选区激光熔成形的TiAl4822合金的摩擦学与电化学腐蚀性能研究

《Lubricants》：Investigation on Tribological and Electrochemical Corrosion Properties of TiAl4822 Alloy Fabricated via Selective Laser Melting

　　

TiAl合金展现出优异的强度、抗氧化性和抗蠕变性，使其成为替代高温合金的首选候选材料。目前，TiAl合金已广泛应用于航空航天、船舶工业以及涉及高应力接触或高腐蚀环境的其他领域。选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)技术为TiAl合金的制造提供了一种全新途径，能够实现复杂结构工件的直接成形，并显著缩短制造周期。然而，SLM成形的TiAl合金的质量和性能高度依赖于激光能量输入。因此，本研究在不同SLM工艺参数下制备了TiAl4822合金，并系统研究了其摩擦学性能和电化学腐蚀行为。实验结果表明，SLM工艺并未改变TiAl4822合金的基本相组成，其主导相为Ti_0.6Al_0.4。在1000 mm/s + 140 W的参数组合下成形的TiAl4822合金表现出优异的耐磨性，磨损机制由严重的粘着磨损和磨粒磨损转变为温和的氧化磨损。当激光功率为100 W且扫描速度为1200 mm/s时，合金获得了最高的耐腐蚀性，其腐蚀电位达到最大值?390.065 mV，腐蚀电流密度降至最小值8.73 × 10^?6 A/cm²。因此，不同的参数组合可以分别实现摩擦学性能和电化学腐蚀性能的优化。本研究为促进该合金在恶劣耐磨和耐腐蚀环境中的高性能工程应用奠定了理论基础。

TiAl合金凭借其低密度、优异的高温比强度、抗氧化性和良好的抗蠕变性能，已成为新一代航空航天和汽车工业高温结构部件的轻量化理想替代材料，并逐渐取代传统的镍基高温合金。然而，TiAl合金具有室温脆性大和机加工性能极差的特点，这给传统的精密铸造和等温锻造等制造工艺带来了加工余量大、模具成本高和成品率低等突出问题，严重限制了其在复杂几何结构部件上的工程应用。选区激光熔化作为一种增材制造技术，通过高能激光束逐层熔化金属粉末，能够实现复杂结构的高精度近净成形，且其极高的冷却速率能有效细化晶粒。尽管SLM技术在多种合金体系中取得了显著进展，但在制备本质上极脆的TiAl合金时仍面临严峻挑战。不匹配的激光能量输入极易诱发未熔合、气孔等缺陷，这些缺陷在后续服役中会成为应力集中源加速摩擦剥落，或破坏表面钝化膜的连续性而诱发微电偶腐蚀和点蚀。目前，针对SLM成形的TiAl4822合金在激光功率与扫描速度耦合作用下的摩擦学和电化学腐蚀行为，尚缺乏系统研究。基于此，研究人员开展了相关研究，旨在探究SLM工艺参数对TiAl4822合金综合性能的影响规律，优化其成形工艺，该论文发表在《Lubricants》上，为合金在苛刻环境下的工程应用提供了理论参考。

研究人员使用了粒度为15–53 μm的气体雾化TiAl4822(Ti-48Al-2Cr-2Nb)粉末作为原材料。成形过程采用最大激光功率500 W的FS271M选区激光熔化系统，在氧含量低至于0.05%以下的氮气保护环境下进行。为实现均匀的热历史并减少热积累，采用了层间旋转67°的曲折扫描策略，激光功率选取100–160 W，扫描速度选取800–1200 mm/s。研究人员利用阿基米德排水法测试了样本致密度，通过显微维氏硬度计测量了微硬度。采用往复式摩擦磨损试验机在3.5 wt% NaCl溶液中测试了摩擦性能，并借助X射线衍射(XRD)和光学显微镜分析了相组成和界面形貌，通过电化学工作站运用标准三电极系统测试了其电化学极化曲线和阻抗行为。

相分析：通过XRD测试发现，在不同的SLM工艺参数下，TiAl4822合金均以Ti_0.6Al_0.4相为主，这表明SLM工艺未改变其基本相组成，合金体系表现出优异的冶金稳定性。研究发现，较高的激光功率会促进晶粒生长并提高结晶度；而较高的扫描速度则限制了原子的长程扩散，且由于SLM过程具有复杂且方向性的传热特征，改变工艺参数会直接影响熔池的温度梯度和凝固动力学，导致晶体的择优取向发生演变。

界面形貌与致密度分析：通过光学显微镜观察并结合阿基米德法测量的密度结果，发现在低激光功率下，合金中出现大量不规则未熔合气孔。随着激光功率增加，未熔合气孔显著减少，密度呈先上升后稳定的趋势。当激光功率为140 W且扫描速度为1000 mm/s时，合金实现最佳致密化状态。但由于合金的室温脆性以及SLM极高的温度梯度，即便致密度提升，基体内部仍广泛分布微裂纹。能量输入过高会导致熔池过热扰动和金属元素蒸发，产生冶金气孔。

微硬度分析：测试表明合金微硬度在440 HV到485 HV间波动，且与扫描速度呈正相关。这是由于较高扫描速度会导致熔池变小、温度梯度升高且冷却速率加快，这种极端的非平衡凝固显著抑制了原始晶粒的长大并诱导晶粒细化，根据Hall-Petch关系，细晶结构提升了硬度。需要注意的是，硬度测量避开了宏观未熔孔，反映的是基体局部内禀强化程度。

摩擦学性能：在3.5 wt% NaCl溶液中进行往复摩擦测试。结果显示，100 W激光功率下因未熔孔洞多导致摩擦系数波动大；在140 W和1000 mm/s参数下，合金致密度最佳从而获得最低平均摩擦系数0.37。磨损体积方面，140 W配合1000 mm/s获得最小磨损体积，比100 W条件减小约23.5%。扫描电镜(SEM)形貌表明，在某些参数组合下，摩擦过程会在磨损轨道上形成致密氧化膜起到隔断和固体润滑作用，有效降低磨损。其中，140 W和1000 mm/s组合下氧化膜覆盖面积最大，使磨损机制由严重的粘着和磨粒磨损向温和的氧化磨损转变。能量密度过高或过低均不利于这层稳定氧化膜的形成。

耐腐蚀性能：电化学腐蚀极化曲线显示，所有TiAl4822合金试样均表现出自发钝化特征。在1200 mm/s扫描速度下，100 W激光功率成形的试样表现出最佳综合耐腐蚀性，其腐蚀电位(Ecorr)正移至最大值?390.065 mV，腐蚀电流密度(Icorr)显著降至8.73 × 10^?6 A/cm²。电化学阻抗谱(EIS)分析证实，该参数下电容弧半径最大，在低频区呈现高度理想的电容响应，表面形成了完整且低孔隙率的钝化膜，其阻抗模量(|Z|)在0.01 Hz时达到极高水平，显著抑制了局部腐蚀的萌生。适当的低热输入优化了快速凝固行为，原位促进了钝化膜的形成。

讨论与结论：总而言之，本研究通过调节SLM工艺参数，成功优化了TiAl4822合金的性能表现。研究得出主要结论：(1)TiAl4822合金在SLM成形后的主要相组成为Ti_0.6Al_{0.4，提高激光功率使衍射峰更尖锐，提高扫描速度使硬度与扫描速度呈正相关，且在140 W激光功率与1000 mm/s扫描速度搭配下取得最佳致密度。(2)使用1000 mm/s扫描速度配合140 W激光功率时，TiAl4822合金的磨损体积最小，成功实现了从严重粘着和磨粒磨损向温和氧化磨损的有利转变。(3)当扫描速度为1200 mm/s与100 W激光功率组合时，该合金的耐腐蚀性能达到最优，腐蚀电位正移且腐蚀电流密度降至最低。这证实了不同的参数组合可分别实现摩擦学和电化学腐蚀性能的针对性提升。}