通过增材制造实现包晶型钛铝合金的超细晶粒及优异强塑性协同效应

《Intermetallics》：Unlocking ultra-fine grains and superior strength-ductility synergy in a peritectic TiAl alloy by additive manufacturing

　　

摘要

包晶凝固型 TiAl 合金在常规铸造条件下容易产生粗大组织，使得有效的晶粒细化具有挑战性。本研究采用电子束选区熔化 (EBSM) 处理一种硼化物强化的包晶 TiAl 合金，并研究了快速凝固对其微观组织和拉伸行为的影响。EBSM 处理 (EB) 后的合金平均晶粒尺寸为 5.2 μm，并均匀分布着长度小于 5.0 μm 的硼化物。数值模拟预测了毫秒级的特征局部熔化持续时间，反映了 EBSM 熔池的高度瞬态热条件，这限制了长程溶质重新分配和微观组织粗化的可用时间。EB 样品在室温下表现出约 726.1 MPa 的极限抗拉强度，并在 700 °C 下保持约 662.1 MPa 的极限抗拉强度和约 6.8% 的伸长率。透射电镜 (TEM) 观察显示位错在 γ/α₂ 界面及分散硼化物附近堆积和相互作用，表明这两种特征都对位错运动提供了阻力。在 700 °C 下，γ 相中观察到大量的变形孪晶。平行于 γ/α₂ 界面的纵向纳米孪晶提供了另一种塑性应变调节模式。这些结果表明，EBSM 固有的快速凝固提供了一种有效的途径，可抑制包晶 TiAl 合金中的微观组织粗化，并在无需后续热处理的情况下实现良好的强塑性匹配。

引言

得益于低密度、高温比强度、高弹性模量和优异的抗蠕变性，γ-TiAl 合金被认为是高温应用的有前景的结构材料 [[1], [2], [3]]。与 β 型凝固的 TiAl 合金相比，包晶凝固合金可以减少高温 β 相的保留并避免在室温 (RT) 下形成过多的 B2 相 [4,5]。然而，包晶凝固也容易发生微观组织粗化，产生粗大的层片集簇和微观组织不均匀性 [6]。虽然添加 B 是 β 型凝固合金中公认的晶粒细化剂，但 Hecht 等人 和 Chen 等人的研究表明，包晶凝固严重抑制了这种细化效果，导致铸态下层片集簇尺寸超过 150 μm [[7], [8], [9]]。

增材制造提供了与常规铸造不同的凝固条件。电子束选区熔化 (EBSM) 过程中产生的高度局部化和瞬态熔池缩短了晶粒生长和第二相粗化的可用时间 [10,11]。对于硼化物强化的包晶 TiAl 合金，EBSM 引起的微观组织演变与由此产生的拉伸变形行为之间的关系仍未得到充分理解。澄清这种关系对于理解能否利用快速凝固获得细化的包晶 TiAl 组织同时保持良好的强塑性组合至关重要。

本研究调查了硼化物强化的包晶 TiAl 合金在 EBSM 过程中的微观组织演变，并澄清了所得微观组织与拉伸变形行为之间的关系。通过结合微观组织表征、熔池模拟以及室温和高温拉伸测试，本研究建立了与包晶 TiAl 合金 EBSM 处理过程中快速凝固相关的工艺 - 组织 - 性能关系。

章节片段

材料与方法

准备了三种不同的加工状态以供对比研究。首先，通过感应真空熔炼 (ISM) 制备了一块成分为 Ti-46.5Al-2Nb-3Mn-0.8B (at.%) 的铸态锭。以该锭为喂料，通过等离子旋转电极工艺 (PREP) 雾化制备预合金粉末。最后，使用 EBSM 系统 (G250, 北京快束科技股份有限公司) 制备了打印后的块体样品。由于 EBSM 期间的选择性蒸发

结果与讨论

图 1(a)–(c) 展示了铸态样品的微观组织。背散射电子 (BSE) 图像见图 1(a)。铸态样品表现出典型的完全层片状 (FL) 微观组织，由 γ/α₂ 层片集簇组成，伴有缩孔等铸造缺陷。图 1(b) 中的反极图 (IPF) 显示平均层片集簇尺寸约为 176.2 μm。尽管添加了 0.8 at.% B，但仍保留了相对粗大的层片集簇

结论

总之，利用 EBSM 熔池固有的快速凝固动力学，有效地缓解了通常与近平衡包晶铸造相关的粗大层片集簇问题。这种方法能够制备出平均晶粒尺寸为 5.2 μm 的硼化物强化 TiAl 合金，构建出理想的完全层片状微观组织前驱体。显著的微观组织细化、γ/α₂ 界面屏障、硼化物 - 位错相互作用以及

CRediT 作者贡献声明

Zhao Zhang：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿，方法论，调查，形式化分析。 Jiafeng Chi：方法论，概念化。 Xianghao Meng：调查，形式化分析。 Feihong Wang：验证，方法论，数据整理。 Luzheng Fu：调查，数据整理。 Zhenfeng Gao：数据整理。 Chaochao Wu：概念化。 Yongfeng Liang：写作 – 审阅与编辑，监督，项目管理。 Junpin Lin：写作 – 审阅与编辑，监督，

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金 (52531004) 的资金支持。

Zhao Zhang|Jiafeng Chi|Xianghao Meng|Feihong Wang|Luzheng Fu|Zhenfeng Gao|Chaochao Wu|Yongfeng Liang|Junpin Lin

北京科技大学先进金属材料国家重点实验室，北京，100083，中国