哈爾濱工業大學陳玉勇教授團隊：增材制造TiAl合金的研究進展！
時間：2023-10-23 09:01 來源：焊接科學 作者：admin 閱讀：次
輕質耐熱的TiAl合金是航空航天和民用工業等領域最具潛力的高溫結構材料之一。然而，由于其低的延展性和斷裂韌性，制造TiAl零部件具有挑戰性。目前，增材制造工藝被認為是制造TiAl零件具有前途的技術之一。2023年7月17日，哈爾濱工業大學陳玉勇教授團隊在《金屬學報》期刊發表最新綜述“增材制造TiAl合金的研究進展“，介紹了增材制造技術原理和特點的基礎上，綜述了激光金屬沉積(LMD)、選區激光熔化(SLM)和電子束熔化(EBM)制備TiAl合金的工藝-組織-性能關系，并對該技術未來的發展趨勢進行了展望。陳玉勇、時國浩、杜之明、張宇、常帥為作者，陳玉勇教授為通訊作者。
總結展望
通常情況下，沒有顯微組織能夠表現出所有所需的最佳性能。一般認為，雙態組織表現出較高的強度和室溫延展性，這是由于其具有非常精細的組織特征(γ晶粒尺寸、片層團尺寸和片層間距)，遵循Hall-Petch強化關系。在需要抗蠕變和斷裂韌性的地方(如高溫渦輪發動機零部件)，全片層組織的粗大特征可能更有利。這意味著細化全片層組織的片層團尺寸和片層間距將改善該顯微組織，從而獲得更高的延伸率和高溫強度。相比于傳統制造方法，增材制造以成分較均勻的預合金粉末為原料，同時具有較高的冷卻速率，因此更容易生產組織均勻且晶粒細小的TiAl合金。但是增材制造的超高溫度梯度與冷卻速率也易導致脆性TiAl合金的開裂，同時TiAl合金內部也存在部分冶金缺陷，這使得TiAl合金難以充分發揮組織均勻且晶粒細小帶來的性能提升。優化工藝參數和基板預熱是增材制造TiAl合金過程中調控溫度場分布與減少殘余應力的重要措施，可實現無裂紋及少缺陷合金的制備。而熱等靜壓作為一種后處理工藝，可以進一步消除合金內部缺陷。此外，根據產品所需的性能，可以進行相應的后續熱處理調控組織，但應當合理選擇后處理參數，避免晶粒長大，從而保留超高冷卻速率下獲得的細晶組織。
此外，增材制造工藝制造小批量定制產品具有高度柔性化和相對較低成本的優點，非常適合用于制造具有復雜結構、高精度要求的發動機高溫結構件。因此，目前增材制造被認為是在航空航天應用中生產復雜的TiAl零件的有力候選方法。其中，電子束增材制造的TiAl低壓渦輪葉片已經得到了應用，而其他增材制造方法(如激光金屬沉積和選區激光熔化)也已被嘗試用于制造TiAl部件。盡管增材制造TiAl合金取得了令人鼓舞的結果，但仍有很多問題需要討論和解決。
(1) 成分設計。增材制造是一個快速熔化和凝固的過程，為了更好地潤濕基材和確保凝固過程中有足夠的液體補給，需要合金熔體具有較好的流動性。合金的流動性與合金的成分密切相關。美國研制的Ti-48Al-2Cr-2Nb是一種針對熔模鑄造設計的合金材料，并且已經在波音787飛機發動機中運用。而針對增材制造，特別是電子束增材制造的高真空工作環境，Al的燒損較為嚴重。因此，需要對增材制造TiAl合金成分進行優化設計。
(2) 粉末原料。目前，TiAl合金粉末受車間和生產流程的限制，產量相對較低，這使得TiAl合金粉體的價格長期保持在較高水平，同時批次之間的質量難以保持一致性。因此，由于粉末原料的劣勢，需要進一步開發高性能、低成本的TiAl合金粉末制造工藝。此外，增材制造的零件應更接近“凈形狀”，以減少后續加工成本，進一步提升產品的性能。
(3) O含量。O含量對TiAl合金的塑性影響非常大，在TiAl制備過程中控制O含量是非常必要的。增材制造TiAl合金的氧吸收發生在粉末材料的生產和沉積過程中。因此，制備高潔凈度、高球形度、低O含量的TiAl合金粉末是制造航空航天用高性能復雜關鍵零部件的重要措施。此外，與電子束增材制造相比，激光增材制造的工作環境是惰性氣體(Ar氣)氣氛，而非真空環境，并不能完全防止氧吸收，特別是在過熱和長時間保溫時。因此，在增材制造過程中，也要控制O含量的增加。
(4) 孔隙率。孔隙是增材制造TiAl樣品中最常見的缺陷，一般可分為球形氣孔和未熔合孔。在使用過程中，孔隙充當裂紋形核點，特別是未熔合孔，會嚴重惡化零件的力學性能。為了降低零件中的孔隙度，首先選用空心粉含量少的粉末原料，其次優化工藝參數(如增加能量輸入，以消除未熔合孔)，最后對零件進行熱等靜壓處理。
(5) 顯微組織。顯微組織的演變受熱輸入顯著影響，主要因素是冷卻速率。冷卻速率主要取決于能量輸入、熔池溫度和溫度梯度。因此，可以通過優化這些變量以控制顯微組織。值得注意的是，確保穩定的熔池軌跡對于表面質量和顯微組織非常重要。建議進一步研究熔池動力學，從監控熔池開始，使用高速攝像機和/或熱像儀，提取詳細信息，例如熔池幾何形狀和溫度變化，然后可以在相應地調整工藝參數的反饋系統中使用該信息。此外，后續熱處理是補救不均勻顯微組織的重要措施。然而，確定合適的處理溫度和保溫時間具有挑戰性，應研究這些參數的影響以確保顯微組織均質化。
(6) 增材制造設備。現有的增材制造設備以及維護費用成本較高，可用的建造尺寸較小，例如，目前電子束熔化設備的最大建造尺寸僅為直徑350mm、長380mm，難以滿足航空航天領域大尺寸零件的需求。因此，設計、開發并研制大尺寸的具有自主知識產權的增材制造設備是當務之急。此外，粉末預熱是生產無裂紋零件的重要策略。采用基板預熱僅限于對小部件生產具有很好的匹配度，而外加熱源雖可以用于大尺寸零件，但成本相對較高。因此，應在大尺寸增材制造設備中開發具有高效且低成本的加熱系統設備，以實現大尺寸零件的制造。
通訊作者
陳玉勇博士，男，1956年1月生。哈爾濱工業大學二級教授、博士生導師、國防“973”技術首席、勞動人事部第一層次“百干萬跨世紀人才”、國務院政府特殊津貼專家、黑龍江省杰出青年科學基金獲得者、黑龍江省優秀中青年專家、國防科工委“511人才工程”學術技術帶頭人，榮獲首屆中國青年科技獎，航空航天部首屆“十佳航天科技青年”。
主要研究方向為新型輕質耐熱鈦合金及鈦鋁合金精密熱成形技術、增材制造等。作為負責人或主要參加者已承擔或參與國家及省部委研究項目40余項，包括國防“973”項目、科技部“973”項目、“863”項目、國家重大科技專項、國家自然科學基金面上項目，總裝和科工委的項目多項。授權國家發明專利35項，出版專著一部，發表SCI、EI收錄250余篇。2017年研究成果“航天復雜鈦合金構件精密制造裝備與工藝”獲國防科技進步一等獎，同時該成果榮獲2017年航天科技一等獎，2012年研究成果“新型基合金物理冶金技術基礎研究”獲黑龍江省科學技術獎一等獎，獲省部級二等獎8項，三等獎2項。
現任中國機械工程學會鑄造分會理事，全國會執行委員會理事，中國材料研究學會-金屬間化合物及非晶合金分會理事，中國材料研究學會——凝固科學分會理事，黑龍江省鑄造學會理事長。
論文引用
陳玉勇 時國浩 杜之明 張宇 常帥. 增材制造TiAl合金的研究進展[J]. 金屬學報, 10.11900/0412.1961.2022.00582.
圖1 增材制造工作原理示意圖
圖2 激光沉積Ti-48Al-2Cr-2Nb 合金的SEM-BSE 像
圖3 Ti-47Al-2Cr-2Nb 合金熱處理前后的SEM 像
總結展望
通常情況下，沒有顯微組織能夠表現出所有所需的最佳性能。一般認為，雙態組織表現出較高的強度和室溫延展性，這是由于其具有非常精細的組織特征(γ晶粒尺寸、片層團尺寸和片層間距)，遵循Hall-Petch強化關系。在需要抗蠕變和斷裂韌性的地方(如高溫渦輪發動機零部件)，全片層組織的粗大特征可能更有利。這意味著細化全片層組織的片層團尺寸和片層間距將改善該顯微組織，從而獲得更高的延伸率和高溫強度。相比于傳統制造方法，增材制造以成分較均勻的預合金粉末為原料，同時具有較高的冷卻速率，因此更容易生產組織均勻且晶粒細小的TiAl合金。但是增材制造的超高溫度梯度與冷卻速率也易導致脆性TiAl合金的開裂，同時TiAl合金內部也存在部分冶金缺陷，這使得TiAl合金難以充分發揮組織均勻且晶粒細小帶來的性能提升。優化工藝參數和基板預熱是增材制造TiAl合金過程中調控溫度場分布與減少殘余應力的重要措施，可實現無裂紋及少缺陷合金的制備。而熱等靜壓作為一種后處理工藝，可以進一步消除合金內部缺陷。此外，根據產品所需的性能，可以進行相應的后續熱處理調控組織，但應當合理選擇后處理參數，避免晶粒長大，從而保留超高冷卻速率下獲得的細晶組織。
此外，增材制造工藝制造小批量定制產品具有高度柔性化和相對較低成本的優點，非常適合用于制造具有復雜結構、高精度要求的發動機高溫結構件。因此，目前增材制造被認為是在航空航天應用中生產復雜的TiAl零件的有力候選方法。其中，電子束增材制造的TiAl低壓渦輪葉片已經得到了應用，而其他增材制造方法(如激光金屬沉積和選區激光熔化)也已被嘗試用于制造TiAl部件。盡管增材制造TiAl合金取得了令人鼓舞的結果，但仍有很多問題需要討論和解決。
(1) 成分設計。增材制造是一個快速熔化和凝固的過程，為了更好地潤濕基材和確保凝固過程中有足夠的液體補給，需要合金熔體具有較好的流動性。合金的流動性與合金的成分密切相關。美國研制的Ti-48Al-2Cr-2Nb是一種針對熔模鑄造設計的合金材料，并且已經在波音787飛機發動機中運用。而針對增材制造，特別是電子束增材制造的高真空工作環境，Al的燒損較為嚴重。因此，需要對增材制造TiAl合金成分進行優化設計。
(2) 粉末原料。目前，TiAl合金粉末受車間和生產流程的限制，產量相對較低，這使得TiAl合金粉體的價格長期保持在較高水平，同時批次之間的質量難以保持一致性。因此，由于粉末原料的劣勢，需要進一步開發高性能、低成本的TiAl合金粉末制造工藝。此外，增材制造的零件應更接近“凈形狀”，以減少后續加工成本，進一步提升產品的性能。
(3) O含量。O含量對TiAl合金的塑性影響非常大，在TiAl制備過程中控制O含量是非常必要的。增材制造TiAl合金的氧吸收發生在粉末材料的生產和沉積過程中。因此，制備高潔凈度、高球形度、低O含量的TiAl合金粉末是制造航空航天用高性能復雜關鍵零部件的重要措施。此外，與電子束增材制造相比，激光增材制造的工作環境是惰性氣體(Ar氣)氣氛，而非真空環境，并不能完全防止氧吸收，特別是在過熱和長時間保溫時。因此，在增材制造過程中，也要控制O含量的增加。
(4) 孔隙率。孔隙是增材制造TiAl樣品中最常見的缺陷，一般可分為球形氣孔和未熔合孔。在使用過程中，孔隙充當裂紋形核點，特別是未熔合孔，會嚴重惡化零件的力學性能。為了降低零件中的孔隙度，首先選用空心粉含量少的粉末原料，其次優化工藝參數(如增加能量輸入，以消除未熔合孔)，最后對零件進行熱等靜壓處理。
(5) 顯微組織。顯微組織的演變受熱輸入顯著影響，主要因素是冷卻速率。冷卻速率主要取決于能量輸入、熔池溫度和溫度梯度。因此，可以通過優化這些變量以控制顯微組織。值得注意的是，確保穩定的熔池軌跡對于表面質量和顯微組織非常重要。建議進一步研究熔池動力學，從監控熔池開始，使用高速攝像機和/或熱像儀，提取詳細信息，例如熔池幾何形狀和溫度變化，然后可以在相應地調整工藝參數的反饋系統中使用該信息。此外，后續熱處理是補救不均勻顯微組織的重要措施。然而，確定合適的處理溫度和保溫時間具有挑戰性，應研究這些參數的影響以確保顯微組織均質化。
(6) 增材制造設備。現有的增材制造設備以及維護費用成本較高，可用的建造尺寸較小，例如，目前電子束熔化設備的最大建造尺寸僅為直徑350mm、長380mm，難以滿足航空航天領域大尺寸零件的需求。因此，設計、開發并研制大尺寸的具有自主知識產權的增材制造設備是當務之急。此外，粉末預熱是生產無裂紋零件的重要策略。采用基板預熱僅限于對小部件生產具有很好的匹配度，而外加熱源雖可以用于大尺寸零件，但成本相對較高。因此，應在大尺寸增材制造設備中開發具有高效且低成本的加熱系統設備，以實現大尺寸零件的制造。
通訊作者
陳玉勇博士，男，1956年1月生。哈爾濱工業大學二級教授、博士生導師、國防“973”技術首席、勞動人事部第一層次“百干萬跨世紀人才”、國務院政府特殊津貼專家、黑龍江省杰出青年科學基金獲得者、黑龍江省優秀中青年專家、國防科工委“511人才工程”學術技術帶頭人，榮獲首屆中國青年科技獎，航空航天部首屆“十佳航天科技青年”。
主要研究方向為新型輕質耐熱鈦合金及鈦鋁合金精密熱成形技術、增材制造等。作為負責人或主要參加者已承擔或參與國家及省部委研究項目40余項，包括國防“973”項目、科技部“973”項目、“863”項目、國家重大科技專項、國家自然科學基金面上項目，總裝和科工委的項目多項。授權國家發明專利35項，出版專著一部，發表SCI、EI收錄250余篇。2017年研究成果“航天復雜鈦合金構件精密制造裝備與工藝”獲國防科技進步一等獎，同時該成果榮獲2017年航天科技一等獎，2012年研究成果“新型基合金物理冶金技術基礎研究”獲黑龍江省科學技術獎一等獎，獲省部級二等獎8項，三等獎2項。
現任中國機械工程學會鑄造分會理事，全國會執行委員會理事，中國材料研究學會-金屬間化合物及非晶合金分會理事，中國材料研究學會——凝固科學分會理事，黑龍江省鑄造學會理事長。
論文引用
陳玉勇 時國浩 杜之明 張宇 常帥. 增材制造TiAl合金的研究進展[J]. 金屬學報, 10.11900/0412.1961.2022.00582.
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