引用本文：

田文琦，杨冬野，李九霄.高能束增材制造钛铝合金的研究进展[J].机械工程材料，2021，45（6）：1-7.

Tian W Q, Yang D Y, Li J X.Research Progress on Ti-Al Alloy Prepared by High-Energy Beam Additive Manufacturing Technique, 2021, 45（6）：1-7.

DOI：10.11973/jxgccl202106001

      选区激光熔化和电子束选区熔化增材制造是较理想的先进高能束增材制造技术。选区激光熔化和电子束选区熔化制备钛铝合金的组织细小，力学性能明显优于铸造合金的，成形后通过合理的热处理工艺，合金能获得良好的高温抗蠕变性能和延展性。高能束增材制造技术很好地解决了传统钛铝合金构件成形问题。综述了钛铝预合金粉末的制备工艺、选区激光熔化和电子束选区熔化技术的工艺和应用以及钛铝合金的组织和性能的研究进展，指出了未来在高能束增材制造钛铝合金方面的研究方向。

01TiAl预合金粉末的制备

     钛铝预合金粉末主要由α2相和γ相组成。冷却过程的冷却速率过快时，α2 相增多，粉末粒径减小；冷却速率不变时，随着凝固时间延长，晶粒由平面晶向胞晶和枝晶转变，γ相增多，α2相减少。与铸态组织相比，由细小板条状α2/γ相及γ相组成的近片层组织更为细小且发育不完全，经热处理后可得到细小的全片层组织。一般增材制造选用的预合金粉末粒径在5~150μm。

      高能束增材制造钛铝合金所需预合金粉末的常用制备方法有电极感应熔炼气雾化法、惰性气体气雾化法和等离子旋转电极法等。电极感应熔炼气雾化法和惰性气体气雾化法制备的预合金粉末具有球形度高、晶粒细小、成分均匀性好等特点。采用电极感应熔炼气雾化法制备预合金粉末时，先通过感应线圈将旋转的电极棒熔化并形成细小的金属液流，再通过高压气体雾化使金属液滴破碎形成粉末；该技术制备粉末时的气液比很大，粉末空心率较高，在增材制造合金时容易产生孔隙等缺陷。采用惰性气体气雾化法制备预合金粉末时，适当增大雾化压力、提高熔体过热度、减小喷嘴直径均有利于减小粉末粒径，使得增材制造得到的合金晶粒更细小，性能更优异；但雾化过程中惰性气体容易形成空心粉末，影响增材制造钛铝合金的显微组织。通常惰性气体中氩气的质量分数不超过2μg·g-1，通过合理设计雾化器结构和优化雾化工艺可将氩气质量分数控制在0.2 μg·g-1以内。采用等离子旋转电极法制备预合金粉末时，受限于电极转速，制备得到的预合金粉末粒径较大，增材制造得到的合金晶粒尺寸较大，且生产效率较低；但该方法是一种真空制备方法，不需要高速惰性气流，可以直接分散金属液流并使其雾化，从而避免空心粉末的产生，同时真空环境还能降低合金液滴飞行过程中的冷却速率。蔡学章等采用氩气保护气氛提高了粉末的冷却速率，达到了气雾化强对流冷却的快冷效果。

      预合金粉末粒径越小，比表面积越大，表面能越大，吸附氧的能力越强。增材制造合金的力学性能受到预合金粉末中氧元素含量的影响。LI等指出预合金粉末中氧含量较高时，增材制造钛铝合金中会出现球形微孔，导致合金致密性降低。GUSSONE等采用γ-TiAl粉末通过SLM技术制备β-TiAl基合金，发现粉末中氧含量较低时，在850℃时合金可获得较高的抗拉强度，约为545MPa，氧含量增大时，合金脆性明显增大。

02钛铝合金的高能束增材制造工艺

     目前高能束增材制造钛铝合金的方法主要有激光近净成形、激光熔化沉积、SLM、EBSM和电子束熔丝成形等，其中SLM和EBSM制备钛铝合金已有较为深入的研究。

2.1SLM 技术

     德国Fraunhofer研究所于1995年首次提出了SLM技术，德国MCP-HEK公司于2003年推出了第一台SLM系统。SLM系统采用高功率、高密度激光对金属粉末逐点、逐线、逐层熔化，从而制备得到致密的精密复杂构件。SLM工艺光斑直径小、扫描速度快，适用于复杂形状构件的制造，且得到的构件尺寸精度高，力学性能优异，经抛光或简单表面处理后就可直接使用。

     在SLM过程中激光对先前固化的凝固层反复加热，然后冷却，堆积的凝固层容易产生较大的热应力，同时激光能量密度高，容易造成铝元素的蒸发损失，影响成分分布和显微组织,进而影响成形后合金的力学性能。SRIVASTAVA 等发现随着SLM沉积层数的增加，残余应力增大，裂纹数量增加且长度增大。LIU等研究发现，激光能量增加时，钛铝合金成形件的裂纹形成倾向减小，但不能完全消除。石文天等研究发现，SLM过程中铝元素的分布不均使得合金温度梯度增大，合金的内应力增加，导致裂纹萌生。LI等通过提高SLM的激光体积能量密度，有效抑制了裂纹产生。采用基板预热、预烧结、重熔等工艺也可以减少裂纹产生。基板预热降低了残余应力，预烧结降低了温度梯度，二者结合会大大减小裂纹的萌生倾向。

2.2电子束选区熔化

     材料对电子束能的吸收率较激光高，反射较小，因此电子束可使熔池产生更高的温度，从而对粉末层产生更好的预热效果。在EBSM过程中，预置的粉末层会在电子束的作用下溃散，产生“吹粉”现象，导致成形件形成孔隙缺陷，甚至使成形中断或失败。郭超等将球形粉末与非球形粉末按一定比例混合后，粉末流动性降低，有效防止了成形过程中“吹粉”现象的出现；沉积前采用电子束预热底板或采用电子束光栅式扫描预热粉末层均可以防止粉末层的溃散。球化效应是电子束选区熔化过程经常出现的现象，会导致成形件中出现孔隙缺陷，通过对成形件进行热等静压处理，可使部分孔隙闭合。

     MURR等发现EBSM技术可用于制造近净形和复杂结构的组织呈等轴晶的钛铝合金件。TANG等采用较高的预热温度和热等静压处理有效释放了增材制造过程中粉末层之间累积的热应力，避免了成形件中裂纹的产生。SCHWERDTFEGER等通过改变粉末层厚度和激光束参数，降低了熔池过热度，从而降低了铝元素的损失，获得了含高含量γ相的显微组织，这一发现为调控近净成形钛铝合金的显微组织提供了参考。

03高能束增材制造钛铝合金的组织和性能

     采用SLM技术制备的钛铝合金通常为等轴晶组织，组织呈精细的近片层状结构，且随着热输入能量密度的增加，晶体织构由强取向向弱取向转变。QU等研究表明，激光熔化沉积钛铝基合金的组织为近片层状柱状晶组织，由α2 相和γ相组成，呈各向异性。在SLM过程中，激光束能量和预热温度会影响钛铝合金的组织及硬度。随着能量密度增加，液相的熔融持续时间延长，包晶反应更易进行，因此α2相含量增多，γ相和B2相含量减少；与B2相相比，α2相和γ相较硬，因此随着能量密度增加，钛铝合金的硬度降低。LI等研究了不同基体预热温度下SLM制备Ti-45Al-2Cr-5Nb合金的物相组成和力学性能，发现随着预热温度升高，α2相减少，γ相和B2相增多，纳米硬度增大。LI等研究发现，SLM过程中，随着激光扫描速度加快，γ相和B2相的含量增加，亚晶界的迁移速率降低，晶粒尺寸减小，晶界数量增加；晶界的增加有效阻碍了位错的移动，从而提高了合金的极限应变、硬度和抗压强度。SRIVASTAVA 等研究了SLM 制备Ti-48Al-2Mn-2Nb合金退火后的组织，发现退火温度为973K时合金组织保持稳定，1073K 退火24h后得到了成分均匀的完全再结晶组织，退火温度为1273K时晶粒明显粗化。

     YOUN等研究发现，EBSM制备的钛铝基合金由于冷却速率快，组织主要为由等轴γ相和α2相组成的近γ片层状结构，α2相存在于等轴γ相界面上；该合金能产生较大的塑性变形，在900℃以上时会发生动态再结晶，且动态再结晶发生在片层状结构弯曲后；位错滑移和形变孪晶是其主要的高温变形机制。MURR等以不同粒径预合金粉末为原料，采用电子束快速成形技术制备了钛铝合金，发现合金组织由细小的板条α2/γ相及等轴γ相组成，在等轴γ相中还发现了形变孪晶。杨鑫等和YUE等研究发现，在EBSM过程中，随着电子束流强度增加，钛铝合金的铝元素含量减少，γ相减少，B2相和α2相增多；同时随着电子束流强度增大，冷却速率减小，晶粒生长和再结晶时间延长，再结晶进行得更充分，晶粒更为细小。CHEN等发现在EBSM过程中，Ti-47Al-2Cr-2Nb合金发生了3种相变，分别为α2→γ、α2→B2和α2+γ→B2。EBSM成形过程中较快的冷却速率会使钛铝合金形成细小的片层状组织，有利于提高钛铝合金的延展性和强度。

     由表1可以看出：SLM制备钛铝合金的力学性能明显高于采用传统铸造方法制备的。SLM过程中高密度能量的输入和热效应使得钛铝合金发生复杂的相变，导致其具有较高的开裂倾向。研究人员主要采取改善合金成分、优化工艺参数，以及增加热处理(包括合金粉末预热、制备过程中原位热处理和制备后热处理)等方式避免裂纹产生提高合金力学性能。例如在SLM成形技术中，通过将基板预热到200℃后缓慢冷却，从而实现降低温度梯度、减小残余应力和裂纹萌生倾向的目的。LI等指出SLM加工由于热应力较大，合金可获得较大的残余压应力，因此硬度较高。ISMAEE等研究了铌含量对SLM制备Ti-Al-Mn-Nb合金性能的影响，发现铌含量(原子分数)为7.0%时合金的综合性能最好，这是由于随着铌含量增加，凝固温度范围缩小，晶粒细化，同时α2-Ti3Al相显著增多，形成近层状结构，使得合金具有较高的硬度、抗拉强度、塑性变形能力以及良好的摩擦学性能和耐高温氧化性能。KENEL等采用SLM制备了Ti-45Al-3Nb-Y2O3合金，采用分层再扫描策略，发现在没有预热基板的情况下合金的开裂倾向大大减小。GUSSONE等分别采用SLM+原位热处理和SLM+热等静压的方法制备得到高性能的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金，有效避免了裂纹的产生。

表1 SLM、EBSM 以及传统铸造工艺制备钛铝合金的组织和性能

     在EBSM过程中采用较高的粉末预热温度，可以减缓沉积件的应力集中，减小裂纹萌生倾向。电子束能量密度和强度均会影响钛铝合金的力学性能。随着电子束流增大，细小的α2相、B2相增多。α2片晶会阻碍位错滑移，导致应力集中，使得晶界处产生裂纹，从而降低合金塑性。TANG等采用较高的粉末预热温度并对EBSM过程中的每一凝固层进行再加热，发现EBSM过程中产生的热应力得到有效释放,避免了裂纹的产生。EBSM工艺的高温和真空环境会导致铝元素蒸发，使得钛铝合金具有较高的屈服强度。YOUN等发现在600℃下，EBSM制备的钛铝合金具有较高的塑性和抗拉强度。但KIM等研究发现，EBSM制备的Ti-48Al2Cr-2Nb合金在750℃时的抗拉强度较低，抗蠕变性能较差，同时合金出现了屈服应力异常，因此该合金难以用于高温环境。EBSM制备的合金在高温变形过程中，位错滑移和形变孪晶是其主要的变形机制，等轴晶粒中存在的形变孪晶可以释放烧结过程产生的内应力，提高合金的塑性变形能力，同时促进位错滑移，提高了合金的延展性。KIM等通过两步热处理法制备了钛铝合金，发现该合金组织呈近薄层状结构，该结构提高了合金的高温抗蠕变性能，同时保持了室温塑性。通常SLM技术制备钛铝合金的成形温度约为200℃，冷却速率为105~108K·s-1；EBSM技术的成形温度为680~720℃，冷却速率为103~105K·s-1。冷却速率较慢的EBSM技术制备的钛铝合金中裂纹萌生倾向更小。

04高能束增材制造技术的应用

4.1SLM 技术的应用

     与国外相比，国内对SLM增材制造技术在钛铝合金结构件上的应用研究起步虽晚，但取得了丰硕的成果。2007年，张莹等在国内率先提出了以获得极高(与锻件相当)性能构件为目标的激光熔化成形技术，制造的大型飞机用钛铝合金翼梁缘条的力学性能优异。AN等和LI等在国际上首次解决了激光增材制造大型钛合金关键构件质量低、性能差和难以用作关键主承载结构件的难题。未来可以通过开展SLM技术制备各种钛铝合金航空航天零件，如叶片、涡轮盘等,通过结构设计、模拟与制造方法的研究，解决大尺寸零件中的残余应力高、开裂倾向大等问题。

4.2EBSM技术的应用

     2005年，CALRAM公司采用EBSM工艺成功制备了钛铝合金涡轮叶片。意大利AVIO公司采用电子束增材制造技术制备了结构复杂的钛铝合金构件，并成功应用在新一代航空发动机上。

     郭超等提出可以利用2种或2种以上的材料通过增材制造来制备梯度材料，满足一些较为复杂的工作环境要求，如在发动机叶片与榫头处使用EBSM技术制备钛铝合金和钛合金梯度材料，得到的过渡区致密无裂纹。目前,我国已经突破并掌握了EBSM的电子束精确扫描、精密铺粉以及数据处理软件等的核心技术，研制出了钛铝合金减振梁和低压涡轮叶片结构件，这展现了EBSM技术在复杂零件制造上的应用潜力，并且该技术有望实现在航空航天等领域的进一步应用。

05结束语

     钛铝预合金粉末制备技术、SLM 和EBSM增材制造技术的成熟，为高能束增材制造技术制备钛铝合金提供了良好的原材料制备和技术基础。SLM和EBSM熔化技术因冷却速率快，制备得到的合金组织细小，力学性能明显优于铸造钛铝合金的；成形后通过合理的热处理工艺，合金还能获得良好的高温抗蠕变性能和延展性。国内外学者在SLM和EBSM制备钛铝合金方面开展了大量的研究，在解决球化效应、孔隙、裂纹以及铝元素烧损等问题方面都取得了较大的进步。采用平台预热和中间再加热等方法能有效释放增材制造过程的热应力，减小裂纹的萌生倾向。利用高能束增材制造技术很好地解决了传统钛铝合金构件的成形问题，但在EBSM成形设备研发方面仍存在问题。在EBSM成形设备的研发方面应主要开展以下方面的研究：设备的自动化、设备的智能化、设备与其他增材制造技术相结合等。