謝華生，劉時兵，趙軍，張志勇，包春玲

TiAl合金精密成形技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

謝華生，劉時兵，趙軍，張志勇，包春玲

（沈陽鑄造研究所有限公司 高端裝備輕合金鑄造技術(shù)國家重點實驗室，沈陽 110022）

TiAl合金是一種優(yōu)異的輕質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車、兵器等熱端部件制造領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景，但其較低的室溫塑性、韌性和較差的冷/熱加工性能，限制了其工程化的進(jìn)程。為挖掘TiAl合金的應(yīng)用潛力，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)從材料設(shè)計、組織性能調(diào)控到成形工藝等方面開展了卓有成效的研究?？偨Y(jié)了近年來國內(nèi)外在TiAl合金精密成形領(lǐng)域的研究進(jìn)展，包括精密鑄造、鑄錠冶金、粉末冶金和增材制造技術(shù)，目前，TiAl合金精密鑄造葉片和熱加工葉片已成功應(yīng)用到航空發(fā)動機(jī)上，粉末冶金成形和增材制造技術(shù)在復(fù)雜構(gòu)件成形和板材成形上體現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢，但仍需在低成本化和工藝穩(wěn)定性上進(jìn)一步提升。

TiAl合金；精密成形；精密鑄造；鑄錠冶金；粉末冶金；增材制造

TiAl合金是一種新型的耐高溫結(jié)構(gòu)材料，具有低密度（3.8～4.2 g/cm3）、高比強(qiáng)、高比剛、優(yōu)異的高溫抗蠕變和抗氧化等性能，在600～1000 ℃溫度下應(yīng)用極具競爭力。TiAl合金彌補(bǔ)了常規(guī)高溫鈦合金和鎳基高溫合金在這一溫度區(qū)間抗氧化性差和密度高的不足，因此受到了國際上航空航天巨頭企業(yè)和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的青睞，美國、歐洲、中國和日本分別開發(fā)了其各自的TiAl合金體系[1-3]。TiAl合金的發(fā)展主要?dú)v經(jīng)了4代：20世紀(jì)70年代第1代TiAl合金以高Al含量和低合金元素含量為特征，其典型代表為Ti-48Al-1V-0.3C，然而其工作溫度僅限于650 ℃以下，因綜合性能不能滿足發(fā)動機(jī)高溫部件使用要求而被迫放棄；為了進(jìn)一步提高TiAl合金的工作溫度，80年代TiAl合金的發(fā)展向著低Al含量發(fā)展，Al的原子數(shù)分?jǐn)?shù)為45%～48%，第3組元元素含量有所增加，其典型合金是美國空軍材料研究所和GE公司共同開發(fā)的Ti-48Al-2Cr-2Nb（4822）和Ti-45Al- 2Mn-2Nb-0.8%TiB2（45XD）（體積分?jǐn)?shù)）合金，其綜合性能明顯優(yōu)于第1代；為了進(jìn)一步提高使用溫度，第3代TiAl合金以高含量第3組元含量為特點（5%～10%，原子數(shù)分?jǐn)?shù)），合金元素包括Nb，Ta，W，V，B，C，Cr，Mn，Mo等，其中高Nb-TiAl合金，TNB和TNM合金是典型代表。高Nb-TiAl合金是北京科技大學(xué)陳國良院士等人最早提出來的，高Nb含量可以顯著提高合金的抗氧化性能，高含量第3組元的固溶強(qiáng)化可以顯著提高合金的高溫力學(xué)性能和抗蠕變性能[4]。南京理工大學(xué)陳光課題組根據(jù)β向α轉(zhuǎn)變過程中界面能的各向異性，通過控制凝固過程，獲得了同時具備高強(qiáng)度、高塑性特性的Ti-45Al-8Nb合金PST（Polysynthetically Twinned Crystal）晶體，克服了傳統(tǒng)籽晶法制備單晶的弊端，展現(xiàn)了第3代TiAl合金單晶的巨大應(yīng)用前景[5]。隨著增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，德國最近針對電子束增材制造開發(fā)了第4代TiAl合金Ti-47.5Al-5.5Nb-0.5W合金[6]，分別借鑒了第2代和第3代高Al高第3組元元素的設(shè)計思路。在TiAl合金的應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化方面，GE，Howmet，Pratt-Whitney，MTU，Rolls-Royce和IHI等公司起到了較大的推動作用，主要應(yīng)用領(lǐng)域和目標(biāo)為航空發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)葉片、低壓渦輪葉片、渦輪盤，汽車發(fā)動機(jī)增壓器渦輪、排氣閥等。在此基礎(chǔ)上，TiAl合金應(yīng)用正不斷在新的領(lǐng)域發(fā)展，美國NASA曾報告，到2020年，TiAl合金及其復(fù)合材料在航空航天發(fā)動機(jī)中的使用份額將達(dá)到20%～25%。作為一種結(jié)構(gòu)材料，實現(xiàn)其零部件的制造并應(yīng)用至關(guān)重要，國內(nèi)外在該方面也做了大量工作。文中針對近年來國內(nèi)外TiAl合金精密成形技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和待解決的問題進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)和分析，為后續(xù)相關(guān)研究提供指導(dǎo)。

1 TiAl合金精密鑄造技術(shù)

鑄造是實現(xiàn)TiAl合金構(gòu)件制造最為直接高效的方式。TiAl合金的精密鑄造技術(shù)目前主要有熔模鑄造、金屬型鑄造等幾種，其中金屬型鑄造適合于結(jié)構(gòu)相對簡單、尺寸精度要求低的構(gòu)件，而熔模鑄造更適合于生產(chǎn)薄壁且具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，如航天、航空、汽車發(fā)動機(jī)上的耐熱構(gòu)件（見圖1），精密鑄造技術(shù)因其較低的制造成本和機(jī)械加工成本在TiAl合金精密成形工藝上具有較大優(yōu)勢[7]。在熔模精密鑄造方面，早在20世紀(jì)90年代[8]，在美國NASA主導(dǎo)的民用超音速飛機(jī)上，發(fā)動機(jī)排氣噴嘴的翼板和支撐梁實現(xiàn)了TiAl合金部件的應(yīng)用，這些大型薄壁TiAl合金構(gòu)件最薄處不到3 mm，很難通過鍛造和機(jī)加工生產(chǎn)出來。1993年，美國Howmet公司首次采用Ti-4822合金鑄造出低壓渦輪葉片，并在CF6-80C發(fā)動機(jī)試車。2006年，PCC公司通過熔模精密鑄造將Ti-48Al- 2Cr-2Nb應(yīng)用到GE公司最新一代發(fā)動機(jī)GEnxTM，GEnxTM-1B，GEnxTM-2B低壓渦輪的最后2級葉片上，陸續(xù)裝配波音787和747-8s客機(jī)上，首次實現(xiàn)了TiAl合金在航空發(fā)動機(jī)中的規(guī)?；瘧?yīng)用，使發(fā)動機(jī)質(zhì)量減輕約180 000 g，實現(xiàn)了節(jié)油20%、降噪50%、減少NO排放量80%的顯著效果[9]，英國羅-羅公司也致力于將精密鑄造TiAl合金葉片應(yīng)用到發(fā)動機(jī)低壓渦輪最后一級。在汽車發(fā)動機(jī)部件中，日本三菱公司和大同特殊鋼公司采用真空熔煉反重力低壓鑄造技術(shù)（CLV）生產(chǎn)了Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-03Si合金增壓器渦輪，替代鎳基Inconel713C增壓器渦輪應(yīng)用在三菱藍(lán)瑟跑車上，葉片尖端僅為0.35 mm，顯著降低了渦輪響應(yīng)時間。美國Howmet公司研制的增壓器渦輪及進(jìn)氣閥、排氣閥，在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)了商業(yè)化，由ABB公司用在2個柴油發(fā)動機(jī)上運(yùn)行了4000 h，取得了成功。國內(nèi)中科院金屬所采用離心熔模鑄造制造的Ti-45Al-2Mn-2Nb-1B合金低壓渦輪葉片已經(jīng)在羅-羅公司的新型發(fā)動機(jī)Trent XWB上完成模擬飛行循環(huán)考核試驗。北京航空材料研究院、沈陽鑄造研究所有限公司、西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京鋼鐵研究總院等單位也開展了TiAl合金精密鑄造技術(shù)研究，研制了TiAl合金擴(kuò)壓器、葉片和增壓器渦輪等鑄件[10-13]。沈陽鑄造研究所有限公司采用熔模精密鑄造技術(shù)成功研制出最大尺寸為800 mm的薄壁TiAl合金彈翼骨架，大力推動了TiAl合金鑄件在航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

TiAl合金在熔融狀態(tài)下活性高、流動性差、凝固收縮率大、凝固過程易開裂的特點對復(fù)雜薄壁構(gòu)件的尺寸精度控制、表面質(zhì)量、內(nèi)部缺陷控制提出了較大挑戰(zhàn)，有研究表明在基礎(chǔ)尺寸為10～80 mm時，Ti4822合金的自由線收縮率為3.11%～2.09%，是常規(guī)ZTC4合金的2倍左右，收縮率大導(dǎo)致TiAl合金鑄件尺寸難以控制、殘余應(yīng)力大[14]。熔模精密鑄造的關(guān)鍵在于型殼質(zhì)量和性能，如何在保持較高表面質(zhì)量的同時提高陶瓷型殼的退讓性是TiAl合金鑄造區(qū)別傳統(tǒng)鈦合金的關(guān)鍵。在型殼制備方面，國內(nèi)外學(xué)者對適用于TiAl合金的面層耐火材料、粘結(jié)劑和制備方法進(jìn)行了有意義的探索。TiAl合金主要使用惰性氧化物作為型殼面層材料，主要包括Y2O3，ZrO2，CaO和Al2O3等。林秀德等[15]對比研究了高Nb-TiAl合金與Al2O3，ZrO2，Y2O3陶瓷材料的界面反應(yīng)，得出界面反應(yīng)厚度分別為40，170，20 μm（見圖2），從界面反應(yīng)角度看，Y2O3仍是TiAl合金最佳的面層耐火材料。Y2O3型殼面層工藝是生產(chǎn)航空航天鑄造鈦合金的成熟工藝，具有高化學(xué)惰性、低熱導(dǎo)率和高強(qiáng)度，澆注TiAl合金鑄件可獲得較高的表面質(zhì)量[16]。英國伯明翰大學(xué)系統(tǒng)研究了經(jīng)CaO穩(wěn)定的ZrO2面層工藝[17]，并研究了不同型殼預(yù)熱溫度下的界面反應(yīng)，研究表明該面層工藝相比于傳統(tǒng)鋯石/氧化硅面層具有相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能和更好的退讓性能，相比于氧化釔面層，該面層工藝的抗摩擦磨損性得到了改善。此外測得在500，1000，1200 ℃的型殼預(yù)熱溫度下，該型殼面層與TiAl合金的界面反應(yīng)層厚度分別為18.0，36.4，57.4 μm。中科院金屬所采用增強(qiáng)界面反應(yīng)方法研究了ZrO2面層與TiAl熔體的界面反應(yīng)機(jī)理[18]，并指出高溫下ZrO2分解成Zr和O，Zr與Al反應(yīng)生成的Al2Zr相分布枝晶間，O向內(nèi)擴(kuò)散形成TiO和Al2O3的界面產(chǎn)物。在低成本制造的推動下，CaO和Al2O3也被考慮作為TiAl合金的面層材料，并被澆注出增壓器渦輪等鑄件，Al2O3與TiAl合金的熱膨脹系數(shù)非常相近，可降低TiAl合金發(fā)生開裂的幾率，因此人們看好Al2O3作為TiAl合金面層的應(yīng)用前景。

圖1 TiAl合金熔模鑄造典型精密鑄件[8]

TiAl合金面層粘結(jié)劑通常延續(xù)鈦合金面層粘結(jié)劑體系，采用二醋酸鋯、釔溶膠和鋯溶膠，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，但受商業(yè)和技術(shù)保密影響，相關(guān)報道較少，開發(fā)新型面層粘結(jié)劑，提高面層惰性，降低成本是未來TiAl合金面層粘結(jié)劑的發(fā)展方向。TiAl合金型殼退讓性的提高主要通過調(diào)整粘結(jié)劑和耐火材料種類，調(diào)整涂掛層數(shù)以及在型殼背層涂料加入高聚物。在型殼背層涂料中添加高聚物，在高溫焙燒的過程中，添加物被燒蝕而形成多孔型殼，多孔型殼一方面提高了型殼退讓性和透氣性，另一方面可以有效減緩傳熱，保溫性好，可以減少鑄件產(chǎn)生欠澆和熱裂缺陷，值得注意的是，高聚物的添加量需依據(jù)鑄件尺寸和型殼強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計[19-20]。左家斌等[21]研究了粘結(jié)劑種類對型殼退讓性的影響，型殼面層粘結(jié)劑均為二醋酸鋯，背層粘結(jié)劑分別采用硅溶膠和硅酸乙酯，其他材料和工藝都相同的條件下，硅溶膠型殼的平均抗彎強(qiáng)度為6.87 MPa，硅酸乙酯型殼的平均抗彎強(qiáng)度為3.42 MPa，高溫?fù)隙葴y試表明硅酸乙酯型殼的退讓性優(yōu)于硅溶膠型殼。

2 TiAl合金鑄錠冶金成形技術(shù)

鑄態(tài)TiAl合金的組織通常由較粗大的近片層組織組成，室溫塑性較差，通過鑄錠冶金的方式進(jìn)一步破碎TiAl合金的組織，可在一定程度上調(diào)控合金的力學(xué)性能，提升合金的室溫塑性[22]。TiAl合金較常用的鑄錠冶金工藝包括等溫鍛造、包套鍛造、熱擠壓、熱軋制等熱加工工藝，在熱加工之前需要對鑄錠進(jìn)行熱等靜壓和均勻化退火處理，以消除顯微鑄造缺陷和偏析。TiAl合金開坯手段包括包套鍛造、等溫鍛造和包套擠壓，德國GKSS研究中心采用α+γ兩相區(qū)的一次等溫鍛造制備出了最大直徑為600 mm的鍛坯。國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等單位通過包套鍛造制備出最大直徑為400～500 mm、厚度為40～50 mm的TiAl合金鍛坯，主要利用了合金中高溫下具有較好變形能力的BCC結(jié)構(gòu)的β相。包套鍛造相比等溫鍛造具有更細(xì)小的組織，但組織均勻程度差。包套擠壓相比于包套鍛造和等溫鍛造工藝可控性更好，德國GKSS研究中心將包套擠壓TNB合金進(jìn)行直接機(jī)加工或等溫鍛造相結(jié)合制造高壓壓氣機(jī)TiAl合金葉片（見圖3），成為了高壓壓氣機(jī)TiAl葉片的主要制備方法[8]。

圖2 TiAl合金與耐火材料的界面反應(yīng)[14]

圖3 航空發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)TiAl合金葉片成形工藝示意[8]

2016年，德國MTU公司宣布將鍛造TNM低壓渦輪葉片應(yīng)用在A320客機(jī)的PW1100G-JM發(fā)動機(jī)上，并已完成首飛。鍛造TiAl合金葉片的應(yīng)用展示了變形TiAl合金的巨大應(yīng)用前景，截至2015年，已經(jīng)為PW1100G發(fā)動機(jī)裝配了10 000個鍛造TNM合金葉片。作為β凝固TiAl合金，TNM合金表現(xiàn)出良好的熱加工性能，通過鑄坯在β單相區(qū)兩次鍛造成形和后續(xù)熱處理獲得了理想的組織和綜合力學(xué)性能[23]。鍛后熱處理主要分為2步，首先在α轉(zhuǎn)變溫度以下進(jìn)行再結(jié)晶退火，然后在共析溫度以下進(jìn)行穩(wěn)定化退火，通過調(diào)整第1步再結(jié)晶退火溫度可以獲得2種組織，一種是細(xì)小片層團(tuán)、等軸γ晶和β/B2晶粒體積比相近的triplex組織，另一種是近片層組織，其中含有少量等軸γ相、β/B2相，2種組織都具有較高的強(qiáng)度，但近片層組織具有更好的高溫抗蠕變性能，而triplex組織表現(xiàn)出更好的韌塑性（見圖4）。

圖4 TNM合金的2種組織及力學(xué)性能[23]

TiAl合金具有良好的超塑成形性，因此為TiAl合金成形提供了另一種可能，目前，利用TiAl合金的超塑性，已經(jīng)成功軋制出TiAl基合金板材并制造出復(fù)雜的薄板構(gòu)件[24]。TiAl合金板材在航空航天領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用市場，美國已將TiAl板材列為主要航空計劃的備選材料，另外，TiAl合金板材還是理想的彈體蒙皮材料。Plansee AG技術(shù)中心開發(fā)了先進(jìn)的軋制技術(shù)[25]，它采用α+γ兩相區(qū)以較低的軋制速度成功軋制出大尺寸Ti-48Al-2Cr及Ti-47Al-2Cr-0.2Si合金板材，至今已軋制出的TiAl合金板材的最大尺寸為2000 mm×500 mm×1 mm，代表了TiAl合金板材制備的最高水平。俄羅斯金屬超塑性研究所采用包套鍛造和共析溫度以下等溫軋制技術(shù)制備出尺寸為200 mm×120 mm×1.7 mm的Ti-45.2Al-3.5(Cr，Nb，B)合金板材[26]。另一種軋制采用鑄坯直接軋制的方法，極大簡化了板材軋制工藝，省去了鑄錠熱等靜壓、均勻化熱處理以及熱鍛工序。NASA格倫研究中心發(fā)展了這一軋制工藝，并在一些TiAl合金中有著成功案例，相比于傳統(tǒng)P/M和I/M，鑄坯直接軋制可降低約35%的成本。國內(nèi)也開展了相關(guān)研究并取得突破，采取鑄錠直接包套熱軋的方法成功制備了高Nb-TiAl合金板材，板材尺寸為360 mm×100 mm×3.5 mm，軋制板材在950 ℃以上和高應(yīng)變速率下表現(xiàn)出良好的超塑性[27]。

3 TiAl合金粉末冶金成形技術(shù)

粉末冶金成形在消除TiAl合金成分偏析、疏松、縮孔等方面具有較大優(yōu)勢，TiAl預(yù)合金粉末的制備方法主要包括氣霧化法和機(jī)械合金化法。采用惰性氣體霧化、等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法和感應(yīng)熔煉氣霧化制得的預(yù)合金粉末具有成分均勻性好，間隙雜質(zhì)含量低、力學(xué)性能好的優(yōu)點，但成本較高，制備難度較大。機(jī)械合金化是制備TiAl合金預(yù)合金粉末的一種工藝，因混合元素粉末反復(fù)經(jīng)歷冷焊、破碎、再冷焊、再破碎，可以獲得非晶態(tài)或納米晶粉末，該工藝的關(guān)鍵是控制球磨過程中雜質(zhì)O和N的含量。元素粉末法使用Ti粉、Al粉和其他元素粉末，成本較低，成形性好，但是雜質(zhì)含量高，燒結(jié)性能差[28]。粉末冶金TiAl合金的微觀組織主要有近γ組織、雙態(tài)組織和全片層組織等，當(dāng)微觀組織為細(xì)小晶粒的雙態(tài)組織或全片層組織時，粉末冶金TiAl合金才會表現(xiàn)出較好的綜合力學(xué)性能。根據(jù)合金α溫度，可指定不同的熱處理制度獲得上述組織，一般來說，雙態(tài)組織的抗拉強(qiáng)度和伸長率都優(yōu)于全片層組織材料，原因在于雙態(tài)組織相對全片層組織更細(xì)小?；茙чL度縮短，滑移面位錯運(yùn)動長度和位錯堆積減少，降低了滑移面交接處和晶界的應(yīng)力集中。

圖5 熱等靜壓粉末冶金成形TiAl合金殼體和艙體[29]

預(yù)合金粉末的成形方法有熱等靜壓近凈成形、熱加工成形（鍛造、擠壓、軋制）、金屬注射成形、噴射成形和放電等離子燒結(jié)。航空材料及工藝研究所采用熱等靜壓粉末近靜成形技術(shù)研制了TiAl合金殼體、艙體和骨架構(gòu)件典型結(jié)構(gòu)件（見圖5），其中殼體最大輪廓尺寸為600 mm×400 mm，構(gòu)件內(nèi)外殼形成中空結(jié)構(gòu)，壁厚僅為3 mm，部分構(gòu)件已經(jīng)進(jìn)行了熱試車，具備了在航空航天等型號中的應(yīng)用條件[29]。很多學(xué)者對熱等靜壓工藝參數(shù)和TiAl合金組織致密化行為進(jìn)行了研究，He等[30]研究了高Nb-TiAl合金PREP粉末的致密化和組織特征，發(fā)現(xiàn)粉末壓坯的顯微組織和性能受粉末粒徑影響，顯微組織顯示出部分初始顆粒邊界；Hamble等[31]研究表明Ti-46Al-2Cr-2Nb合金的拉伸性能主要受微觀組織影響，而熱等靜壓溫度對合金最終拉伸性能的影響很??；Yang等[32]研究表明，粉末粒徑和HIP后時效對Ti4522XD合金的拉伸性能影響較小；Li等[33]研究了粉末冶金熱等靜壓Ti-45Al- 7Nb-0.3W合金的組織和高溫力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)其微觀組織為典型的近γ組織形貌（見圖6），從室溫到1000 ℃，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在700 ℃，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為575 MPa和534 MPa，塑性在700 ℃以上快速增加。

圖6 粉末熱等靜壓TiAl合金的XRD衍射圖譜和顯微組織[33]

元素粉末的成形方法包括熱壓燒結(jié)、熱加工成形和放電等離子燒結(jié)，元素粉末熱壓燒結(jié)工藝采用單向或三向壓力作用于模具內(nèi)的粉末，在高溫下粉末產(chǎn)生塑性變形或蠕變以達(dá)到致密化，該工藝存在壓坯密度不均勻和難以脫模的問題。中南大學(xué)采用元素粉末經(jīng)冷等靜壓和徑向熱壓相結(jié)合的工藝，按Ti-47Al-2Cr-2Nb成分配比制備了483Q柴油機(jī)排氣閥，其中排氣閥的端部采用元素粉末冶金制造，桿部采用鑄造TiAl合金制造，再通過真空擴(kuò)散連接形成完整排氣閥，在發(fā)動機(jī)臺架試驗展現(xiàn)出良好的服役性能，經(jīng)臺架試驗后，粉末冶金TiAl基合金排氣閥外形完好，無明顯損傷和氧化皮剝落現(xiàn)象[34]。熱壓燒結(jié)和熱加工成形面臨的共同問題是難以獲得均勻的組織，從而導(dǎo)致構(gòu)件不同部位的力學(xué)性能發(fā)生變化。放電等離子燒結(jié)的特點在于較快的加熱速率和較短的燒結(jié)時間，在粉末致密化的過程中有效避免了晶粒長大，由于有限擴(kuò)散機(jī)制，放電等離子燒結(jié)工藝可獲得均勻的組織，避免了力學(xué)性能離散。Voisin等[35]通過放電等離子燒結(jié)工藝成功制備了Ti-4822合金渦輪葉片（見圖7），與精密鑄造Ti-4822合金相比，該工藝獲得的室溫力學(xué)性能和700 ℃/300 MPa抗蠕變性能更加優(yōu)異。

圖7 SPS制備Ti-4822合金葉片[35]

因粉末冶金軋制板材可以獲得組織更為均勻細(xì)小、性能良好的TiAl合金板材，在航空航天領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，成為了近年來的研究熱點。通過粉末冶金軋制工藝解決了鑄錠冶金工藝難以消除成分偏析和獲得大尺寸TiAl板材的難題。Plansee公司和GKSS研究中心利用ASRP工藝成功制備了1000 mm′450 mm′1 mm和750 mm′350 mm′0.25 mm的箔材[36]。中科院金屬所采用粉末包套熱等靜壓和包套熱軋工藝制備了Ti-47Al合金板材，尺寸為220 mm′370 mm′2 mm。熱軋后組織細(xì)小均勻、室溫拉伸性能m為668 MPa，p0.2為6.8 MPa，為2.56%，通過Gleeble熱軋模擬表明TiAl合金鍛造態(tài)及HIP態(tài)熱軋工藝窗口很窄，必須嚴(yán)格控制軋制工藝參數(shù)，才能有效避免軋制過程中裂紋產(chǎn)生[37]。

4 增材制造

增材制造技術(shù)基于離散-堆積原理，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動，采用逐層堆積材料的方法，可實現(xiàn)實體零件的快速成形，具有設(shè)計自由度大、材料利用率高、產(chǎn)品研發(fā)周期短的優(yōu)點，因此為TiAl合金成形提供了一種可能，與傳統(tǒng)工藝相比，增材制造過程降低了縮孔、縮松的形成傾向，有利于形成細(xì)小的晶粒組織，提高構(gòu)件的力學(xué)性能[38-40]。目前應(yīng)用TiAl合金的增材制造技術(shù)主要包括選區(qū)激光熔化（SLM）、激光金屬沉積（LMD）、電子束選區(qū)熔化（EBM）和電弧增材制造。

激光增材制造以高能量密度的激光束為熱源，將金屬粉末逐層熔化堆積，直接形成金屬構(gòu)件（見圖8），在激光束反復(fù)加熱、冷卻過程中，TiAl合金易產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，隨著增材制造TiAl合金沉積厚度的增加，殘余應(yīng)力隨之增加。SLM技術(shù)的最大優(yōu)點在于成形件具有較高的表面精度，適合渦輪葉片等復(fù)雜形狀構(gòu)件的近凈成形。TiAl合金固有的脆性特征，使SLM成形的TiAl合金極易產(chǎn)生裂紋。一般認(rèn)為，SLM成形TiAl合金開裂的主要原因是快速冷卻造成的高殘余應(yīng)力超過了合金的基體強(qiáng)度，因此降低冷卻速率是抑制裂紋產(chǎn)生的主要方法。研究表明通過增加激光能量輸入、提高基板預(yù)熱溫度、降低掃描速度有利于減小材料的熱應(yīng)力[41-44]，另有研究發(fā)現(xiàn)調(diào)整激光離焦量，使更多激光能量作用于粉末而不是沉積件上，可降低TiAl合金件的裂紋傾向[45-49]。激光金屬沉積技術(shù)（LMD）通常配備更高的額定功率和更大的光斑直徑，熔池尺寸較SLM更大，因采用同軸送粉方式，掃描速度低于SLM，表面質(zhì)量和尺寸精度差，需要后續(xù)的二次加工，LMD的優(yōu)點是可以在現(xiàn)有零部件上直接打印，使金屬零部件的修復(fù)成為可能，另外借助LMD技術(shù)可實現(xiàn)梯度材料零件的成形。在合金成分控制上，因TiAl合金中Al元素蒸氣壓較高，在激光束的掃描下，易產(chǎn)生揮發(fā)損失，從而使微觀組織發(fā)生改變，其揮發(fā)損失主要與激光能力密度有關(guān)，隨著能量密度的增加，Al元素?fù)]發(fā)損失量明顯增多。

電子束選區(qū)熔化（EBM）以電子束作為能源，相比于激光增材有其獨(dú)特的優(yōu)缺點，其優(yōu)點在于電子束可以對粉末進(jìn)行有效預(yù)熱，從而降低TiAl合金構(gòu)件的開裂傾向，但電子束增材制造沒有Ar氣保護(hù)，需在真空環(huán)境下進(jìn)行，因此易揮發(fā)元素的含量不易控制。Yue等研究表明，隨著電子束流的增加，Al元素的含量不斷較少，使TiAl合金最終凝固組織的B2相和α2相數(shù)量隨之增多，γ相數(shù)量逐漸減少，另外還發(fā)現(xiàn)電子束增材制造由于冷卻速度快和殘余應(yīng)力較大，會導(dǎo)致γ晶內(nèi)產(chǎn)生大量的變形孿晶和位錯。在TiAl合金的逐層沉積過程中，每一層的沉積都相當(dāng)于對上一層進(jìn)行了退火，因此減少了沉積層的位錯密度[50]。意大利Avio公司與瑞典Arcam公司合作，采用電子束熔融技術(shù)制造出了GEnx飛機(jī)發(fā)動機(jī)TiAl渦輪葉片并進(jìn)行了測試[51]（見圖9），超高的預(yù)熱溫度、較高的成形效率和良好的成形質(zhì)量使EBM被認(rèn)為是目前最適合TiAl合金復(fù)雜件成形的增材制造技術(shù)，EBM甚至可以在成形過程中利用紅外成像對溫度分布和缺陷等進(jìn)行實時監(jiān)控，進(jìn)而實現(xiàn)對缺陷的實時修復(fù)。

圖8 激光增材制造工藝（LMD）示意[48]

電弧增材制造與其他成形技術(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。目前，電弧增材制造TiAl合金的研究開展并不多，澳大利亞臥龍崗大學(xué)和國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)開展了該技術(shù)的基礎(chǔ)研究[52]，包括基板選材、送絲方式、焊接電流和沉積速度等工藝參數(shù)的研究，以及微觀組織、晶粒取向和力學(xué)性能的研究。在增材制造TiAl合金時，通過2個獨(dú)立送絲機(jī)構(gòu)將鈦絲和鋁絲添加到熔池內(nèi)，沉積層的成分和顯微組織存在差異，沿著沉積方向α2和γ相的體積分?jǐn)?shù)也發(fā)生了變化，因此電弧增材制造的成分、組織的均勻性控制仍需要進(jìn)一步解決。此外，如何在電弧增材制造中添加其他合金元素也是有待解決的重要問題。

圖9 電子束增材制造Ti-48Al-2Cr-2Nb合金LPT葉片[51]

增材制造TiAl合金在室溫下微觀組織以γ相為主，重復(fù)熔化會導(dǎo)致沿成形方向上的組織分層，相比于傳統(tǒng)鑄造工藝，增材制造具有快速冷卻的特點，細(xì)晶效應(yīng)產(chǎn)生更好的拉伸性能和硬度值，分層組織間較差的結(jié)合界面使成形方向上的斷裂強(qiáng)度通常較低。TiAl合金增材制造成形通常需要進(jìn)行熱等靜壓和兩步熱處理以消除孔隙缺陷[53]，進(jìn)一步調(diào)整組織形態(tài)。

5 總結(jié)與展望

TiAl基合金作為一種輕質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)材料，滿足了航空、航天、汽車等領(lǐng)域的減重、降油耗、減排放的迫切需要，應(yīng)用前景十分廣闊。在幾代科技工作者的努力下，TiAl基合金的成分設(shè)計理念日益成熟，大量組織性能關(guān)系研究工作讓人們看到了TiAl基合金的未來潛力。近10年來，國內(nèi)外材料科技工作者已著重從應(yīng)用層面反向梳理TiAl合金發(fā)展存在的障礙，并以此為切入點開展了針對性的研究工作。TiAl合金的精密成形技術(shù)是TiAl合金走向應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)，也是該材料發(fā)展的最大難點，雖然國內(nèi)外在TiAl合金精密成形上取得了重要的突破，但是仍然需要在低成本制造和加強(qiáng)各個成形工藝的成熟度上加大投入。

TiAl合金的精密鑄造技術(shù)是相對成熟的近凈成形工藝，低成本制殼技術(shù)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的鑄造缺陷、尺寸精度控制和通過后序處理提升服役性能是TiAl精密鑄造成形的發(fā)展方向；粉末冶金制備TiAl合金在獲得均勻細(xì)小的組織、合金成分控制方面具有很大優(yōu)勢，已成為TiAl合金精密成形技術(shù)的一個重要研究領(lǐng)域，其難點在于消除孔隙及間隙元素含量控制，因此研制高質(zhì)量TiAl合金粉末，減少微觀缺陷產(chǎn)生和污染是未來的工作重點。TiAl合金板材在未來航空航天工業(yè)中有著巨大需求，粉末冶金和鑄錠冶金作為板材成形的2個主要途徑，還需要繼續(xù)完善TiAl合金的擠壓、鍛造、軋制的熱變形技術(shù)。無論是激光增材制造還是電子束增材制造，目前的研究都集中在工藝-組織-性能關(guān)系和以提高構(gòu)件致密性、消除裂紋缺陷的工藝優(yōu)化上，低成本TiAl合金粉末制備和適合于增材制造的TiAl合金開發(fā)是未來的發(fā)展方向，另外作為TiAl合金成形效果最好的EBM技術(shù)，需要從工程化應(yīng)用出發(fā)，進(jìn)一步建立工藝和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，對成形工藝穩(wěn)定性，成形過程缺陷實時監(jiān)控和修復(fù)、質(zhì)量檢驗、性能測試進(jìn)一步規(guī)范化。

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Development Status and Prospect of Precision Forming Technology for TiAl Alloy

XIE Hua-sheng, LIU Shi-bing, ZHAO Jun, ZHANG Zhi-yong, BAO Chun-ling

(State Key Laboratory of Light Alloy Casting Technology for High-end Equipment, Shenyang Research Institute of Foundry, Co., Ltd., Shenyang 110022, China)

As an excellent lightweight and high temperature resistant structural material, TiAl alloy has wide application and development prospect in hot end components for aviation, aerospace, automobile, weapons, etc. However, due to its poor cold and hot workability, low room temperature plasticity and fracture toughness, there are still great obstacles in further engineering. To tap the application potential of TiAl alloy, research institutions and enterprises all over the world have carried out fruitful research from material design, microstructure and property regulation to forming process. The work summarized the research progress in precision forming of TiAl alloy in recent years, including investment casting, ingot metallurgy, powder metallurgy and additive manufacturing technology. At present, TiAl alloy investment casting blades and hot working blades have been successfully applied to aeroengines. Powder metallurgy forming and additive manufacturing technology show unique advantages in complex component forming and sheet metal forming. However, they still need to be further improved in terms of low cost and process stability.

TiAl alloy; precision forming; investment casting; ingot metallurgy; powder metallurgy; additive manufacturing

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.01.006

TG146.2

A

1674-6457(2022)01-0044-11

2021-08-16

國家重點研發(fā)計劃（2020YFB2008300）

謝華生（1966—），男，博士，研究員，主要研究方向為先進(jìn)鈦合金精密成形技術(shù)。