田文琦，楊冬野，李九霄

(上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院，上海 201620)

0 引 言

鈦鋁合金具有密度低，比強(qiáng)度高，高溫抗蠕變和抗氧化良好等優(yōu)異性能，在汽車和航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]，主要用于航天飛行器蒙皮、噴嘴和熱保護(hù)系統(tǒng)(TPS)等高溫結(jié)構(gòu)件。DUWEZ[4]于1952年首次報(bào)道了鈦鋁二元合金中存在γ-TiAl相，觀察了γ-TiAl相的結(jié)構(gòu)并測定了晶格參數(shù)。1956年，MCANDREW等[5]研究發(fā)現(xiàn)，γ-TiAl基合金在950 ℃下具有良好的抗蠕變和抗氧化性能。1970年開始，研究者們對鈦鋁合金的制備工藝、組織和性能開展了較多的研究工作。然而，鈦鋁合金較差的室溫塑性和較高的脆性導(dǎo)致其塑性加工非常困難，使得采用傳統(tǒng)成形工藝包括精密鑄造、鑄錠冶金和粉末冶金等[6-13]制備鈦鋁合金受到限制[14-15]。但是，在精密鑄造熔煉過程中極易引入氧、氮等有害元素，導(dǎo)致充型過程熔體的流動性較差。雖然提高熔體溫度可以改善流動性，但容易產(chǎn)生疏松和熱裂紋等冶金缺陷，得到的合金的晶粒較為粗大。傳統(tǒng)冶金工藝復(fù)雜、成本較高、材料利用率低，所得鑄錠需要進(jìn)行復(fù)雜的機(jī)加工。為了解決以上難題，學(xué)者們研發(fā)了多種新工藝，如熱壓、熱等靜壓、放電等離子燒結(jié)以及高能束增材制造等。其中，高能束增材制造得到了廣泛的關(guān)注，成為近年來的研究熱點(diǎn)。

目前，關(guān)于增材制造鈦鋁合金方面的研究較多。SRIVASTAVA等[16]采用激光熔覆增材制造技術(shù)制備了Ti-48Al-2Mn-2Nb合金，分析了增材制造及熱處理工藝對合金組織的影響，通過改變激光功率、掃描速度以及后續(xù)的熱處理工藝改善了組織均勻性，獲得了晶粒細(xì)小的顯微組織。ABE等[17]、SRIVASTAVA等[18]、BIAMINO等[19]分別采用電子束選區(qū)熔化(EBSM)和選區(qū)激光熔化(SLM)技術(shù)制備了Ti-48Al-2Cr-2Nb合金，研究了該合金的室溫和高溫力學(xué)性能。KIM等[20]和YOUN等[21]對EBSM技術(shù)制備的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的熱處理工藝和熱變形行為進(jìn)行了深入研究。

在Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的基礎(chǔ)上，學(xué)者們通過添加鈮、釔、鉬、硼、硅、鎢等元素，提高了增材制造鈦鋁合金的延展性。TANG等[22]指出EBSM技術(shù)制備的含鈮鈦鋁合金較不含鈮的具有更高的高溫抗氧化性能和高溫蠕變強(qiáng)度。LI等[23]研究發(fā)現(xiàn)，隨著硼含量增加，SLM制備鈦鋁合金的晶粒尺寸減小，抗壓強(qiáng)度增大。QU等[24]研究表明，鈮和鎢可以提高SLM制備鈦鋁合金的高溫抗氧化性能，釔和釩可以改善合金的延展性，硼和硅可以減小晶粒尺寸，提高合金的力學(xué)性能。

LI等[6]研究表明，TiB2會影響SLM制備鈦鋁基合金的織構(gòu)演變和相變，隨著TiB2含量增加，合金晶粒尺寸減小，晶體擇優(yōu)取向發(fā)生轉(zhuǎn)變，納米硬度增大。LI等[25]通過SLM技術(shù)制備了TiAl/RGO復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)隨著激光線掃描間距增大，復(fù)合材料的晶粒尺寸減小，納米硬度和彈性模量增大。MA等[26]通過引入TiC球形顆粒有效增強(qiáng)了鈦鋁合金的抗熱震性。

增材制造技術(shù)通過產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)模型逐層堆積出形狀復(fù)雜的零件，適用于制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成形難度大的鈦鋁合金構(gòu)件，同時(shí)該技術(shù)給鈦鋁合金零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了廣闊的空間。目前，高能束增材制造鈦鋁合金主要采用粉末床方式送粉，熱源主要為電弧、激光和電子束等，其中SLM和EBSM技術(shù)是目前的研究熱點(diǎn)。為了給廣大研究人員提供參考，作者綜述了目前國內(nèi)外高能束增材制造(包括SLM和EBSM)鈦鋁合金的研究進(jìn)展，并指出了未來的研究方向。

1 TiAl預(yù)合金粉末的制備

鈦鋁預(yù)合金粉末主要由α2相和γ相組成。冷卻過程的冷卻速率過快時(shí)，α2相增多，粉末粒徑減??；冷卻速率不變時(shí)，隨著凝固時(shí)間延長，晶粒由平面晶向胞晶和枝晶轉(zhuǎn)變，γ相增多，α2相減少。與鑄態(tài)組織相比，由細(xì)小板條狀α2/γ相及γ相組成的近片層組織更為細(xì)小且發(fā)育不完全，經(jīng)熱處理后可得到細(xì)小的全片層組織。一般增材制造選用的預(yù)合金粉末粒徑在5150 μm[27]。

高能束增材制造鈦鋁合金所需預(yù)合金粉末的常用制備方法有電極感應(yīng)熔煉氣霧化法、惰性氣體氣霧化法和等離子旋轉(zhuǎn)電極法等[28]。電極感應(yīng)熔煉氣霧化法和惰性氣體氣霧化法制備的預(yù)合金粉末具有球形度高、晶粒細(xì)小、成分均勻性好等特點(diǎn)[19,29-30]。采用電極感應(yīng)熔煉氣霧化法制備預(yù)合金粉末時(shí)，先通過感應(yīng)線圈將旋轉(zhuǎn)的電極棒熔化并形成細(xì)小的金屬液流，再通過高壓氣體霧化使金屬液滴破碎形成粉末；該技術(shù)制備粉末時(shí)的氣液比很大，粉末空心率較高，在增材制造合金時(shí)容易產(chǎn)生孔隙等缺陷。采用惰性氣體氣霧化法制備預(yù)合金粉末時(shí)，適當(dāng)增大霧化壓力、提高熔體過熱度、減小噴嘴直徑均有利于減小粉末粒徑，使得增材制造得到的合金晶粒更細(xì)小，性能更優(yōu)異；但霧化過程中惰性氣體容易形成空心粉末，影響增材制造鈦鋁合金的顯微組織。通常惰性氣體中氬氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過2 μg·g-1，通過合理設(shè)計(jì)霧化器結(jié)構(gòu)和優(yōu)化霧化工藝可將氬氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.2 μg·g-1以內(nèi)[27]。采用等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備預(yù)合金粉末時(shí)，受限于電極轉(zhuǎn)速，制備得到的預(yù)合金粉末粒徑較大，增材制造得到的合金晶粒尺寸較大，且生產(chǎn)效率較低[28]；但該方法是一種真空制備方法，不需要高速惰性氣流，可以直接分散金屬液流并使其霧化，從而避免空心粉末的產(chǎn)生，同時(shí)真空環(huán)境還能降低合金液滴飛行過程中的冷卻速率。蔡學(xué)章等[31]采用氬氣保護(hù)氣氛提高了粉末的冷卻速率，達(dá)到了氣霧化強(qiáng)對流冷卻的快冷效果。

預(yù)合金粉末粒徑越小，比表面積越大，表面能越大，吸附氧的能力越強(qiáng)。增材制造合金的力學(xué)性能受到預(yù)合金粉末中氧元素含量的影響。LI等[32]指出預(yù)合金粉末中氧含量較高時(shí)，增材制造鈦鋁合金中會出現(xiàn)球形微孔，導(dǎo)致合金致密性降低。GUSSONE等[33]采用γ-TiAl粉末通過SLM技術(shù)制備β-TiAl基合金，發(fā)現(xiàn)粉末中氧含量較低時(shí)，在850 ℃時(shí)合金可獲得較高的抗拉強(qiáng)度，約為545 MPa，氧含量增大時(shí)，合金脆性明顯增大。

2 鈦鋁合金的高能束增材制造工藝

目前高能束增材制造鈦鋁合金的方法主要有激光近凈成形、激光熔化沉積、SLM、EBSM和電子束熔絲成形等[21,34-36]，其中SLM和EBSM制備鈦鋁合金已有較為深入的研究[37]。

2.1 SLM技術(shù)

德國Fraunhofer研究所于1995年首次提出了SLM技術(shù)，德國MCP-HEK公司于2003年推出了第一臺SLM系統(tǒng)[25]。SLM系統(tǒng)采用高功率、高密度激光對金屬粉末逐點(diǎn)、逐線、逐層熔化，從而制備得到致密的精密復(fù)雜構(gòu)件。SLM工藝光斑直徑小、掃描速度快，適用于復(fù)雜形狀構(gòu)件的制造，且得到的構(gòu)件尺寸精度高，力學(xué)性能優(yōu)異，經(jīng)拋光或簡單表面處理后就可直接使用。

在SLM過程中激光對先前固化的凝固層反復(fù)加熱，然后冷卻，堆積的凝固層容易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，同時(shí)激光能量密度高，容易造成鋁元素的蒸發(fā)損失，影響成分分布和顯微組織，進(jìn)而影響成形后合金的力學(xué)性能[7,25]。SRIVASTAVA等[18]發(fā)現(xiàn)隨著SLM沉積層數(shù)的增加，殘余應(yīng)力增大，裂紋數(shù)量增加且長度增大。LIU等[38]研究發(fā)現(xiàn)，激光能量增加時(shí)，鈦鋁合金成形件的裂紋形成傾向減小，但不能完全消除。石文天等[39]研究發(fā)現(xiàn)，SLM過程中鋁元素的分布不均使得合金溫度梯度增大，合金的內(nèi)應(yīng)力增加，導(dǎo)致裂紋萌生。LI等[40]通過提高SLM的激光體積能量密度，有效抑制了裂紋產(chǎn)生。采用基板預(yù)熱、預(yù)燒結(jié)、重熔等工藝也可以減少裂紋產(chǎn)生?；孱A(yù)熱降低了殘余應(yīng)力，預(yù)燒結(jié)降低了溫度梯度，二者結(jié)合會大大減小裂紋的萌生傾向。

2.2 電子束選區(qū)熔化

材料對電子束能的吸收率較激光高，反射較小[41]，因此電子束可使熔池產(chǎn)生更高的溫度，從而對粉末層產(chǎn)生更好的預(yù)熱效果。在EBSM過程中，預(yù)置的粉末層會在電子束的作用下潰散，產(chǎn)生“吹粉”現(xiàn)象，導(dǎo)致成形件形成孔隙缺陷，甚至使成形中斷或失敗。郭超等[41]將球形粉末與非球形粉末按一定比例混合后，粉末流動性降低，有效防止了成形過程中“吹粉”現(xiàn)象的出現(xiàn)；沉積前采用電子束預(yù)熱底板或采用電子束光柵式掃描預(yù)熱粉末層均可以防止粉末層的潰散。球化效應(yīng)是電子束選區(qū)熔化過程經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象，會導(dǎo)致成形件中出現(xiàn)孔隙缺陷，通過對成形件進(jìn)行熱等靜壓處理，可使部分孔隙閉合。

MURR等[42]發(fā)現(xiàn)EBSM技術(shù)可用于制造近凈形和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的組織呈等軸晶的鈦鋁合金件。TANG等[22]采用較高的預(yù)熱溫度和熱等靜壓處理有效釋放了增材制造過程中粉末層之間累積的熱應(yīng)力，避免了成形件中裂紋的產(chǎn)生。SCHWERDTFEGER等[43]通過改變粉末層厚度和激光束參數(shù)，降低了熔池過熱度，從而降低了鋁元素的損失，獲得了含高含量γ相的顯微組織，這一發(fā)現(xiàn)為調(diào)控近凈成形鈦鋁合金的顯微組織提供了參考。

3 高能束增材制造鈦鋁合金的組織和性能

采用SLM技術(shù)制備的鈦鋁合金通常為等軸晶組織，組織呈精細(xì)的近片層狀結(jié)構(gòu)，且隨著熱輸入能量密度的增加，晶體織構(gòu)由強(qiáng)取向向弱取向轉(zhuǎn)變。QU等[24]研究表明，激光熔化沉積鈦鋁基合金的組織為近片層狀柱狀晶組織，由α2相和γ相組成，呈各向異性。在SLM過程中，激光束能量和預(yù)熱溫度會影響鈦鋁合金的組織及硬度。隨著能量密度增加，液相的熔融持續(xù)時(shí)間延長，包晶反應(yīng)更易進(jìn)行，因此α2相含量增多，γ相和B2相含量減少；與B2相相比，α2相和γ相較硬，因此隨著能量密度增加，鈦鋁合金的硬度降低[32]。LI等[44]研究了不同基體預(yù)熱溫度下SLM制備Ti-45Al-2Cr-5Nb合金的物相組成和力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)隨著預(yù)熱溫度升高，α2相減少，γ相和B2相增多，納米硬度增大。LI等[40]研究發(fā)現(xiàn)，SLM過程中，隨著激光掃描速度加快，γ相和B2相的含量增加，亞晶界的遷移速率降低，晶粒尺寸減小，晶界數(shù)量增加；晶界的增加有效阻礙了位錯(cuò)的移動，從而提高了合金的極限應(yīng)變、硬度和抗壓強(qiáng)度。SRIVASTAVA等[16]研究了SLM制備Ti-48Al-2Mn-2Nb合金退火后的組織，發(fā)現(xiàn)退火溫度為973 K時(shí)合金組織保持穩(wěn)定，1 073 K退火24 h后得到了成分均勻的完全再結(jié)晶組織，退火溫度為1 273 K時(shí)晶粒明顯粗化。

YOUN等[21]研究發(fā)現(xiàn)，EBSM制備的鈦鋁基合金由于冷卻速率快，組織主要為由等軸γ相和α2相組成的近γ片層狀結(jié)構(gòu)，α2相存在于等軸γ相界面上；該合金能產(chǎn)生較大的塑性變形，在900 ℃以上時(shí)會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，且動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生在片層狀結(jié)構(gòu)彎曲后；位錯(cuò)滑移和形變孿晶是其主要的高溫變形機(jī)制。MURR等[42]以不同粒徑預(yù)合金粉末為原料，采用電子束快速成形技術(shù)制備了鈦鋁合金，發(fā)現(xiàn)合金組織由細(xì)小的板條α2/γ相及等軸γ相組成，在等軸γ相中還發(fā)現(xiàn)了形變孿晶。楊鑫等[45]和YUE等[46]研究發(fā)現(xiàn)，在EBSM過程中，隨著電子束流強(qiáng)度增加，鈦鋁合金的鋁元素含量減少，γ相減少，B2相和α2相增多；同時(shí)隨著電子束流強(qiáng)度增大，冷卻速率減小，晶粒生長和再結(jié)晶時(shí)間延長，再結(jié)晶進(jìn)行得更充分，晶粒更為細(xì)小。CHEN等[47]發(fā)現(xiàn)在EBSM過程中，Ti-47Al-2Cr-2Nb合金發(fā)生了3種相變，分別為α2→γ、α2→B2和α2+γ→B2。EBSM成形過程中較快的冷卻速率會使鈦鋁合金形成細(xì)小的片層狀組織，有利于提高鈦鋁合金的延展性和強(qiáng)度[21]。

由表1可以看出：SLM制備鈦鋁合金的力學(xué)性能明顯高于采用傳統(tǒng)鑄造方法制備的。SLM過程中高密度能量的輸入和熱效應(yīng)使得鈦鋁合金發(fā)生復(fù)雜的相變，導(dǎo)致其具有較高的開裂傾向。研究人員主要采取改善合金成分、優(yōu)化工藝參數(shù)，以及增加熱處理(包括合金粉末預(yù)熱、制備過程中原位熱處理和制備后熱處理)等方式避免裂紋產(chǎn)生，提高合金力學(xué)性能。例如在SLM成形技術(shù)中，通過將基板預(yù)熱到200 ℃后緩慢冷卻，從而實(shí)現(xiàn)降低溫度梯度、減小殘余應(yīng)力和裂紋萌生傾向的目的。LI等[25]指出SLM加工由于熱應(yīng)力較大，合金可獲得較大的殘余壓應(yīng)力，因此硬度較高。ISMAEE等[15]研究了鈮含量對SLM制備Ti-Al-Mn-Nb合金性能的影響，發(fā)現(xiàn)鈮含量(原子分?jǐn)?shù))為7.0%時(shí)合金的綜合性能最好，這是由于隨著鈮含量增加，凝固溫度范圍縮小，晶粒細(xì)化，同時(shí)α2-Ti3Al相顯著增多，形成近層狀結(jié)構(gòu)，使得合金具有較高的硬度、抗拉強(qiáng)度、塑性變形能力以及良好的摩擦學(xué)性能和耐高溫氧化性能。KENEL等[48]采用SLM制備了Ti-45Al-3Nb-Y2O3合金，采用分層再掃描策略，發(fā)現(xiàn)在沒有預(yù)熱基板的情況下合金的開裂傾向大大減小。GUSSONE等[33]分別采用SLM+原位熱處理和SLM+熱等靜壓的方法制備得到高性能的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金，有效避免了裂紋的產(chǎn)生。

表1 SLM、EBSM以及傳統(tǒng)鑄造工藝制備鈦鋁合金的組織和性能

在EBSM過程中采用較高的粉末預(yù)熱溫度，可以減緩沉積件的應(yīng)力集中，減小裂紋萌生傾向。電子束能量密度和強(qiáng)度均會影響鈦鋁合金的力學(xué)性能。隨著電子束流增大，細(xì)小的α2相、B2相增多。α2片晶會阻礙位錯(cuò)滑移，導(dǎo)致應(yīng)力集中，使得晶界處產(chǎn)生裂紋，從而降低合金塑性[46]。TANG等[22]采用較高的粉末預(yù)熱溫度并對EBSM過程中的每一凝固層進(jìn)行再加熱，發(fā)現(xiàn)EBSM過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力得到有效釋放，避免了裂紋的產(chǎn)生。EBSM工藝的高溫和真空環(huán)境會導(dǎo)致鋁元素蒸發(fā)，使得鈦鋁合金具有較高的屈服強(qiáng)度[19]。YOUN等[21]發(fā)現(xiàn)在600 ℃下，EBSM制備的鈦鋁合金具有較高的塑性和抗拉強(qiáng)度。但KIM等[49]研究發(fā)現(xiàn)，EBSM制備的Ti-48Al2Cr-2Nb合金在750 ℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度較低，抗蠕變性能較差，同時(shí)合金出現(xiàn)了屈服應(yīng)力異常，因此該合金難以用于高溫環(huán)境。EBSM制備的合金在高溫變形過程中，位錯(cuò)滑移和形變孿晶是其主要的變形機(jī)制，等軸晶粒中存在的形變孿晶可以釋放燒結(jié)過程產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，提高合金的塑性變形能力，同時(shí)促進(jìn)位錯(cuò)滑移，提高了合金的延展性[21]。KIM等[20]通過兩步熱處理法制備了鈦鋁合金，發(fā)現(xiàn)該合金組織呈近薄層狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)提高了合金的高溫抗蠕變性能，同時(shí)保持了室溫塑性。通常SLM技術(shù)制備鈦鋁合金的成形溫度約為200 ℃，冷卻速率為105108K·s-1；EBSM技術(shù)的成形溫度為680～720 ℃，冷卻速率為103105K·s-1。冷卻速率較慢的EBSM技術(shù)制備的鈦鋁合金中裂紋萌生傾向更小[40]。

4 高能束增材制造技術(shù)的應(yīng)用

4.1 SLM技術(shù)的應(yīng)用

與國外相比，國內(nèi)對SLM增材制造技術(shù)在鈦鋁合金結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用研究起步雖晚，但取得了豐碩的成果。2007年，張瑩等[50]在國內(nèi)率先提出了以獲得極高(與鍛件相當(dāng))性能構(gòu)件為目標(biāo)的激光熔化成形技術(shù)，制造的大型飛機(jī)用鈦鋁合金翼梁緣條的力學(xué)性能優(yōu)異。AN等[51]和LI等[52]在國際上首次解決了激光增材制造大型鈦合金關(guān)鍵構(gòu)件質(zhì)量低、性能差和難以用作關(guān)鍵主承載結(jié)構(gòu)件的難題。未來可以通過開展SLM技術(shù)制備各種鈦鋁合金航空航天零件，如葉片、渦輪盤等，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模擬與制造方法的研究，解決大尺寸零件中的殘余應(yīng)力高、開裂傾向大等問題。

4.2 EBSM技術(shù)的應(yīng)用

2005年，CALRAM公司采用EBSM工藝成功制備了鈦鋁合金渦輪葉片[41]。意大利AVIO公司采用電子束增材制造技術(shù)制備了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鈦鋁合金構(gòu)件，并成功應(yīng)用在新一代航空發(fā)動機(jī)上[45]。

郭超等[41]提出可以利用2種或2種以上的材料通過增材制造來制備梯度材料，滿足一些較為復(fù)雜的工作環(huán)境要求，如在發(fā)動機(jī)葉片與榫頭處使用EBSM技術(shù)制備鈦鋁合金和鈦合金梯度材料，得到的過渡區(qū)致密無裂紋。目前，我國已經(jīng)突破并掌握了EBSM的電子束精確掃描、精密鋪粉以及數(shù)據(jù)處理軟件等的核心技術(shù)，研制出了鈦鋁合金減振梁和低壓渦輪葉片結(jié)構(gòu)件[53-55]，這展現(xiàn)了EBSM技術(shù)在復(fù)雜零件制造上的應(yīng)用潛力，并且該技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)在航空航天等領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。

5 結(jié)束語

鈦鋁預(yù)合金粉末制備技術(shù)、SLM和EBSM增材制造技術(shù)的成熟，為高能束增材制造技術(shù)制備鈦鋁合金提供了良好的原材料制備和技術(shù)基礎(chǔ)。SLM和EBSM熔化技術(shù)因冷卻速率快，制備得到的合金組織細(xì)小，力學(xué)性能明顯優(yōu)于鑄造鈦鋁合金的；成形后通過合理的熱處理工藝，合金還能獲得良好的高溫抗蠕變性能和延展性。國內(nèi)外學(xué)者在SLM和EBSM制備鈦鋁合金方面開展了大量的研究，在解決球化效應(yīng)、孔隙、裂紋以及鋁元素?zé)龘p等問題方面都取得了較大的進(jìn)步。采用平臺預(yù)熱和中間再加熱等方法能有效釋放增材制造過程的熱應(yīng)力，減小裂紋的萌生傾向。利用高能束增材制造技術(shù)很好地解決了傳統(tǒng)鈦鋁合金構(gòu)件的成形問題,但在EBSM 成形設(shè)備研發(fā)方面仍存在問題。在EBSM 成形設(shè)備的研發(fā)方面應(yīng)主要開展以下方面的研究：設(shè)備的自動化、設(shè)備的智能化、設(shè)備與其他增材制造技術(shù)相結(jié)合等。