《Materials Science and Engineering: A》：Microstructure and mechanical properties of Ti60-Ti
2AlNb graded material fabricated by laser directed energy deposition with different compositional transition paths
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钛基梯度材料通过激光增材制造技术制备，优化两种过渡路径（直接连接与线性过渡）对界面性能和相析出的影响。研究表明中间层过渡可减少α2相析出约40%，同时提升室温抗拉强度（1009 MPa）和高温抗拉强度（602.5 MPa），高温持久寿命达61.7小时。
谭雅松|王亚光|王萌|王倩|王佳欣|郭家宝|林欣|黄卫东
西北工业大学固态成形国家重点实验室，中国陕西省西安市710072
摘要
具有高比强度和耐热性的钛基梯度材料在航空发动机叶片制造中展现出显著的应用潜力。然而，由于不同合金之间过渡区复杂的相沉淀行为，机械性能仍然存在关键挑战。通过激光定向能量沉积（L-DED）技术制备了Ti60-Ti?AlNb梯度样品，并采用了不同的成分过渡路径来研究化学成分梯度、微观结构演变和相沉淀行为。对样品的机械性能及相关断裂机制进行了比较分析。结果表明，线性过渡有效地减轻了不同材料区域之间的界面不连续性；而中间层过渡将α?相的沉淀量减少了约40%（与直接连接和线性过渡样品相比）。在Ti60-Ti?AlNb梯度材料中加入中间层后，其在室温和高温下的机械性能均有显著提升。室温下的抗拉强度为1009.0 ± 3.0 MPa，伸长率为5.5 ± 2.0%；高温下的抗拉强度为602.5 ± 5.5 MPa，伸长率为5.2 ± 0.3%；在600 °C和300 MPa下的高温蠕变断裂寿命延长至61.7 ± 1.9小时。
引言
现代飞机的性能在很大程度上依赖于推重比高的先进航空发动机。这些发动机的发展需要使用轻质、耐高温的材料和高效的集成结构。作为航空发动机的核心部件，通过集成成形工艺制造的压气盘和叶片可以减轻结构重量，避免榫接处的气流损失，并提高空气动力效率。然而，集成叶片不同区域的服务条件差异显著，导致径向方向上的温度梯度和应力水平变化较大。传统的均质材料难以满足这种复杂环境下的使用要求。功能梯度材料（FGMs）通过连接两种或更多种材料并逐步改变其成分或微观结构，为这一问题提供了有前景的解决方案[1]。激光定向能量沉积（L-DED）技术以其高沉积速率、逐层增材制造能力和出色的设计灵活性而成为实现金属部件成分梯度和微观结构特性实时调节的关键技术。该技术被认为是制造FGMs最合适和高效的方法之一。钛合金是现代航空领域中的关键材料之一，其中Ti60合金表现出优异的性能特点，包括出色的抗蠕变性、增强的高温强度和显著的热稳定性，使其能够在高达600 °C的温度下长期服役，特别适合用于制造航空发动机部件的集成叶片[2]。相比之下，Ti?AlNb合金在650 °C至850 °C的宽温度范围内具有操作稳定性。它保持了Ti-Al合金的低密度、高比强度和良好的抗蠕变性，同时具有较高的室温延展性、断裂韧性和抗裂纹扩展能力，因此适用于制造航空发动机的涡轮叶片[3]。因此，通过L-DED技术集成成形梯度钛合金具有巨大潜力，可以充分利用不同合金的独特特性和性能优势，从而满足航空发动机的整体性能要求。
合金之间的物理和化学性质差异常常导致过渡区出现裂纹和连接界面处的应力集中等问题。已有大量研究致力于梯度材料的连接研究，Ghanavati等人[4]研究了SS316L-IN718梯度材料在三种过渡路径（SS316L → IN718、SS316L → 50%SS316L+50%IN718 → IN718、SS316L → 80%SS316L+20%IN718 → 60%SS316L+40%IN718 → 40%SS316L+60%IN718 → 20%SS316L+80%IN718 → IN718）下的微观结构演变和显微硬度变化。研究发现，减少相邻结合层之间的成分差异有助于提高部件的性能。同样，研究人员也尝试通过线性过渡来改善过渡区的性能并减轻应力集中。例如，Yan等人[5]通过20 wt%的成分逐步喂料方法成功制备了过渡区成分变化平滑的Ti-Ti4822梯度钛合金样品。Liang等人[6]通过将粉末中Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V的比例从0%增加到100%，制备了Ti和Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V梯度材料。这些材料中的元素均表现出连续的梯度变化，克服了合金结构和性能的不连续性。此外，研究人员还通过添加中间层来优化梯度材料的成分过渡路径。在沉积SS316-TC4梯度材料时，Bobbio等人[7]通过引入Ni-20Cr、Cr和V的中间层有效避免了有害相的沉淀，这为优化梯度材料的机械性能提供了有前景的策略。因此，合理的成分过渡路径设计有助于缓解界面性能不匹配或有害相沉淀等问题[8]。
此外，在近α钛合金和Ti-Al基合金的连接过程中，过渡区通常会析出大量α?相，这会降低部件的机械性能。在TA15-Ti?AlNb梯度材料的研究中，Liu等人[9]发现大量α?相的沉淀会增加过渡区的硬度和脆性。Wang等人[10]报告称，在通过L-DED制备的Ti60-Ti?AlNb梯度材料中，60 wt%的Ti?AlNb区域是一个薄弱区，这是由于大量块状α?相的沉淀所致。在Ti?AlNb合金中，α?相具有优异的机械强度，但会导致固有的脆性[11]，而O相被认为是一种理想的强化相。Ti-22Al-xNb和Ti-25Al-xNb的相图[12],[13]表明，增加Nb含量有助于减少α?相的沉淀并扩大O相的形成温度范围，因为Nb在α?相中的过饱和度促进了其向O相的转变[14]。此外，B2相由于其有序立方晶体结构和多个活跃的滑移系而具有良好的塑性，Nb有利于β/B2相的形成。因此，增加Nb含量可以提高合金的塑性和抗蠕变性。Nandy等人[15]也指出，高Nb含量有利于Ti?AlNb合金的断裂韧性和抗蠕变性。
总之，关于梯度钛合金的连接研究主要集中在成分过渡路径的优化以及成形质量和微观结构演变上，而对全面机械性能的研究较少。然而，从实际应用的角度来看，研究高温机械性能是必要的。此外，Ti60-Ti?AlNb梯度材料过渡区中大量α?相的沉淀问题尚未得到有效解决。虽然现有研究展示了优化中间层对调节过渡区相沉淀行为的效果，但尚未建立基于此方法的Ti60-Ti?AlNb梯度材料相沉淀的系统性调节策略。
在本研究中，设计了两种成分过渡路径以优化层间结合质量、减少α?相沉淀并促进O相沉淀。考虑到Ti60-Ti?AlNb梯度材料典型的界面结合挑战，我们提出了Ti?AlNb+Nb中间层来调节微观结构和机械性能，同时尝试使用近似线性过渡方法来减轻过渡区的性能不匹配。此外，还系统地研究了室温和高温下的机械性能，以适应梯度钛合金部件的实际使用条件。分析了三种成分过渡路径下材料的微观结构和机械性能差异，以找到调节过渡区α?相和O相沉淀的系统解决方案，从而提高Ti60-Ti?AlNb梯度材料的性能，并促进其在航空航天领域的实际应用。
实验部分
减少梯度钛合金相邻层之间的成分差异可以有效缓解界面应力集中和界面性能突变等问题。考虑到L-DED过程中激光与粉末相互作用形成的熔池具有质量传递效应[16]，适当的成分梯度可以在马朗戈尼对流（Marangoni convection）下显示出近似线性的成分分布。
成分和微观结构分布
样品过渡区的成分分布和微观结构随所采用的成分过渡路径而变化。直接连接样品的结果如图6所示，过渡区长度约为2.5毫米。如图6(a)所示，过渡区中的Ti、Al和Nb元素几乎呈线性变化，除了Ti60与过渡区界面处的Ti和Nb含量有突变。结论
本文通过激光定向能量沉积（L-DED）技术制备了具有不同成分过渡路径的Ti60-Ti?AlNb梯度材料，并系统分析了成分过渡路径对微观结构演变和过渡区相沉淀行为的影响。同时评估了室温/高温机械性能和高温蠕变断裂性能。得出以下结论：
1.作者贡献声明
谭雅松：撰写 – 原稿撰写、实验研究、数据分析、概念构思。王倩：撰写 – 审稿与编辑、方法学研究、数据分析。王佳欣：数据分析。王亚光：方法学研究、实验研究、数据分析、概念构思。王萌：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、资金获取、概念构思。林欣：监督工作、资源协调。黄卫东：监督工作、资源协调。郭家宝：数据分析
数据可用性
数据可应要求提供。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了国家关键研发计划（编号：2022YFB4602301）、国家自然科学基金（编号：52275381）以及陕西省双链融合项目（编号：2021LLRH-08）的支持。
