TiAl金属间化合物的增材制造研究进展

杜宇雷，欧园园，卢晓阳，廖文和

(南京理工大学,a.机械工程学院；b.材料科学与工程学院，江苏 南京　210094)



TiAl金属间化合物的增材制造研究进展

杜宇雷a，欧园园b，卢晓阳b，廖文和a

(南京理工大学,a.机械工程学院；b.材料科学与工程学院，江苏 南京210094)

摘要：TiAl金属间化合物具有密度低、弹性模量高、强度高、抗氧化性能和抗疲劳性能良好等突出优点，在航空航天领域有广阔的应用前景.然而，TiAl金属间化合物的加工难度大，成型困难，限制了其工程应用.近年来，增材制造凭借其特有的技术优势在难加工金属材料的加工成型领域崭露头角.文章综述了TiAl金属间化合物的增材制造研究进展，总结分析了目前应用于TiAl金属间化合物增材制造的主要技术类型，以及所制备合金的凝固行为、组织形貌特征和力学性能.

关键词：TiAl金属间化合物；增材制造；3D打印

TiAl金属间化合物具有低密度、高弹性模量、高强度、以及优异的抗氧化、抗蠕变和抗疲劳等性能优点，使用温度可达700～1000 ℃，是极具应用价值的轻质、高强、高温结构材料，已逐步应用于航空航天工业和汽车工业等领域，比如航空发动机涡轮叶片、超高速飞行器的翼、壳体等部件[1-5].然而，TiAl金属间化合物是一种典型的难加工金属材料，可加工性差是制约其工程应用的重要因素之一[6-7].

目前，TiAl金属间化合物的加工成型方法主要有铸造、铸锭冶金和粉末冶金等[8].铸造方法有熔模精密铸造和金属型铸造，可直接成型，但存在组织粗大及凝固组织疏松等问题，导致铸造TiAl合金室温力学性能较差.铸锭冶金法采用的热加工工艺主要有等温锻造、包套锻造、铸锭挤压和板材轧制等，这些工艺复杂、加工难度和成本较高.粉末冶金工艺可以降低晶粒尺寸，精确控制合金成分，但难以彻底消除空隙，通常需要采取热等静压手段进行致密化后处理.当前，大尺寸、复杂结构和形状TiAl金属间化合物的加工成型依然是急需解决的问题之一.

增材制造(additive manufacturing)是指依据数字模型，通过连续的物理层叠加，逐层增加材料的方式制造三维实体物件的技术.目前金属增材制造方法主要有：激光熔化沉积(laser melting deposition)、激光近净成形(laser engineered net shaping，LENS)、选区激光熔化(selective laser melting，SLM)、电子束选区熔化(selective electron beam melting, SEBM)和电子束熔丝成形技术(electron beam direct manufacturing, EBDM)等.增材制造可实现难加工金属材料复杂形状构件的直接制造成型，为TiAl金属间化合物的成型带来了新的契机[9-11].与传统金属材料加工成型工艺相比，增材制造无需模具，提高了原料利用率、降低了设计和制造成本，并大大缩短了生产周期；同时，采用增材制造能够得到超细化的凝固组织，从而提高金属构件的综合力学性能；更重要的是，增材制造工艺能够适应各种尺寸、不同复杂程度构件的加工成型.上述技术特点使得增材制造非常适用于各种难熔、高强度金属材料及复杂构件的直接成型制造.从增材制造的上述特点以及TiAl金属间化合物的材料特性和应用领域可以看出，它是非常适合TiAl金属间化合物的成型新技术[12-13].

根据能量源、原材料形态以及反应方式的不同，增材制造衍生出众多技术路线，其中以激光束或电子束为热源的高能束流增材制造技术[14]在TiAl金属间化合物的加工成型领域具有较多的应用研究.

1TiAl金属间化合物的激光增材制造技术

激光增材制造是采用高能量密度的激光作为热源逐层熔化金属粉末从而实现构件的直接成型制造[15-17].根据原料粉末输运方式的不同，激光增材制造可分为激光直接沉积成形技术(laser direct deposition, LDD)和激光选区熔化成形技术，前者采用同轴送粉方式，后者则采用预铺粉方式[18].激光直接沉积成形属于“近净成形制造”，适用于大型结构件和结构不是特别复杂构件的加工成型，所制备构件的表面质量通常较差，需要进行后续机加工处理[19]；而激光选区熔化技术可直接制成具有较高尺寸精度和表面光洁度的构件，一般不需要后续机加工处理，适合尺寸较小、具有复杂结构和形状的构件的直接成型制造[20-21].

美国洛斯阿拉莫斯国家实验室采用激光直接沉积技术加工制造了带有半球、直壁、通孔、尖角的TiAl金属间化合物零件，测试结果表明其室温抗拉强度和结合强度均显著提高[22].北京航空航天大学与沈阳飞机设计研究所等单位合作，研制成功具有系列核心技术、构件制造能力高的激光增材制造成套装备系统，并制造出了包括TiAl金属间化合物在内的多种钛合金飞机结构部件[23].目前，激光选区熔化成形技术已较为成熟并有国内外多家公司推出了商用设备，该工艺对原料粉末的要求较高，所使用的粉末粒度小于50 μm，球形度高、氧含量低，流动性好.

2TiAl金属间化合物的电子束增材制造技术

电子束增材制造的基本原理与激光增材制造相似，区别在于能量源.电子束增材制造是在真空环境中采用高能量密度的电子束作为热源来熔融金属粉末.根据原料及其输运方式的不同，电子束增材制造可分为电子束熔丝成形技术(electron beam direct manufacturing, EBDM )和选区电子束熔化成形技术(selective electron beam melting, SEBM)，前者采用金属丝材为原料并通过送丝装置将丝材送入电子束熔池内，熔池按照设定的路径逐层凝固堆积，并形成致密的冶金结合；后者用电子束按预设的路径逐层扫描预先铺好的金属粉末，粉末在电子束作用下快速熔化和冷却凝固，如此反复直至完成金属构件的成形.

电子束熔丝成形技术沉积效率高，真空环境非常适合钛铝等活性金属的加工，同时利用电子束对熔池进行旋转搅拌，可减少气孔等缺陷，但制得的零件需要进行后续精加工.与激光选区熔化技术相比，电子束选区熔化具有能量利用率高、无反射、功率密度高、扫描速度快、真空环境无污染等优点.

目前在电子束选区熔化成形设备研发和生产领域领先的是瑞典Arcam AB公司.意大利AVIO公司采用该公司的设备开发出了航空发动机复杂TiAl基合金构件[24].国内西北有色金属研究院与清华大学合作设计并制造了EBSM-250型快速成型设备[25].中航工业北京航空制造工程研究所高能束流加工技术重点实验室对电子束选区熔化成形TiAl金属间化合物进行了研究，开发了电子束精确扫描技术、精密铺粉技术、数据处理软件等装备核心技术，目前正在研究飞机复杂钛合金接头及TiAl金属间化合物涡轮叶片的电子束选区熔化制造技术[14].

3增材制造TiAl金属间化合物的凝固行为和组织特征

大量研究表明，TiAl基合金的宏观力学性能与其组织息息相关.TiAl基合金有4种典型显微组织，即等轴近γ组织(NG)、双态组织(DP)、近片层组织(NL)和全层片组织(FL).一般来讲，细晶全片层组织的综合力学性能最佳.与传统的铸造相比，现有金属增材制造技术的冷却速率都比较大，属于非平衡凝固过程，因而所得到的凝固组织也具有不同的特征.在传统铸造过程中TiAl金属间化合物一般形成α2/γ层片结构，层片团尺寸较大，内部易形成疏松和成分偏析.采用粉末冶金方法，通过反应烧结和等温锻造，能获得细晶粒、全致密的层片状TiAl金属间化合物[26].而采用增材制造成形的TiAl金属间化合物，由于粉末熔化形成的熔池较小且熔化、凝固速率极高，因而可以获得超细化的凝固组织，同时，通过控制激光或电子束的扫描方式和能量密度，还可以影响和改变晶粒生长方式和微观结构，进而实现对其力学性能的控制[27].

研究发现，激光选区熔化和电子束选区熔化两种增材制造工艺制备的TiAl金属间化合物在微观组织形貌上存在差异[28-30].采用激光增材制造技术制备TiAl金属间化合物可以得到柱状晶α2/γ全层片结构[31].采用SLM技术，选择低能量密度成形TiAl合金可以获得精细的α2/γ近层片状结构，制得的TiAl合金具有各向异性[32].采用电子束选区熔化成形技术制备的TiAl合金通常形成细小均匀的双态组织，由γ相等轴晶和α2/γ层片团组成，由于电子束能量高，不易形成带状不均匀的组织.由于SEBM加工过程在真空环境中进行，故制备的TiAl合金杂质含量低，孔隙率低，致密度可达98%以上.SEBM过程中连续冷却、重复加热以及Al元素的蒸发损失导致TiAl合金形成复杂的结构，制备的TiAl合金样品顶部趋于为层片状结构，底部区域α2晶粒粗化并球化，板条状的α2相的尺寸根据能量输入的不同而改变[33].Schwerdtfeger等[34]研究了SEBM制备TiAl合金过程中的铝损失问题，通过降低能量输入，减少熔池的过热，调整工艺参数，可以把铝损失减少到0.5%.

4增材制造TiAl金属间化合物的力学性能

TiAl金属间化合物的力学性能对合金成分和微观组织特征极其敏感.铸造TiAl基合金由于铸态组织为粗大树枝晶，易产生疏松和成分偏析，所以脆性极高，室温延展性几乎为0.激光增材制造过程的冷却凝固速率高，可以得到精细的快速凝固组织，采用LDD技术制备TiAl合金可以得到高致密的柱状晶组织，具有全层片结构.实验测试结果表明，其纵向室温抗拉强度达到600～650 MPa，横向抗拉强度达到550～600 MPa，室温拉伸延伸率约0.6%[35].采用SLM技术制备β凝固的TiAl合金，在室温及850 ℃下可以获得较好的拉伸性能.SLM成形过程中粉末床温度低于300 ℃，由于缺乏预热，在成形过程中易形成空隙和裂纹.激光增材制造制备的TiAl合金构件的塑性较低，一般可以通过后续热处理进行优化.相比于SLM，SEBM过程中可以保持更高的温度(可达到1100 ℃)，能够更好地释放热应力避免裂纹的产生，另外SEBM的真空环境有效控制了杂质含量，更适合低塑性材料的净成形[36].Biamino等[37]分别测量了经过热等静压处理后的近等轴组织SEBM样品与后续热处理后的双态组织SEBM样品，二者低温性能相似，高温性能有较大差异.双态组织在常温下屈服强度达360 MPa，延伸率为1.1%，800 ℃下延伸率可达5.2%，SEBM样品力学性能实验数据重复性更好.

5结语

增材制造技术在TiAl金属间化合物的加工成型上具有一定的优势.如能进一步提高增材制造的加工效率，降低设备成本，增强原料粉末的标准化，进一步改善构件的力学性能及一致性，那么增材制造将有望发展成为TiAl金属间化合物加工成型的主流技术路线之一.

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(编辑武峰)

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

基金项目：国家自然科学基金项目(51571116)；江苏省产学研联合创新资金前瞻性研究项目(BY2015004-04)

作者简介：杜宇雷(1975-)，男，教授，博士，博士生导师，主要从事增材制造材料与技术研究.

中图分类号：TH164

文献标志码：A

文章编号：1674-358X(2016)02-0001-04