增材制造TiAl合金的研究現(xiàn)狀及展望

王林　沈忱　張弛　李芳　華學(xué)明

摘要：TiAl合金具有高比強(qiáng)度以及優(yōu)異的抗氧化、高溫抗蠕變性能等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，TiAl合金室溫塑性差、加工成形困難，且傳統(tǒng)制備TiAl合金技術(shù)效率低、成本高，嚴(yán)重制約了其工程應(yīng)用。近年來(lái)，增材制造技術(shù)因其效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在制備TiAl合金方面優(yōu)勢(shì)明顯。本文首先介紹了TiAl合金的基本特性，然后分別從傳統(tǒng)制備工藝、激光增材制造、電子束增材制造以及電弧增材制造幾個(gè)方面綜述了國(guó)內(nèi)外制備TiAl合金技術(shù)的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了增材制造TiAl合金力學(xué)性能的研究進(jìn)展及其改善方法，最后分析了增材制造TiAl合金技術(shù)的未來(lái)研究目標(biāo)和發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：TiAl合金;增材制造;綜述

中圖分類號(hào)：TG457文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）04-0001-12

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.01

0 前言

TiAl合金具有高比強(qiáng)度、高比彈性模量以及優(yōu)異的抗氧化、高溫抗蠕變性能等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)低油耗、高比推力的要求，是航空航天用高溫材料的最具競(jìng)爭(zhēng)力的材料之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，TiAl合金固有的室溫脆性導(dǎo)致其加工變形能力差，無(wú)法直接進(jìn)行塑性加工，嚴(yán)重制約其進(jìn)一步的發(fā)展應(yīng)用[1-5]。經(jīng)過(guò)幾十年的研究發(fā)展，隨著對(duì)TiAl合金成分設(shè)計(jì)、微觀組織、變形機(jī)制、成形方法等問(wèn)題研究的不斷深入，TiAl合金的室溫塑性已經(jīng)獲得明顯提高。

目前，科研工作者主要采用傳統(tǒng)的成形制備工藝，如精密鑄造、鑄錠冶金、粉末冶金以及快速凝固等技術(shù)，先后開(kāi)發(fā)了一些典型的TiAl基合金，如表1所示[6]，并在一些領(lǐng)域有所應(yīng)用。如美國(guó)通用電氣公司已經(jīng)將精密鑄造工藝制備的TiAl合金成功地應(yīng)用于波音787“夢(mèng)想”客機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪的最后兩級(jí)葉片，成功減重近200 kg[7]。傳統(tǒng)成形制備技術(shù)具有工藝復(fù)雜、成本高、加工周期長(zhǎng)等缺陷，不利于材料的推廣應(yīng)用。

增材制造AM（Additive Manufacturing）技術(shù)是基于離散-堆積原理，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，采用逐層堆積材料的方法，制造實(shí)體零件的快速成形技術(shù)。與傳統(tǒng)成形工藝相比，增材制造具有成形效率高、靈活性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工困難零件等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)[8]。因此，增材制造TiAl合金具有廣闊的應(yīng)用前景，引起了國(guó)內(nèi)外科研工作者的極大興趣，對(duì)此進(jìn)行了廣泛研究。本文對(duì)目前TiAl合金的增材制造成形技術(shù)及其組織性能的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)分析，并對(duì)TiAl合金未來(lái)的研究工作進(jìn)行了展望。

1 TiAl合金的基本特性

TiAl合金具有突出的高溫使用性能。如表2所示，與Ti3Al合金、Ti合金相比，TiAl合金具有更高的使用溫度，與鎳基合金相近，可達(dá)750～900 ℃，但其密度僅為鎳基合金的50%，比強(qiáng)度較高，因此有望成為鎳基高溫合金的替代材料，應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片等高溫部件[9-10]。

已有研究表明[11]，TiAl合金主要由3種不同的相組成，即Ti3Al（α2，密排六方）、TiAl（γ，面心正方）以及TiAl3，僅有Ti3Al（α2）以及TiAl（γ）相具有工程應(yīng)用價(jià)值[11]。其中，α2相的高溫強(qiáng)度較高，但是延展性較差，并且還易吸氧、氫等雜質(zhì)元素，導(dǎo)致高溫脆性進(jìn)一步增加;而γ相的抗氧化能力較強(qiáng)，但是其室溫延展性較差，接近于零。因此，兩種單相組織都不具有實(shí)用價(jià)值，但是α2和γ的雙相組織力學(xué)性能相對(duì)較好，具有重要的工程意義[12-13]。

不同成分含量的TiAl合金的結(jié)晶過(guò)程不同，從而形成不同的微觀組織。根據(jù)其結(jié)晶過(guò)程的特點(diǎn)，將其分為γ相凝固、α相凝固以及β相凝固三類。Ti-Al二元相圖如圖1所示[14]，可以看出，TiAl合金在較窄的成分范圍內(nèi)（α相凝固）存在兩個(gè)包晶反應(yīng)，即L+β→α和L+α→γ，包晶反應(yīng)較慢，在凝固過(guò)程中，TiAl合金易發(fā)生偏析現(xiàn)象。元素在β相中的擴(kuò)散系數(shù)比α相高2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，通過(guò)控制合金的凝固路線從L→L+β→β→…發(fā)生β相凝固，而不是從含有包晶反應(yīng)的L→L+β→α→…α相凝固路線進(jìn)行，可以有效地減少成分偏析以及組織的不均勻性。并且β相具有大量的獨(dú)立滑移系，可以改善TiAl合金的高溫變形能力[15]。

合適的熱處理工藝不僅可以改善材料的化學(xué)成分以及組織的均勻性，而且能有效改變組織形貌，進(jìn)而對(duì)合金的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。在不同的溫度條件下，通過(guò)對(duì)TiAl合金進(jìn)行熱處理，可以獲得4種不同的典型組織，即近γ組織、雙態(tài)組織、近片層組織以及全片層組織[16-18]。Ti-Al二元相圖的中間部分如圖2所示[18]，在α單相區(qū)（T1）進(jìn)行熱處理，保溫足夠的時(shí)間，冷卻至室溫，α相析出物轉(zhuǎn)變成α2和γ相板條交替分布的全片層組織，晶粒尺寸較大，可達(dá)200～1 000 μm;在α+γ雙相區(qū)的較高溫度（T2）范圍內(nèi)進(jìn)行熱處理，組織轉(zhuǎn)變?yōu)榈容Sγ晶和片層狀組織組成的近片層狀組織，晶粒尺寸約為150～200 μm;當(dāng)TiAl合金在α+γ雙相區(qū)的較低溫度（T3）進(jìn)行熱處理時(shí)，形成了由較細(xì)的片層狀組織和等軸γ晶組成的雙態(tài)組織，晶粒較細(xì)，平均尺寸僅為10 μm;在較低溫度（T4）的α2+γ的雙相區(qū)進(jìn)行熱處理時(shí)，組織轉(zhuǎn)變?yōu)橛傻容Sγ晶和晶界處的α2相組成的近γ組織，平均晶粒尺寸約為30～50 μm。研究表明，只有雙態(tài)組織和全片層組織具有較好的力學(xué)性能。雙態(tài)組織晶粒較細(xì)，細(xì)小的片層狀組織有利于等軸γ晶變形，因此，室溫抗拉強(qiáng)度和延展性較好，但是高溫力學(xué)性能較差。全片層組織的晶粒尺寸較大，合金的室溫力學(xué)性能較差，但高溫抗蠕變和抗疲勞性能較好[19-21]。

二元TiAl合金的綜合力學(xué)性能往往不能滿足使用要求，可以采用合金化的方法改善其力學(xué)性能。已有的研究結(jié)果表明[22]，合金元素可以改變Ti-Al相圖的相界位置，如圖3所示，進(jìn)而對(duì)合金的微觀組織產(chǎn)生影響。根據(jù)合金元素的不同作用[15，23-27]，將合金化元素分為以下幾類：（1）V、Mn、Cr原子可以通過(guò)占據(jù)γ-TiAl相中的Al的亞點(diǎn)陣，降低堆垛層錯(cuò)能，增加孿生的傾向，改善合金的塑性變形能力;（2）Nb、Ta、W、Mo能夠提高TiAl合金的高溫抗氧化、抗蠕變等高溫性能;（3）B、C、N等元素可以實(shí)現(xiàn)細(xì)化晶粒以及固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化等作用，提高合金的強(qiáng)度、斷裂韌性等力學(xué)性能。合金元素對(duì)TiAl合金力學(xué)性能的影響比較復(fù)雜，還需要進(jìn)一步的研究。

2 TiAl基合金的制備工藝方法

2.1 傳統(tǒng)制備工藝

經(jīng)過(guò)幾十年的研究，TiAl合金的制備加工技術(shù)取得了重要進(jìn)展。目前，相對(duì)成熟的TiAl合金的制備加工技術(shù)主要有以下幾種：精密鑄造技術(shù)、粉末冶金技術(shù)、鑄錠冶金技術(shù)以及快速凝固技術(shù)[28]。

航空領(lǐng)域使用的TiAl基合金部件目前主要采用精密鑄造技術(shù)進(jìn)行制造加工。精密鑄造過(guò)程分為以下幾步：母合金制備、模具設(shè)計(jì)、蠟?zāi)Ｖ谱?、型殼制備、脫蠟、型殼燒結(jié)、合金澆注[29]。為了改善材料的充型能力，減少產(chǎn)生縮孔等缺陷傾向，常使用離心鑄造、反重力鑄造、傾斜鑄造等澆注工藝，制備工藝十分復(fù)雜[15]。在精密鑄造的過(guò)程中，易產(chǎn)生縮孔、夾雜以及裂紋等缺陷，并且晶粒易發(fā)生粗化現(xiàn)象。為了減少缺陷，降低裂紋形成傾向，提高鑄件的力學(xué)性能，還需要使用熱等靜壓、熱機(jī)械加工等技術(shù)手段對(duì)TiAl合金鑄件進(jìn)行加工處理。繁雜的加工工序?qū)е聜鹘y(tǒng)制備TiAl合金加工成本高昂[30-33]。

雖然采用傳統(tǒng)加工工藝制備的一些TiAl合金的綜合力學(xué)性能優(yōu)良，并且在實(shí)際生產(chǎn)中已經(jīng)有所應(yīng)用，但是復(fù)雜的制備工藝、較長(zhǎng)的生產(chǎn)周期以及昂貴的生產(chǎn)成本等缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約著TiAl合金進(jìn)一步推廣應(yīng)用[6]?；谏鲜鲈?，有待提供一種TiAl合金的制備技術(shù)，能夠簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝流程、降低生產(chǎn)制造成本。

2.2 增材制造

增材制造是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，將軟件與數(shù)控系統(tǒng)相結(jié)合，通過(guò)逐層堆積材料，制造三維實(shí)體工件的制造技術(shù)。與傳統(tǒng)金屬材料加工成型技術(shù)相比，增材制造技術(shù)可以成型大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，工序簡(jiǎn)單、無(wú)需模具，在很大程度上縮短了生產(chǎn)周期，降低了成形件的設(shè)計(jì)和制造成本[8]。此外，與傳統(tǒng)工藝相比，增材制造過(guò)程+冷卻速度相對(duì)較快，降低了縮松、縮孔等缺陷的形成傾向，形成細(xì)小的晶粒組織，有利于獲得性能優(yōu)良的成形件。目前，科研工作者已經(jīng)對(duì)增材制造TiAl合金相關(guān)科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了研究，主要涉及激光增材制造、電子束增材制造以及電弧增材制造TiAl合金。

2.2.1 激光增材制造TiAl合金

激光增材制造是以高能量密度的激光束為熱源，將金屬粉末逐層熔化堆積，直接成形金屬構(gòu)件。激光能量密度高，冷卻速度快，容易獲得細(xì)小的晶粒組織。與此同時(shí)，在激光增材反復(fù)加熱、冷卻的熱循環(huán)過(guò)程中，易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，對(duì)塑性變形能力較差材料的成形以及力學(xué)性能產(chǎn)生不利的影響[34]。

TiAl合金室溫延展性較低，變形能力較差，在應(yīng)力作用下，易產(chǎn)生裂紋。隨著增材制造TiAl合金沉積層的逐漸增加，殘余應(yīng)力隨之增加，Srivastava等人[35]發(fā)現(xiàn)裂紋的長(zhǎng)度和數(shù)量也隨之增加。為了消除激光增材制造TiAl合金成型件中的裂紋缺陷，Liu等人[36]通過(guò)增加激光能量輸入，有效減少了裂紋形成傾向，但是并不能完全消除裂紋。預(yù)熱可以有效地降低沉積件的冷卻速率，有益于減小材料的熱應(yīng)力。Weisheit等人[37]將激光增材制備TiAl基合金的基板預(yù)熱到400 ℃，減少了裂紋缺陷的形成傾向。在激光增材制造的過(guò)程中，激光能量劃分為兩部分

——一部分被金屬粉末顆粒吸收和反射，另一部分被沉積件吸收和反射。在合適的激光功率條件下，通過(guò)調(diào)整激光離焦量，使更多的激光能量作用于金屬粉末，起到預(yù)熱金屬粉末的作用，熔池的冷卻速率降低。Sharman等人[38]研究發(fā)現(xiàn)，激光熔化沉積TiAl基合金沉積件的裂紋傾向顯著降低，如圖4所示。

Al元素蒸氣壓較高，在高能量密度激光的作用下，易發(fā)生蒸發(fā)損失，Al元素含量的變化對(duì)合金的顯微組織會(huì)產(chǎn)生明顯的影響[39]。Gussone等人[40]研究了激光功率對(duì)激光選區(qū)熔化TiAl基合金顯微組織的影響。在激光增材制造過(guò)程中，下層沉積時(shí)，已沉積層會(huì)發(fā)生部分重熔，因此，在沉積件中Al元素的損失量是不均勻的。Al含量隨能量密度以及預(yù)熱溫度的變化如圖5所示，在不同的預(yù)熱溫度條件下，隨著激光能量密度的增加，Al元素?fù)p失量明顯增多。因此，TiAl基合金的結(jié)晶過(guò)程發(fā)生改變，如圖6所示。在激光增材制造過(guò)程中，冷卻速度較快，熱傳遞沿著沉積方向進(jìn)行，溫度梯度較高，易形成柱狀晶組織。并且由于增材制造是逐層堆積的過(guò)程，后層沉積時(shí)，熱輸入將對(duì)已沉積層產(chǎn)生熱處理作用，影響沉積層的微觀組織。Qu等人[41]研究表明，激光熔化沉積的TiAl基合金呈現(xiàn)由α2相和γ相構(gòu)成的片層狀柱狀晶組織，并且具有各向異性的組織特征，如圖7所示，片層狀組織主要是固態(tài)相變的結(jié)果。由Ti-Al二元合金相圖可知，當(dāng)Al含量在46%～49%范圍內(nèi)時(shí)，TiAl合金發(fā)生α相凝固，即α→α2+γ。在激光增材制造過(guò)程中，后層沉積能夠使前一沉積層加熱到1 500 ℃左右，產(chǎn)生熱處理作用，發(fā)生α→α2+γ固態(tài)相變。α2相和γ相具有（0001）α2//（111）γ以及[1120]α2//[110]γ的位向關(guān)系，因此形成了α2相和γ相交替分布的片層狀組織[42-43]。

綜上可知，激光增材制造TiAl基合金，由于冷卻速度快、預(yù)熱溫度有限，易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，形成裂紋等缺陷。此外，激光能量密度高，容易造成Al元素的蒸發(fā)損失，影響合金的成分分布和微觀組織，制約了其進(jìn)一步的發(fā)展。

2.2.2 電子束增材制造TiAl合金

與激光增材制造相比，電子束增材制造的熔敷效率更高，且其預(yù)熱溫度高達(dá)1 100 ℃，可以減緩沉積件的應(yīng)力集中效應(yīng)，有利于加工制造塑性較差的合金材料，減少沉積件的開(kāi)裂傾向[44]。此外，電子束增材制造在真空環(huán)境中進(jìn)行，可以減少氮、氫、氧等雜質(zhì)元素的污染，適合鈦、鋁等活性金屬的制備加工。因此，電子束增材制造TiAl合金具有很大的優(yōu)勢(shì)。

電子束增材制造工藝參數(shù)眾多，其變化會(huì)對(duì)沉積件的熱循環(huán)過(guò)程產(chǎn)生顯著的影響，進(jìn)而影響合金沉積件的成分分布、組織形貌、相組成等。Schwerdtfeger等人[45]研究了電子束工藝參數(shù)對(duì)TiAl基合金微觀組織的影響，如表3所示。結(jié)果表明，工藝參數(shù)對(duì)TiAl基合金沉積件的成分分布和微觀組織產(chǎn)生顯著影響。在真空狀態(tài)下，蒸氣壓較高的合金元素更容易蒸發(fā)損失。Al元素和Nb元素成分分布圖譜如圖8所示，隨著線能量密度的增加，Al元素?fù)p失量加劇，合金的凝固過(guò)程發(fā)生改變，形成不同的組織。此外，由于熔池冷卻速度較快，合金元素沒(méi)有充分的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散，Al元素呈現(xiàn)不均勻分布特征，線能量越小，不均勻分布特征越明顯。通過(guò)優(yōu)化掃描路徑、減小返回時(shí)間、縮小掃描間距、充分利用前道沉積的殘余熱量，可以有效降低過(guò)熱層厚度，從而減少Al元素的蒸發(fā)損失量。此外，工藝參數(shù)的變化還會(huì)影響沉積件的溫度梯度、凝固速率等，最終形成不同的微觀組織。電子束流是電子束增材制造過(guò)程的一個(gè)重要的工藝參數(shù)，直接決定著能量輸入大小，影響沉積件的組織和性能。Yue研究[46]表明，在電子束增材制造TiAl基合金的過(guò)程中，隨著電子束流的增加，沉積件的Al元素含量不斷減少。因此，TiAl基合金的凝固過(guò)程發(fā)生改變，B2相和α2相數(shù)量隨之逐漸增多，γ相數(shù)量逐漸減小，如圖9所示。晶粒尺寸逐漸增大，微觀組織發(fā)生了顯著的變化。此外，在電子束增材制造TiAl基合金的過(guò)程中，冷卻速度較快，熔池快速凝固，導(dǎo)致在γ晶中生成大量的變形孿晶和位錯(cuò)，由于殘余應(yīng)力的作用，沉積件發(fā)生了回復(fù)和再結(jié)晶。隨著熱輸入的增加，熔池的溫度升高、冷卻速率降低，再結(jié)晶時(shí)間延長(zhǎng)，在殘余應(yīng)力的驅(qū)動(dòng)下，再結(jié)晶程度進(jìn)行得更加徹底，對(duì)沉積件的組織和力學(xué)性能產(chǎn)生影響[46]。此外，Tang[47]研究發(fā)現(xiàn)，在電子束增材制造TiAl合金的過(guò)程中，對(duì)每一沉積層進(jìn)行重新加熱處理，可以產(chǎn)生退火作用，有效地減少沉積層中的位錯(cuò)密度。

綜上，電子束增材制造具有預(yù)熱溫度高、保護(hù)效果好以及沉積速度快等優(yōu)點(diǎn)。但是，電子束增材制造也存在一些自身固有的缺陷：電子束能量密度較高，并且在真空環(huán)境條件下工作，在增材制備TiAl基合金的過(guò)程中，更易造成蒸氣壓較高的Al元素?fù)p失，影響合金的成分、組織以及性能的均勻性。

2.2.3 電弧增材制造TiAl合金

電弧增材制造是以電弧作為熱源，在金屬基板上，按照設(shè)定路徑對(duì)熔化的金屬焊絲進(jìn)行逐層熔敷堆積成形的技術(shù)。與其他成形技術(shù)相比，具有成形速度快、成本低、材料利用率高且不易污染等優(yōu)點(diǎn)[48-50]。目前，電弧增材制造TiAl合金的相關(guān)研究還十分有限，僅有澳大利亞臥龍崗大學(xué)對(duì)TIG電弧增材TiAl合金進(jìn)行了部分基礎(chǔ)研究。

電弧增材制造技術(shù)使用兩個(gè)獨(dú)立的送絲機(jī)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整送絲速度，按照一定的比例，分別將鈦絲和鋁絲添加到電弧熔池中，逐層沉積，實(shí)現(xiàn)增材制造TiAl合金。在電弧增材制造過(guò)程中，隨著沉積高度的增加，沉積層的熱循環(huán)條件、成分分布等發(fā)生變化，造成了微觀組織的差異。澳大利亞臥龍崗大學(xué)的Ma等人[51]研究了電弧增材制造TiAl合金微觀組織的變化。由于增材制造逐層沉積、反復(fù)加熱的固有特性，沿著沉積方向，TiAl合金的成分、熱循環(huán)條件存在差異。電弧增材的冷卻速率相對(duì)較快，合金處于非平衡凝固狀態(tài)，存在成分偏析現(xiàn)象，微觀組織發(fā)生了明顯的變化。電弧增材制造TiAl合金橫截面宏觀形貌和微觀組織如圖10所示，根據(jù)組織差異，可以將沉積層分為三個(gè)部分：由等軸α2相和分布在晶界的γ板條組成的近基板區(qū)、全片層組織和枝晶間γ相組成的層帶區(qū)以及由細(xì)小樹(shù)枝晶和枝晶間γ相組成的頂層區(qū)。沿著沉積方向，各相的體積分?jǐn)?shù)也發(fā)生了變化，α2相依次減少，γ相逐漸增多。TiAl合金的成分變化對(duì)合金的相組成產(chǎn)生顯著影響。

在電弧增材制造中，鈦絲和鋁絲的送絲比例決定沉積件的化學(xué)成分，進(jìn)而影響合金的微觀組織。Ma等人也研究了Al/Ti比值對(duì)合金微觀組織的影響[52]。結(jié)果表明，沿著沉積方向，除近基板區(qū)外，沉積層其他大部分區(qū)域的化學(xué)成分均勻分布。在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，Al/Ti比值的變化未對(duì)電弧增材制造TiAl合金的微觀組織形貌產(chǎn)生明顯的影響。但是，各相體積分?jǐn)?shù)發(fā)生明顯改變，如圖11所示，隨著Al/Ti比值的增加，Al含量增加，α2相逐漸減少，γ相逐漸增多。熱循環(huán)條件影響合金的相轉(zhuǎn)變過(guò)程、應(yīng)力分布等。在增材制造過(guò)程中，層間溫度顯著影響著沉積件的熱循環(huán)條件，通過(guò)控制層間溫度可以改變合金的相變停留時(shí)間以及冷卻速率，進(jìn)而減少殘余應(yīng)力，降低裂紋形成傾向，改善沉積件的微觀組織。Ma等人[53]研究表明，在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)（100～500 ℃），改變層間溫度，電弧增材制造TiAl合金沉積件的微觀組織和化學(xué)成分未發(fā)生明顯變化。然而，隨著層間溫度的升高，冷卻速率逐漸減小，促進(jìn)了γ相的增加，α2相的減少。但是，當(dāng)層間溫度升高到500 ℃時(shí)，沉積件的冷卻速率不能進(jìn)一步降低，各相的體積分?jǐn)?shù)沒(méi)有進(jìn)一步發(fā)生改變。由于冷卻速率相對(duì)較大，電弧增材制造TiAl合金也存在偏析和殘余應(yīng)力現(xiàn)象，發(fā)生非平衡凝固，形成非平衡組織，對(duì)合金的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。

雖然電弧增材制造TiAl合金具有熔敷效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是研究起步較晚，還處于初級(jí)階段。并且該工藝還存在一定的局限性，如：怎樣定量添加合金元素以改善合金的組織性能等問(wèn)題，還需要進(jìn)一步深入研究。

3 力學(xué)性能

目前，對(duì)于增材制造TiAl基合金的力學(xué)性能研究的熱點(diǎn)主要集中在其室溫力學(xué)性能方面。傳統(tǒng)工藝與激光熔化沉積制備的TiAl基合金的力學(xué)性能對(duì)比如表4所示[41]。可以發(fā)現(xiàn)，晶粒尺寸越小，室溫力學(xué)性能越好。與傳統(tǒng)工藝相比，增材制造過(guò)程的冷卻速率更大，晶粒尺寸相對(duì)更小。根據(jù)Hall-Petch公式，晶粒尺寸越小，材料的抗拉強(qiáng)度越高，細(xì)小的晶粒對(duì)增材制造TiAl基合金的力學(xué)性能產(chǎn)生有利的影響。但是，片層狀微觀組織的變形能力較差，導(dǎo)致增材制造TiAl合金的室溫延展性較差[54]。由表4還可知，激光增材制造TiAl基合金的力學(xué)性能呈現(xiàn)各向異性，這主要是微觀組織的各向異性造成的。此外，電子束增材以及電弧增材制造TiAl合金也均呈現(xiàn)出力學(xué)性能的各向異性特征[51]。

工藝參數(shù)影響熱輸入量大小，并且與TiAl合金中Al元素的損失量以及冷卻速率的大小密切相關(guān)，進(jìn)而對(duì)合金的微觀組織和力學(xué)性能產(chǎn)生影響。Yue等人[46]研究了電子束流對(duì)電子束增材制造TiAl基合金組織和性能的影響。結(jié)果表明，隨著電子束流的增加，增材制造TiAl基合金中硬脆的B2相和α2相隨之增加，γ相減少，導(dǎo)致TiAl合金的壓縮強(qiáng)度以及壓縮應(yīng)變也隨之逐漸減小，如圖12所示。在壓縮過(guò)程中，晶界處硬脆的B2相不易變形，造成應(yīng)力集中，弱化了晶界的連續(xù)性，易產(chǎn)生晶界裂紋，并且隨著電流的增加，晶粒尺寸逐漸增大，也對(duì)合金的壓縮性能造成不利影響[55-56]。合適的熱處理工藝可以降低沉積件的殘余應(yīng)力、消除缺陷、改善合金的組織性能。Ma等人[58]研究了熱處理對(duì)電弧增材制造TiAl合金組織和性能的影響。熱處理前后試樣不同方向的室溫力學(xué)性能如圖13所示，在1 060 ℃、保溫24 h的條件下，組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的全片層組織，組織的各向異性明顯改善，室溫抗拉強(qiáng)度明顯提升;當(dāng)熱處理?xiàng)l件為1 200 ℃、保溫24 h時(shí)，獲得等軸狀γ晶組織，合金的室溫延展性明顯改善，但抗拉強(qiáng)度略微降低。此外，添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪匾材芨纳芓iAl合金的力學(xué)性能。已有的研究表明[59]，V元素可以占據(jù)γ相中的Al原子的亞點(diǎn)陣，提高Ti原子電子云分布的對(duì)稱性，有利于提高TiAl合金的延展性，是有益的合金元素。Wang等人[60]通過(guò)使用Ti6Al4V焊絲代替純Ti焊絲，在電弧增材制備TiAl合金中引入了V合金元素，研究了V元素對(duì)TiAl合金的影響。結(jié)果表明，TiAl合金沉積件的相組成未發(fā)生改變，仍由α2相和γ相組成，但是微觀組織形貌發(fā)生了顯著改變，電弧增材制備TiAl合金的枝晶間γ相基本消失，由全片層組織組成的帶狀區(qū)以及等軸α2相和晶界處細(xì)小的γ板條組成的層狀區(qū)組成。然而，合金化方法也會(huì)對(duì)TiAl合金的性能產(chǎn)生不利影響，如B元素有效細(xì)化晶粒尺寸，提高合金性能，然而，與此同時(shí)形成的硼化物會(huì)引起材料的應(yīng)力集中，成為裂紋形核點(diǎn)，造成合金的開(kāi)裂[61-62]。熱等靜壓處理可以減少裂紋、氣孔等缺陷，提高增材制造TiAl合金的致密度，改善力學(xué)性能;然而，熱等靜壓只可以有效減少350 μm以下的微孔，對(duì)于一些較長(zhǎng)的裂紋，效果不明顯，不能穩(wěn)定改善合金的力學(xué)性能[40]。

上述研究結(jié)論對(duì)如何改善增材制造TiAl合金室溫力學(xué)性能有一定的啟示作用。通過(guò)優(yōu)化工藝、熱處理以及合金化等方法，可以有效地改善增材制造TiAl合金的力學(xué)性能。

TiAl合金的雙相組織具有工程應(yīng)用價(jià)值。對(duì)于TiAl雙相合金，影響其延展性的因素主要有以下四個(gè)方面[18-63]：（1）晶粒尺寸。細(xì)化晶粒尺寸，可以有效改善合金的延展性。隨著晶粒尺寸的減小，晶界數(shù)量增加，有利于合金變形協(xié)調(diào)性，進(jìn)而改善合金的延展性。（2）片層組織與γ晶的體積比（L/γ）。片層狀組織能夠促進(jìn)γ相等軸晶的變形，當(dāng)L/γ比值為0.3～0.4時(shí)，合金的延展性最大，而L/γ比值取決于α2/γ比值，當(dāng)α2/γ為3%～15%，合金的延展性較好，這兩個(gè)比值都取決于合金中的Al元素含量，研究表明，當(dāng)Al含量為48%，延展性較好。（3）γ相的晶格常數(shù)。面心正方結(jié)構(gòu)的γ相的正方比c/a對(duì)合金的延展性有顯著的影響。c/a隨著Al元素含量的減小而減小，減小c/a或增加晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，可以改善合金的延展性。（4）雜質(zhì)含量。TiAl合金中的氧、氫等雜質(zhì)元素增加了合金中α2相的脆性，顯著降低合金的塑性變形能力，因此，可以通過(guò)控制雜質(zhì)含量，改善合金的塑性。

TiAl合金的抗拉強(qiáng)度與化學(xué)成分、晶粒尺寸、片層間距等因素密切相關(guān)。TiAl合金中的Al含量影響初始析出相以及隨后的相變過(guò)程，隨著Al含量的減少，α2相數(shù)量逐漸增多，γ相數(shù)量逐漸減少。相對(duì)于γ相，α2相的位錯(cuò)滑移的臨界剪切應(yīng)力更大[64]。因此，在一定范圍內(nèi)增加α2相體積分?jǐn)?shù)，可以提高合金的顯微硬度和抗拉強(qiáng)度。Cha等人[65]對(duì)片層狀組織的TiAl合金研究表明，合金的強(qiáng)度與兩相體積分?jǐn)?shù)以及片層厚度密切相關(guān)，當(dāng)α2相體積分?jǐn)?shù)較大時(shí)，α2相板條寬度是影響合金強(qiáng)度的主要因素。此外，片層狀組織中的γ相晶粒尺寸也對(duì)合金的強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的影響。細(xì)小的γ相板條可以阻礙位錯(cuò)的滑移，甚至抑制位錯(cuò)的形成，并且阻礙裂紋的擴(kuò)展，改善合金強(qiáng)度。冷卻速率越大，片層間距越小，合金的抗拉強(qiáng)度越好[66]。

考慮到TiAl合金復(fù)雜的高溫服役環(huán)境，合金的蠕變、疲勞等性能也非常重要，決定著試件的應(yīng)力水平以及使用壽命，但是對(duì)于增材制造TiAl合金的上述性能的研究還十分有限。

TiAl合金的蠕變性能主要與微觀組織形貌以及Al含量密切相關(guān)。隨著Al含量的增加，合金的抗蠕變性能也隨之增加[67]。大量研究表明，晶粒尺寸對(duì)蠕變速率的影響作用不明顯，交錯(cuò)的鋸齒狀晶界可有效降低TiAl合金的蠕變速率。全片層組織的抗蠕變性能明顯優(yōu)于其他組織，這主要與α2相的強(qiáng)化作用以及全片層組織對(duì)位錯(cuò)滑移和攀移的阻礙作用緊密相關(guān)。此外，片層位向也對(duì)合金的蠕變速率具有顯著的影響，硬位向的蠕變抗力明顯高于軟位向[68]。雖然全片層組織的合金具有較好的抗蠕變性能，但是全片層組織的晶粒尺寸較大，室溫力學(xué)性能較差，因此，可以采用細(xì)化全片層組織的方法，獲得具有良好抗蠕變、抗拉強(qiáng)度以及延展性能的TiAl合金[69]。

影響TiAl合金疲勞性能的因素與蠕變相似。雙態(tài)組織的疲勞裂紋擴(kuò)展速率較高，而裂紋在全片層組織中的擴(kuò)展較慢。疲勞裂紋一般起源于組織的缺陷（氣孔、夾雜等），這些位置應(yīng)力集中較大，加劇了合金的失效進(jìn)程。因此，對(duì)于本征脆性較大的TiAl合金，應(yīng)該盡量消除合金中形成的缺陷。此外，TiAl合金的表面狀態(tài)也對(duì)合金疲勞性能有顯著影響。改善合金表面的粗糙度，降低表面的應(yīng)力集中，可以減少、延緩裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，提高合金的抗疲勞性能[70-71]。

4 結(jié)論與展望

與傳統(tǒng)TiAl合金制備工藝相比，增材制造TiAl合金具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。TiAl合金的幾種增材制備工藝各具優(yōu)勢(shì)、相互補(bǔ)充，但研究還十分有限，仍有很多問(wèn)題需要探討和解決。

在增材制造TiAl合金過(guò)程中，沉積件經(jīng)歷反復(fù)加熱、冷卻，溫度場(chǎng)分布復(fù)雜，殘余應(yīng)力較大，成分分布不均勻，嚴(yán)重制約著成形件的質(zhì)量。通過(guò)優(yōu)化增材路徑，采用焊前預(yù)熱、層間冷卻以及焊后熱處理等手段，有利于改善組織，減少增材制造沉積件的殘余應(yīng)力，降低合金的開(kāi)裂傾向。若將上述方法相結(jié)合，應(yīng)能更好地改善增材制造沉積件的殘余應(yīng)力分布，但是該過(guò)程較為復(fù)雜，還需要進(jìn)一步深入研究。

考慮到TiAl合金的服役環(huán)境，應(yīng)對(duì)拉伸、蠕變、疲勞等力學(xué)性能進(jìn)行全面研究。采用優(yōu)化工藝參數(shù)、合金化、熱處理等手段，可以減少缺陷，改善成形質(zhì)量、微觀組織以及力學(xué)性能。但是，影響增材制造TiAl合金力學(xué)性能的因素復(fù)雜，在提高一種力學(xué)性能的同時(shí)，可能會(huì)降低另一種力學(xué)性能。如何獲得綜合力學(xué)性能優(yōu)異的TiAl合金沉積件，是增材制造TiAl合金技術(shù)的核心技術(shù)瓶頸。

在增材制造過(guò)程中，原材料的成分對(duì)于成形件組織性能的影響很大。合金化是一種非常重要的方法，可以改善TiAl合金的組織性能。激光增材和電子束增材技術(shù)采用金屬粉末制備TiAl基合金，與之相比，電弧增材技術(shù)采用異種雙絲熔合制備TiAl合金，只能采用現(xiàn)有的鈦合金、鋁合金焊絲代替純鈦、純鋁焊絲進(jìn)行合金化，合金化元素種類十分有限，并且不易控制合金化元素含量，無(wú)法有效地改善成形件的組織性能。因此，應(yīng)開(kāi)發(fā)出電弧增材制造專用焊絲，以滿足電弧增材制造TiAl合金的要求，獲得成形質(zhì)量、綜合力學(xué)性能優(yōu)異的TiAl基合金成形件。

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