哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳玉勇教授團(tuán)隊(duì)：增材制造TiAl合金的研究進(jìn)展！

來源：焊接科學(xué)

輕質(zhì)耐熱的TiAl合金是航空航天和民用工業(yè)等領(lǐng)域最具潛力的高溫結(jié)構(gòu)材料之一。然而，由于其低的延展性和斷裂韌性，制造TiAl零部件具有挑戰(zhàn)性。目前，增材制造工藝被認(rèn)為是制造TiAl零件具有前途的技術(shù)之一。2023年7月17日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳玉勇教授團(tuán)隊(duì)在《金屬學(xué)報(bào)》期刊發(fā)表最新綜述“增材制造TiAl合金的研究進(jìn)展“，介紹了增材制造技術(shù)原理和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜述了激光金屬沉積(LMD)、選區(qū)激光熔化(SLM)和電子束熔化(EBM)制備TiAl合金的工藝-組織-性能關(guān)系，并對該技術(shù)未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。陳玉勇、時國浩、杜之明、張宇、常帥為作者，陳玉勇教授為通訊作者。

圖1 增材制造工作原理示意圖

圖2 激光沉積Ti-48Al-2Cr-2Nb 合金的SEM-BSE 像

圖3 Ti-47Al-2Cr-2Nb 合金熱處理前后的SEM 像

總結(jié)展望
通常情況下，沒有顯微組織能夠表現(xiàn)出所有所需的最佳性能。一般認(rèn)為，雙態(tài)組織表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度和室溫延展性，這是由于其具有非常精細(xì)的組織特征(γ晶粒尺寸、片層團(tuán)尺寸和片層間距)，遵循Hall-Petch強(qiáng)化關(guān)系。在需要抗蠕變和斷裂韌性的地方(如高溫渦輪發(fā)動機(jī)零部件)，全片層組織的粗大特征可能更有利。這意味著細(xì)化全片層組織的片層團(tuán)尺寸和片層間距將改善該顯微組織，從而獲得更高的延伸率和高溫強(qiáng)度。相比于傳統(tǒng)制造方法，增材制造以成分較均勻的預(yù)合金粉末為原料，同時具有較高的冷卻速率，因此更容易生產(chǎn)組織均勻且晶粒細(xì)小的TiAl合金。但是增材制造的超高溫度梯度與冷卻速率也易導(dǎo)致脆性TiAl合金的開裂，同時TiAl合金內(nèi)部也存在部分冶金缺陷，這使得TiAl合金難以充分發(fā)揮組織均勻且晶粒細(xì)小帶來的性能提升。優(yōu)化工藝參數(shù)和基板預(yù)熱是增材制造TiAl合金過程中調(diào)控溫度場分布與減少殘余應(yīng)力的重要措施，可實(shí)現(xiàn)無裂紋及少缺陷合金的制備。而熱等靜壓作為一種后處理工藝，可以進(jìn)一步消除合金內(nèi)部缺陷。此外，根據(jù)產(chǎn)品所需的性能，可以進(jìn)行相應(yīng)的后續(xù)熱處理調(diào)控組織，但應(yīng)當(dāng)合理選擇后處理參數(shù)，避免晶粒長大，從而保留超高冷卻速率下獲得的細(xì)晶組織。

此外，增材制造工藝制造小批量定制產(chǎn)品具有高度柔性化和相對較低成本的優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高精度要求的發(fā)動機(jī)高溫結(jié)構(gòu)件。因此，目前增材制造被認(rèn)為是在航空航天應(yīng)用中生產(chǎn)復(fù)雜的TiAl零件的有力候選方法。其中，電子束增材制造的TiAl低壓渦輪葉片已經(jīng)得到了應(yīng)用，而其他增材制造方法(如激光金屬沉積和選區(qū)激光熔化)也已被嘗試用于制造TiAl部件。盡管增材制造TiAl合金取得了令人鼓舞的結(jié)果，但仍有很多問題需要討論和解決。

(1) 成分設(shè)計(jì)。增材制造是一個快速熔化和凝固的過程，為了更好地潤濕基材和確保凝固過程中有足夠的液體補(bǔ)給，需要合金熔體具有較好的流動性。合金的流動性與合金的成分密切相關(guān)。美國研制的Ti-48Al-2Cr-2Nb是一種針對熔模鑄造設(shè)計(jì)的合金材料，并且已經(jīng)在波音787飛機(jī)發(fā)動機(jī)中運(yùn)用。而針對增材制造，特別是電子束增材制造的高真空工作環(huán)境，Al的燒損較為嚴(yán)重。因此，需要對增材制造TiAl合金成分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(2) 粉末原料。目前，TiAl合金粉末受車間和生產(chǎn)流程的限制，產(chǎn)量相對較低，這使得TiAl合金粉體的價(jià)格長期保持在較高水平，同時批次之間的質(zhì)量難以保持一致性。因此，由于粉末原料的劣勢，需要進(jìn)一步開發(fā)高性能、低成本的TiAl合金粉末制造工藝。此外，增材制造的零件應(yīng)更接近“凈形狀”，以減少后續(xù)加工成本，進(jìn)一步提升產(chǎn)品的性能。

(3) O含量。O含量對TiAl合金的塑性影響非常大，在TiAl制備過程中控制O含量是非常必要的。增材制造TiAl合金的氧吸收發(fā)生在粉末材料的生產(chǎn)和沉積過程中。因此，制備高潔凈度、高球形度、低O含量的TiAl合金粉末是制造航空航天用高性能復(fù)雜關(guān)鍵零部件的重要措施。此外，與電子束增材制造相比，激光增材制造的工作環(huán)境是惰性氣體(Ar氣)氣氛，而非真空環(huán)境，并不能完全防止氧吸收，特別是在過熱和長時間保溫時。因此，在增材制造過程中，也要控制O含量的增加。

(4) 孔隙率�？紫妒窃霾闹圃霻iAl樣品中最常見的缺陷，一般可分為球形氣孔和未熔合孔。在使用過程中，孔隙充當(dāng)裂紋形核點(diǎn)，特別是未熔合孔，會嚴(yán)重惡化零件的力學(xué)性能。為了降低零件中的孔隙度，首先選用空心粉含量少的粉末原料，其次優(yōu)化工藝參數(shù)(如增加能量輸入，以消除未熔合孔)，最后對零件進(jìn)行熱等靜壓處理。

(5) 顯微組織。顯微組織的演變受熱輸入顯著影響，主要因素是冷卻速率。冷卻速率主要取決于能量輸入、熔池溫度和溫度梯度。因此，可以通過優(yōu)化這些變量以控制顯微組織。值得注意的是，確保穩(wěn)定的熔池軌跡對于表面質(zhì)量和顯微組織非常重要。建議進(jìn)一步研究熔池動力學(xué)，從監(jiān)控熔池開始，使用高速攝像機(jī)和/或熱像儀，提取詳細(xì)信息，例如熔池幾何形狀和溫度變化，然后可以在相應(yīng)地調(diào)整工藝參數(shù)的反饋系統(tǒng)中使用該信息。此外，后續(xù)熱處理是補(bǔ)救不均勻顯微組織的重要措施。然而，確定合適的處理溫度和保溫時間具有挑戰(zhàn)性，應(yīng)研究這些參數(shù)的影響以確保顯微組織均質(zhì)化。

(6) 增材制造設(shè)備�，F(xiàn)有的增材制造設(shè)備以及維護(hù)費(fèi)用成本較高，可用的建造尺寸較小，例如，目前電子束熔化設(shè)備的最大建造尺寸僅為直徑350mm、長380mm，難以滿足航空航天領(lǐng)域大尺寸零件的需求。因此，設(shè)計(jì)、開發(fā)并研制大尺寸的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的增材制造設(shè)備是當(dāng)務(wù)之急。此外，粉末預(yù)熱是生產(chǎn)無裂紋零件的重要策略。采用基板預(yù)熱僅限于對小部件生產(chǎn)具有很好的匹配度，而外加熱源雖可以用于大尺寸零件，但成本相對較高。因此，應(yīng)在大尺寸增材制造設(shè)備中開發(fā)具有高效且低成本的加熱系統(tǒng)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)大尺寸零件的制造。

通訊作者
陳玉勇博士，男，1956年1月生。哈爾濱工業(yè)大學(xué)二級教授、博士生導(dǎo)師、國防“973”技術(shù)首席、勞動人事部第一層次“百干萬跨世紀(jì)人才”、國務(wù)院政府特殊津貼專家、黑龍江省杰出青年科學(xué)基金獲得者、黑龍江省優(yōu)秀中青年專家、國防科工委“511人才工程”學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人，榮獲首屆中國青年科技獎，航空航天部首屆“十佳航天科技青年”。

主要研究方向?yàn)樾滦洼p質(zhì)耐熱鈦合金及鈦鋁合金精密熱成形技術(shù)、增材制造等。作為負(fù)責(zé)人或主要參加者已承擔(dān)或參與國家及省部委研究項(xiàng)目40余項(xiàng)，包括國防“973”項(xiàng)目、科技部“973”項(xiàng)目、“863”項(xiàng)目、國家重大科技專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，總裝和科工委的項(xiàng)目多項(xiàng)。授權(quán)國家發(fā)明專利35項(xiàng)，出版專著一部，發(fā)表SCI、EI收錄250余篇。2017年研究成果“航天復(fù)雜鈦合金構(gòu)件精密制造裝備與工藝”獲國防科技進(jìn)步一等獎，同時該成果榮獲2017年航天科技一等獎，2012年研究成果“新型基合金物理冶金技術(shù)基礎(chǔ)研究”獲黑龍江省科學(xué)技術(shù)獎一等獎，獲省部級二等獎8項(xiàng)，三等獎2項(xiàng)。

現(xiàn)任中國機(jī)械工程學(xué)會鑄造分會理事，全國會執(zhí)行委員會理事，中國材料研究學(xué)會-金屬間化合物及非晶合金分會理事，中國材料研究學(xué)會——凝固科學(xué)分會理事，黑龍江省鑄造學(xué)會理事長。

論文引用
陳玉勇 時國浩 杜之明 張宇 常帥. 增材制造TiAl合金的研究進(jìn)展[J]. 金屬學(xué)報(bào), 10.11900/0412.1961.2022.00582.