通过结合增材制造和热烧结技术，受相图启发的异质结构TiAl合金得以开发

《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Phase diagram inspired development of heterostructured TiAl alloy by combining additive manufacturing with thermal sintering

激光增材制造与热等静压复合工艺制备高致密性TiAl合金，通过调控Ti晶格孔隙率和结构实现局部成分调控，结合热处理优化相组成，获得相对密度＞99%、压缩强度936MPa、断裂应变＞10%的TiAl合金，验证了晶格架构与热处理协同调控相变的可行性，为复杂构件设计提供新方法。

　　

张小龙|张子涵|刘天舒|Ng Fern Lan|谭朝林

中国苏州大学金属材料与先进制造学院，苏州215137

摘要

由于TiAl合金本身的金属间化合物特性，其激光增材制造面临重大挑战。为了解决打印性能差和室温性能有限的问题，本文提出了一种新方法，通过结合激光粉末床熔融（L-PBF）和热等静压（HIP）技术，开发出具有相图引导的、可局部调节成分的TiAl合金。系统研究了Ti晶格孔隙率对致密化和力学性能的影响，以及后热处理对相变的影响。更细的Ti晶格结构有利于获得高密度的TiAl合金材料。特别是，孔隙率为50%、晶格支柱尺寸为0.75毫米的样品，其相对密度超过99%，残余孔隙小于20微米，表现出936兆帕的压缩强度和超过10%的断裂应变。相变研究表明，富Al区域首先形成TiAl₃相，随后转变为TiAl和Ti₃Al相；而在富Ti区域，随着温度升高和热处理时间延长，Ti₃Al相的比例增加。总体而言，这些结果证实通过优化晶格结构并施加适当的后热处理，可以在原位形成具有不同金属间化合物相的TiAl合金。这项工作提出了一种新的方法，用于制备具有可配置相和位点依赖性性能的异质结构TiAl组件，从而提高其在苛刻工业应用中的整体性能，该方法也可应用于其他功能性材料，如镍钛合金。

引言

TiAl合金具有低密度、高比强度和优异的高温性能[1]，[2]，使其成为替代传统镍基超级合金制造高温（600-700℃）低压涡轮（LPT）叶片的有希望候选材料[3]。然而，由于其有序的原子结构和强烈的方向性键合[4]，TiAl合金在室温下的延展性较差，这限制了通过铸造、轧制和锻造等传统方法制备的TiAl合金的广泛应用[4]，[5]。

增材制造（AM）能够在不使用模具的情况下制造接近净形的组件[22]，[23]，使其成为生产具有复杂几何形状的TiAl合金组件的有吸引力的技术[24]。然而，如图1a所示，通过AM技术（包括激光增材制造（LAM）、电子束熔化（EBM）和电弧增材制造（Arc AM）制造的TiAl合金的力学性能通常不如传统方法（如火花等离子烧结和锻造）制造的合金。这种性能差距主要是由于AM处理TiAl合金时存在的问题，包括Al损失、高孔隙率和裂纹[21]。具体来说，AM过程在高能量密度下进行[25]，加之Al的熔点低和饱和蒸气压高，导致Al元素在AM过程中优先蒸发。结果，Al含量减少，导致TiAl合金内部成分不均匀。此外，AM特有的快速热循环在沉积层内产生严重的热残余应力[26]，从而增加了裂纹的产生和扩展倾向，尤其是在LAM中更为明显[27]。尽管EBM由于其较高的预热温度更适合TiAl合金的生产，但仍存在显著的Al损失和元素分布不均匀的问题[15]。据Xu等人[28]报道，使用电子束作为热源的双丝增材制造的TiAl合金的Al损失量高达8%。

总体而言，AM生产的TiAl合金力学性能较差可归因于外部和内在因素。外部因素方面，AM过程中的复杂热循环导致严重的热应力，而高能量密度促进了Al的显著蒸发，导致成分偏差。内在因素方面，脆性中间相的形成和异质相分布是根本原因，阻碍了同时实现高打印性能和理想力学性能的目标[29]。

热等静压（HIP）为制造致密TiAl合金提供了另一种途径[30]。研究人员已经证明，使用混合的纯Ti和Al粉末通过HIP可以形成TiAl合金[31]。在固态扩散键合的Ti-Al系统中，经过575°C下36小时的热处理后，形成了约200微米厚的互扩散层[32]。这种现象是由于Ti-Al系统的互扩散行为导致的[32]，促进了γ-TiAl和α₂-Ti₃Al等金属间化合物相的形成。这些组成相之间的协同作用有助于实现强度和延展性的良好平衡，从而提高了TiAl合金的整体力学性能[1]。然而，HIP难以制造复杂几何形状的部件，受到外壳的限制。更重要的是，HIP和后续的热处理通常主要用于致密化或均匀化，而它们有意识地控制反应序列和相变以获得目标相分数和空间分布的潜力尚未得到充分探索。

因此，为了克服AM和HIP在生产TiAl合金方面的局限性，并同时实现可制造性和平衡的力学性能，本文提出了一种结合激光粉末床熔融（L-PBF）和HIP的混合AM-HIP策略。首先使用L-PBF制造具有固态外壳的纯Ti晶格结构，然后填充Al粉末并通过HIP进行固化以形成TiAl合金。关键概念是利用晶格结构作为设计变量来调节局部Ti/Al的可用性，从而实现相图引导的局部可调成分，后续的热处理则进一步控制相变和组件的最终相分布。这种混合方法不仅提供了高设计灵活性和优越的打印性能，还能在单个组件内实现空间可配置的成分和相分布，为制造难以打印的TiAl合金提供了有前景的途径，使其具有定制的、位点特定的力学性能，从而提高整体性能。

样本设计与制造

图2展示了TiAl合金的制备过程。如图2a-c所示，通过L-PBF和HIP的组合，在不同区域制备了具有可配置成分的TiAl合金样品。首先使用Materialise Magics 19软件设计了具有固态外壳的纯Ti晶格结构，然后通过L-PBF进行处理（图2a）。实物样品的顶表面照片见图S1a。

为了建立通用关系

Ti晶格结构对TiAl合金致密化的影响

图4展示了四种TiAl合金样品的微观结构。红色箭头标记了富Ti区域（即Ti晶格支柱），蓝色箭头标记了富Al区域（即填充的Al粉末）。黄色突出显示的Ti–Al界面区域的放大视图清楚地揭示了晶格孔隙率和支柱尺寸对致密化的影响。如图4a所示，孔隙率为70%（P70）的样品在富Al区域出现了明显的缺陷

热处理对TiAl合金相组成的影响

如上所述，在Ti/Al界面观察到了分级的元素分布（图7），这是由于Ti和Al原子的互扩散造成的。显然，在600°C的热处理条件下（低于Al的熔点），Al的扩散速率明显快于Ti（图7c）。这种现象可以归因于固态条件下原子传输主要通过晶格和晶界扩散进行（图S5a和b）。图13

结论

在这项工作中，通过结合L-PBF和HIP的混合加工策略以及随后的热处理，制备了具有不同成分的TiAl合金。主要结论总结如下：

• (1)
  通过将Al填充到具有不同结构孔隙率的Ti晶格中（即30%、50%和70%），成功制备了TiAl合金。随着Ti晶格孔隙率的降低（即Ti含量的增加），TiAl合金的致密度得到了提高。与孔隙率的影响相比

CRediT作者贡献声明

张子涵：方法论、研究。刘天舒：方法论、形式分析。Ng Fern Lan：方法论。谭朝林：写作——审稿与编辑、监督、研究、资金获取、概念化。张小龙：写作——初稿、形式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52475484）、苏州创新创业领军人才计划（项目编号：ZXL2025329）和江苏省杰出教授计划（项目负责人：C Tan）的支持。