TiAl金屬間化合物的增材制造研究進展

杜宇雷，歐園園，盧曉陽，廖文和

(南京理工大學,a.機械工程學院；b.材料科學與工程學院，江蘇 南京　210094)

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TiAl金屬間化合物的增材制造研究進展

杜宇雷a，歐園園b，盧曉陽b，廖文和a

(南京理工大學,a.機械工程學院；b.材料科學與工程學院，江蘇 南京210094)

摘要：TiAl金屬間化合物具有密度低、彈性模量高、強度高、抗氧化性能和抗疲勞性能良好等突出優(yōu)點，在航空航天領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景.然而，TiAl金屬間化合物的加工難度大，成型困難，限制了其工程應(yīng)用.近年來，增材制造憑借其特有的技術(shù)優(yōu)勢在難加工金屬材料的加工成型領(lǐng)域嶄露頭角.文章綜述了TiAl金屬間化合物的增材制造研究進展，總結(jié)分析了目前應(yīng)用于TiAl金屬間化合物增材制造的主要技術(shù)類型，以及所制備合金的凝固行為、組織形貌特征和力學性能.

關(guān)鍵詞：TiAl金屬間化合物；增材制造；3D打印

TiAl金屬間化合物具有低密度、高彈性模量、高強度、以及優(yōu)異的抗氧化、抗蠕變和抗疲勞等性能優(yōu)點，使用溫度可達700～1000 ℃，是極具應(yīng)用價值的輕質(zhì)、高強、高溫結(jié)構(gòu)材料，已逐步應(yīng)用于航空航天工業(yè)和汽車工業(yè)等領(lǐng)域，比如航空發(fā)動機渦輪葉片、超高速飛行器的翼、殼體等部件[1-5].然而，TiAl金屬間化合物是一種典型的難加工金屬材料，可加工性差是制約其工程應(yīng)用的重要因素之一[6-7].

目前，TiAl金屬間化合物的加工成型方法主要有鑄造、鑄錠冶金和粉末冶金等[8].鑄造方法有熔模精密鑄造和金屬型鑄造，可直接成型，但存在組織粗大及凝固組織疏松等問題，導致鑄造TiAl合金室溫力學性能較差.鑄錠冶金法采用的熱加工工藝主要有等溫鍛造、包套鍛造、鑄錠擠壓和板材軋制等，這些工藝復雜、加工難度和成本較高.粉末冶金工藝可以降低晶粒尺寸，精確控制合金成分，但難以徹底消除空隙，通常需要采取熱等靜壓手段進行致密化后處理.當前，大尺寸、復雜結(jié)構(gòu)和形狀TiAl金屬間化合物的加工成型依然是急需解決的問題之一.

增材制造(additive manufacturing)是指依據(jù)數(shù)字模型，通過連續(xù)的物理層疊加，逐層增加材料的方式制造三維實體物件的技術(shù).目前金屬增材制造方法主要有：激光熔化沉積(laser melting deposition)、激光近凈成形(laser engineered net shaping，LENS)、選區(qū)激光熔化(selective laser melting，SLM)、電子束選區(qū)熔化(selective electron beam melting, SEBM)和電子束熔絲成形技術(shù)(electron beam direct manufacturing, EBDM)等.增材制造可實現(xiàn)難加工金屬材料復雜形狀構(gòu)件的直接制造成型，為TiAl金屬間化合物的成型帶來了新的契機[9-11].與傳統(tǒng)金屬材料加工成型工藝相比，增材制造無需模具，提高了原料利用率、降低了設(shè)計和制造成本，并大大縮短了生產(chǎn)周期；同時，采用增材制造能夠得到超細化的凝固組織，從而提高金屬構(gòu)件的綜合力學性能；更重要的是，增材制造工藝能夠適應(yīng)各種尺寸、不同復雜程度構(gòu)件的加工成型.上述技術(shù)特點使得增材制造非常適用于各種難熔、高強度金屬材料及復雜構(gòu)件的直接成型制造.從增材制造的上述特點以及TiAl金屬間化合物的材料特性和應(yīng)用領(lǐng)域可以看出，它是非常適合TiAl金屬間化合物的成型新技術(shù)[12-13].

根據(jù)能量源、原材料形態(tài)以及反應(yīng)方式的不同，增材制造衍生出眾多技術(shù)路線，其中以激光束或電子束為熱源的高能束流增材制造技術(shù)[14]在TiAl金屬間化合物的加工成型領(lǐng)域具有較多的應(yīng)用研究.

1TiAl金屬間化合物的激光增材制造技術(shù)

激光增材制造是采用高能量密度的激光作為熱源逐層熔化金屬粉末從而實現(xiàn)構(gòu)件的直接成型制造[15-17].根據(jù)原料粉末輸運方式的不同，激光增材制造可分為激光直接沉積成形技術(shù)(laser direct deposition, LDD)和激光選區(qū)熔化成形技術(shù)，前者采用同軸送粉方式，后者則采用預鋪粉方式[18].激光直接沉積成形屬于“近凈成形制造”，適用于大型結(jié)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)不是特別復雜構(gòu)件的加工成型，所制備構(gòu)件的表面質(zhì)量通常較差，需要進行后續(xù)機加工處理[19]；而激光選區(qū)熔化技術(shù)可直接制成具有較高尺寸精度和表面光潔度的構(gòu)件，一般不需要后續(xù)機加工處理，適合尺寸較小、具有復雜結(jié)構(gòu)和形狀的構(gòu)件的直接成型制造[20-21].

美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室采用激光直接沉積技術(shù)加工制造了帶有半球、直壁、通孔、尖角的TiAl金屬間化合物零件，測試結(jié)果表明其室溫抗拉強度和結(jié)合強度均顯著提高[22].北京航空航天大學與沈陽飛機設(shè)計研究所等單位合作，研制成功具有系列核心技術(shù)、構(gòu)件制造能力高的激光增材制造成套裝備系統(tǒng)，并制造出了包括TiAl金屬間化合物在內(nèi)的多種鈦合金飛機結(jié)構(gòu)部件[23].目前，激光選區(qū)熔化成形技術(shù)已較為成熟并有國內(nèi)外多家公司推出了商用設(shè)備，該工藝對原料粉末的要求較高，所使用的粉末粒度小于50 μm，球形度高、氧含量低，流動性好.

2TiAl金屬間化合物的電子束增材制造技術(shù)

電子束增材制造的基本原理與激光增材制造相似，區(qū)別在于能量源.電子束增材制造是在真空環(huán)境中采用高能量密度的電子束作為熱源來熔融金屬粉末.根據(jù)原料及其輸運方式的不同，電子束增材制造可分為電子束熔絲成形技術(shù)(electron beam direct manufacturing, EBDM )和選區(qū)電子束熔化成形技術(shù)(selective electron beam melting, SEBM)，前者采用金屬絲材為原料并通過送絲裝置將絲材送入電子束熔池內(nèi)，熔池按照設(shè)定的路徑逐層凝固堆積，并形成致密的冶金結(jié)合；后者用電子束按預設(shè)的路徑逐層掃描預先鋪好的金屬粉末，粉末在電子束作用下快速熔化和冷卻凝固，如此反復直至完成金屬構(gòu)件的成形.

電子束熔絲成形技術(shù)沉積效率高，真空環(huán)境非常適合鈦鋁等活性金屬的加工，同時利用電子束對熔池進行旋轉(zhuǎn)攪拌，可減少氣孔等缺陷，但制得的零件需要進行后續(xù)精加工.與激光選區(qū)熔化技術(shù)相比，電子束選區(qū)熔化具有能量利用率高、無反射、功率密度高、掃描速度快、真空環(huán)境無污染等優(yōu)點.

目前在電子束選區(qū)熔化成形設(shè)備研發(fā)和生產(chǎn)領(lǐng)域領(lǐng)先的是瑞典Arcam AB公司.意大利AVIO公司采用該公司的設(shè)備開發(fā)出了航空發(fā)動機復雜TiAl基合金構(gòu)件[24].國內(nèi)西北有色金屬研究院與清華大學合作設(shè)計并制造了EBSM-250型快速成型設(shè)備[25].中航工業(yè)北京航空制造工程研究所高能束流加工技術(shù)重點實驗室對電子束選區(qū)熔化成形TiAl金屬間化合物進行了研究，開發(fā)了電子束精確掃描技術(shù)、精密鋪粉技術(shù)、數(shù)據(jù)處理軟件等裝備核心技術(shù)，目前正在研究飛機復雜鈦合金接頭及TiAl金屬間化合物渦輪葉片的電子束選區(qū)熔化制造技術(shù)[14].

3增材制造TiAl金屬間化合物的凝固行為和組織特征

大量研究表明，TiAl基合金的宏觀力學性能與其組織息息相關(guān).TiAl基合金有4種典型顯微組織，即等軸近γ組織(NG)、雙態(tài)組織(DP)、近片層組織(NL)和全層片組織(FL).一般來講，細晶全片層組織的綜合力學性能最佳.與傳統(tǒng)的鑄造相比，現(xiàn)有金屬增材制造技術(shù)的冷卻速率都比較大，屬于非平衡凝固過程，因而所得到的凝固組織也具有不同的特征.在傳統(tǒng)鑄造過程中TiAl金屬間化合物一般形成α2/γ層片結(jié)構(gòu)，層片團尺寸較大，內(nèi)部易形成疏松和成分偏析.采用粉末冶金方法，通過反應(yīng)燒結(jié)和等溫鍛造，能獲得細晶粒、全致密的層片狀TiAl金屬間化合物[26].而采用增材制造成形的TiAl金屬間化合物，由于粉末熔化形成的熔池較小且熔化、凝固速率極高，因而可以獲得超細化的凝固組織，同時，通過控制激光或電子束的掃描方式和能量密度，還可以影響和改變晶粒生長方式和微觀結(jié)構(gòu)，進而實現(xiàn)對其力學性能的控制[27].

研究發(fā)現(xiàn)，激光選區(qū)熔化和電子束選區(qū)熔化兩種增材制造工藝制備的TiAl金屬間化合物在微觀組織形貌上存在差異[28-30].采用激光增材制造技術(shù)制備TiAl金屬間化合物可以得到柱狀晶α2/γ全層片結(jié)構(gòu)[31].采用SLM技術(shù)，選擇低能量密度成形TiAl合金可以獲得精細的α2/γ近層片狀結(jié)構(gòu)，制得的TiAl合金具有各向異性[32].采用電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)制備的TiAl合金通常形成細小均勻的雙態(tài)組織，由γ相等軸晶和α2/γ層片團組成，由于電子束能量高，不易形成帶狀不均勻的組織.由于SEBM加工過程在真空環(huán)境中進行，故制備的TiAl合金雜質(zhì)含量低，孔隙率低，致密度可達98%以上.SEBM過程中連續(xù)冷卻、重復加熱以及Al元素的蒸發(fā)損失導致TiAl合金形成復雜的結(jié)構(gòu)，制備的TiAl合金樣品頂部趨于為層片狀結(jié)構(gòu)，底部區(qū)域α2晶粒粗化并球化，板條狀的α2相的尺寸根據(jù)能量輸入的不同而改變[33].Schwerdtfeger等[34]研究了SEBM制備TiAl合金過程中的鋁損失問題，通過降低能量輸入，減少熔池的過熱，調(diào)整工藝參數(shù)，可以把鋁損失減少到0.5%.

4增材制造TiAl金屬間化合物的力學性能

TiAl金屬間化合物的力學性能對合金成分和微觀組織特征極其敏感.鑄造TiAl基合金由于鑄態(tài)組織為粗大樹枝晶，易產(chǎn)生疏松和成分偏析，所以脆性極高，室溫延展性幾乎為0.激光增材制造過程的冷卻凝固速率高，可以得到精細的快速凝固組織，采用LDD技術(shù)制備TiAl合金可以得到高致密的柱狀晶組織，具有全層片結(jié)構(gòu).實驗測試結(jié)果表明，其縱向室溫抗拉強度達到600～650 MPa，橫向抗拉強度達到550～600 MPa，室溫拉伸延伸率約0.6%[35].采用SLM技術(shù)制備β凝固的TiAl合金，在室溫及850 ℃下可以獲得較好的拉伸性能.SLM成形過程中粉末床溫度低于300 ℃，由于缺乏預熱，在成形過程中易形成空隙和裂紋.激光增材制造制備的TiAl合金構(gòu)件的塑性較低，一般可以通過后續(xù)熱處理進行優(yōu)化.相比于SLM，SEBM過程中可以保持更高的溫度(可達到1100 ℃)，能夠更好地釋放熱應(yīng)力避免裂紋的產(chǎn)生，另外SEBM的真空環(huán)境有效控制了雜質(zhì)含量，更適合低塑性材料的凈成形[36].Biamino等[37]分別測量了經(jīng)過熱等靜壓處理后的近等軸組織SEBM樣品與后續(xù)熱處理后的雙態(tài)組織SEBM樣品，二者低溫性能相似，高溫性能有較大差異.雙態(tài)組織在常溫下屈服強度達360 MPa，延伸率為1.1%，800 ℃下延伸率可達5.2%，SEBM樣品力學性能實驗數(shù)據(jù)重復性更好.

5結(jié)語

增材制造技術(shù)在TiAl金屬間化合物的加工成型上具有一定的優(yōu)勢.如能進一步提高增材制造的加工效率，降低設(shè)備成本，增強原料粉末的標準化，進一步改善構(gòu)件的力學性能及一致性，那么增材制造將有望發(fā)展成為TiAl金屬間化合物加工成型的主流技術(shù)路線之一.

參考文獻：

[1] 李寶輝,孔凡濤,陳玉勇,等.TiAl金屬間化合物的合金設(shè)計及研究現(xiàn)狀[J].航空材料學報,2006,26(2):72-78.

[2] TETSUI T. Development of a TiAl turbocharger for passenger vehicles[J].Materials Science & Engineering A, 2002,329(1):582-588.

[3] 陳玉勇,孔凡濤.TiAl基合金新材料研究及精密成形[J].金屬學報,2004,38(11):1141-1148.

[4] 林均品,張來啟,宋西平,等.輕質(zhì)γ-TiAl金屬間化合物的研究進展[J].中國材料進展,2010,29(2):1-7.

[5] LWYENS C,PERTERS M.Titanium and Titanium Alloy[M].Beijing: Chemical Industry Press,2005: 307.

[6] 陳國良.金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].材料導報,2000(9):1-5.

[7] 劉軼,侍新琳.TiAl金屬間化合物研究[J].沈陽航空工業(yè)學院學報,2001,18(1):27-29.

[8] 陳玉勇,蘇勇君,孔凡濤.TiAl金屬間化合物制備技術(shù)的研究進展[J].稀有金屬材料與工程,2014,43(3):757-762.

[9] 闞文斌,林均品.增材制造技術(shù)制備鈦鋁合金的研究進展[J].中國材料進展,2015,34(2):111-119.

[10] CAMPBELL T A,IVANOVA O S.3D printing of multifunctional nanocomposites[J].Nano Today,2013,8(2):119-120.

[11] VAYRE B,VIGNAT F,VILLENEUVE F.Designing for additive manufacturing[J].Procedia CIRP,2012,3:632-637.

[12] 鞏水利,鎖紅波,李懷學.金屬增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用[J].航空制造技術(shù),2013(13):66-71.

[13] BOYER R R.An overview on the use of titanium in the aerospace industry[J].Materials Science & Engineering A,1996,213:103-114.

[14] 鞏水利,高巍,王玉岱,等.高能束流加工技術(shù)的發(fā)展動態(tài)[J].航空制造技術(shù),2014 (19): 66-69.

[15] 張劍峰,張建華,趙劍峰,等.激光快速成形制造技術(shù)的應(yīng)用研究進展[J].航空制造技術(shù),2002(7):34-37.

[16] ARCELLA F G,FROES F H.Production of titanium aerospace components from powder using laser forming[J].JOM:the Journal of the Minerals Metals & Materials Society,2000,52(5):28-30.

[17] KOBRYN P A,SEMIATIN S L.The laser additive manufacture of Ti6Al4V[J].JOM:the Journal of the Minerals Metals & Materials Society,2001,53(9):40-42.

[18] 余前帆.增材制造——3D打印的正稱[J].中國科技術(shù)語,2013(4):46-48.

[19] 田宗軍,顧冬冬,沈理達,等.激光增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展[J].航空制造技術(shù),2015(11):38-42.

[20] 李懷學,孫帆,黃柏穎.金屬零件激光增材制造技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].航空制造技術(shù),2012(20):26-31.

[21] KRUTH J P,FROYEN L,VAERENBERGH J V,et al.Selective laser melting of iron-based powder[J].Journal of Materials Processing Technology,2004,149(1):616-622.

[22] MAZUMDER J,DUTTA D,KIKUCHI N,et al.Closed loop direct metal deposition:art to part[J].Optics & Lasers in Engineering,2000,34(4):397-414.

[23] 王華明.高性能大型金屬構(gòu)件激光增材制造:若干材料基礎(chǔ)問題[J].航空學報,2014,35(10):2690-2698.

[24] 楊鑫,奚正平,劉詠,等.TiAl基合金電子束快速成形研究進展[J].稀有金屬材料與工程,2011,40(12):2252-2256.

[25] 黃秋實,李良琦,高彬彬.國外金屬零部件增材制造技術(shù)發(fā)展概述[J].國防制造技術(shù),2012(5):26-29.

[26] 喻吉良,李中奎,鄭欣,等.不同工藝制備的TiAl金屬間化合物微觀組織特征[J].稀有金屬材料與工程,2012,41(11):2054-2057.

[27] MURR L E,GAYTAN S M,RAMIREZ D A,et al.Metal fabrication by additive manufacturing using laser and electron beam melting technologies[J].Journal of Materials Science & Technology,2012,28(1):1-14.

[28] GUSSONE J,HAGEDORN Y C,GHEREKHLOO H,et al.Microstructure of γ-titanium aluminide processed by selective laser melting at elevated temperatures[J].Intermetallics,2015,66:133-140.

[29] LOEBER L,BIAMINO S,ACKELI U,et al.Comparison of selective laser and electron beam melted titanium aluminides[C].Texas:SFF Symp,2011:547-556.

[30] MURR L E,QUINONES S A,GAYTAN S M,et al.Microstructure and mechanical behavior of Ti-6Al-4V produced by rapid-layer manufacturing,for biomedical applications[J].Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials,2009,2(1):20-32.

[31] QU H P,LI P,ZHANG S Q,et al.The effects of heat treatment on the microstructure and mechanical property of laser melting deposition γ-TiAl intermetallic alloys[J].Materials & Design,2010,31(4):2201-2210.

[32] SRIVASTAVA D,CHANG I T H,LORETTO M H.The effect of process parameters and heat treatment on the microstructure of direct laser fabricated TiAl alloy samples[J].Intermetallics,2001,9(12):1003-1013.

[33] GE W,GUO C,LIN F.Effect of process parameters on microstructure of TiAl alloy produced by electron beam selective melting[J].Procedia Engineering,2014,81:1192-1197.

[34] SCHWERDTFEGER J,K?RNER C.Selective electron beam melting of Ti-48Al-2Nb-2Cr:Microstructure and aluminium loss[J].Intermetallics,2014,49(3):29-35.

[35] QU H P,WANG H M.Microstructure and mechanical properties of laser melting deposited γ-TiAl [J].Materials Science & Engineering A,2007,466:187-194.

[36] TANG H P,YANG G Y,JIA W P,et al.Additive manufacturing of a high niobium-containing titanium aluminide alloy by selective electron beam melting[J].Materials Science & Engineering A,2015,636:103-107.

[37] BIAMINO S,PENNA A,ACKELID U,et al.Electron beam melting of Ti-48Al-2Cr-2Nb alloy:Microstructure and mechanical properties investigation[J].Intermetallics,2011,19(6):776-781.

(編輯武峰)

Research Progress on Additive Manufacturing of TiAl Intermetallic Compound

DU Yuleia, OU Yuanyuanb, LU Xiaoyangb, LIAO Wenhea

(a.School of Mechanical Engineering;b.School of Materials Science and Engineering,Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:Due to their superior properties,such as low density,high modulus,high strength,good oxidation resistance and fatigue resistance,TiAl intermetallic compound has the promising applications in the fields of aerospace.However,TiAl intermetallic compound is very difficult to be machined,which hinders its practical applications.Additive manufacture techniques (3D printing) own obvious advantages on the rapid prototyping of difficult-to-machine materials and components with complex shape.In this paper,the research progress of TiAl intermetallic compound made by additive manufacturing was summarized.The solidification behavior,microstructure and mechanical properties of TiAl by additive manufacturing were discussed.

Key words:TiAl intermetallic compound; additive manufacturing; 3D printing

收稿日期：2016-03-21

基金項目：國家自然科學基金項目(51571116)；江蘇省產(chǎn)學研聯(lián)合創(chuàng)新資金前瞻性研究項目(BY2015004-04)

作者簡介：杜宇雷(1975-)，男，教授，博士，博士生導師，主要從事增材制造材料與技術(shù)研究.

中圖分類號：TH164

文獻標志碼：A

文章編號：1674-358X(2016)02-0001-04