合，通过原位反应成功制备出(Ti₂AlC+TiB₂)双相增强的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金。研究运用SEM观察微观组织演变，结合第一性原理计算揭示界面电子特性，并通过高温拉伸试验评价力学性能。温度场模拟证实熔池最高温度(~1919℃)虽低于B₄C熔点(2445℃)，但能促使其与TiAl熔体反应生成增强相。

【Microstructure】部分显示：B₄C添加使平均晶粒尺寸从183μm显著细化，形成纳米级Ti₂AlC椭球状析出相沿(α₂/γ)层界面分布，而TiB₂呈弯曲针状随机分布于基体。TEM分析证实这些原位合成相与γ基体存在强界面结合。

【Discussion】部分阐明了凝固机制：B₄C在高温熔体中分解为[B]和[C]原子，[B]优先与Ti反应生成TiB₂，剩余[C]则参与包晶反应形成Ti₂AlC。第一性原理计算表明Ti₂AlC(0001)/γ(111)界面结合能(-3.71J/m²)优于TiB₂(0001)/γ(111)界面(-2.85J/m²)，这种强界面结合是性能提升的关键。

【Conclusions】总结三大发现：(1)B₄C诱导原位形成TiB₂和Ti₂AlC双相增强体系，其中Ti₂AlC沿层界面纳米析出；(2)增强相通过阻碍位错运动和提高裂纹扩展功使750℃下UTS提升28%，延伸率增加83%；(3)建立了B₄C-TiAl体系的凝固反应路径模型。

该研究发表于《Journal of Alloys and Compounds》的成果具有双重突破性：工程上开发出无裂纹、各向同性的大尺寸TiAl构件成形工艺；科学上首创(Ti₂AlC+TiB₂)协同增强机制，为设计新型高温金属间化合物复合材料提供理论依据。特别是Ti₂AlC纳米相在层界面的定向分布特征，开辟了通过界面工程调控材料性能的新途径。这项由Hangyu Yue领衔的研究不仅解决了TiAl合金在增材制造中的关键科学问题，更为航空发动机热端部件的材料选择提供了更优方案。