上海交大等 l 增材制造TiAl合金的缺陷、微观组织与性能：形成机制、影响因素及改进策略

上海交通大学与澳大利亚伍伦贡大学的科研人员综述报道了增材制造TiAl合金的缺陷、微观组织与性能：形成机制、影响因素及改进策略。相关论文以“Defects, microstructure and properties in additive manufacturing of TiAl alloys: Formation mechanisms, influencing factors and improvement strategies”为题发表在《Materials & Design》上。

文章亮点：

• 综述TiAl合金增材制造方法的研究现状

• 探讨增材制造TiAl合金微观组织与缺陷的形成机制

• 总结增材制造TiAl合金多种力学性能的特征与失效机制

• 提出解决增材制造TiAl合金现存问题的方案

• 指明未来研究挑战与潜在方向

TiAl合金因其优异的高温性能成为航空发动机关键材料，但本征脆性制约了传统制造。电子束熔融（EBM）、激光增材制造（LAM）和电弧定向能量沉积（DED-arc）等增材制造技术为其提供了新思路。本文系统分析了增材制造TiAl合金的缺陷（开裂与Al元素挥发）形成机制：EBM的高预热可抑制开裂但真空环境加剧Al挥发，LAM能减少Al蒸发却易受热应力开裂影响，DED-arc成本低且致密度高但存在成分偏析。进而讨论了微观组织特征、演化机制，以及拉伸强度、断裂韧性、蠕变、疲劳、氧化和耐磨等性能特性与失效机制。通过工艺优化、合金化与热处理等调控策略系统性改善缺陷并提升性能。此外，剖析了TiAl基双金属结构的增材制造研究现状，揭示界面结合与性能增强的挑战。最后提出未来研究方向，强调需建立标准化工艺、开发先进合金设计及多能场耦合技术，以实现大尺寸无裂纹且高性能TiAl构件。本综述为推进TiAl合金高质量增材制造提供重要参考。

关键词：TiAl合金；增材制造；加工工艺；微观组织；力学性能

图1.(a)GEnx低压涡轮末两级结构，(b)TiAl-4822涡轮叶片

图2.TiAl合金增材制造技术的综合对比

图3.不同增材制造技术制备TiAl合金的开裂行为

图4.(a)TW-DED-arc制备Ti45Al合金开裂行为的EBSD分析，(b)EBM制备TiAl-4822在不同参数下的宏观形貌与残余应力分布，(c)SLM制备TiAl-4822的冷却速率相变演化与裂纹抑制示意图

图5.TiAl合金增材制造开裂行为的影响因素

图6.不同增材制造技术制备TiAl合金的交替层带状微观组织

图7.(a)LMD制备TiAl-4822，(b)TW-DED-arc制备Ti48Al，(c)EBM制备TiAl-4822的层带状组织形成示意图

图8.EBM制备TiAl-4722合金的微观组织退化：(a)不同高度处的组织与(b)热历史示意图，(c)组织演化过程

图9.EBM制备TiAl合金的蠕变性能与组织：(a)TiAl-4822合金在800℃、825℃和850℃下的表现，(b)Ti45Al8Nb合金在800℃与850℃下的表现

图10.EBM制备TiAl-4822在(a)室温与1023K、TW-DED-arc制备TiAl-4822在(b)室温下的疲劳性能与组织

图11.表面加工技术示意图

图12.TiAl合金增材制造缺陷的调控策略

图13.LMD制备双金属结构：(a)TiAl-4822/Ti17，(b)TiAl/Ti2AlNb

增材制造TiAl合金因其应用前景广阔而备受关注。本文系统总结了当前研究现状，但裂纹、Al元素挥发、组织不均匀性与各向异性等问题仍待解决。工艺优化、热处理及合金化是潜在解决方案，主要结论如下：

（1）缺陷控制；EBM工艺因高真空环境易导致Al挥发，改变凝固路径影响性能。通过优化工艺参数可减少热输入，抑制Al损失。TiAl合金本征脆性及高残余应力易引发裂纹，需通过预热、合金化等手段调控，但大尺寸无裂纹构件制备仍是挑战。

（2）组织特征；增材制造TiAl合金呈现沿成型方向交替分布的层带状组织，由多次热循环导致，伴随力学性能各向异性。沉积组织从顶部到底部逐渐退化，因相变温度以上热循环次数增加所致。适当增加热输入或减小层厚可改善各向异性，但会加剧组织退化。

（3）力学性能；现有研究多集中于拉伸性能（部分与传统工艺相当），但TiAl合金作为高温结构材料（脆-韧转变温度＞700℃），还需系统研究断裂韧性、蠕变、疲劳及抗氧化等性能。

（4）调控策略；工艺优化、热处理和合金化可调控层片间距、相含量等组织特征，但完全均匀的细晶全层片组织仍难实现。合金化在提升抗裂性同时，需兼顾航空发动机材料的成分严苛性。

（5）双金属结构；TiAl/Ti及TiAl/Ti2AlNb双金属结构研究集中于界面调控与硬度/拉伸性能，未来需拓展至TiAl/镍基高温合金等体系。

图14.TiAl合金增材制造的挑战与展望

需通过成分设计、工艺创新及智能技术协同突破现有瓶颈（图14）：

（1）专用成分设计；采用Nb、W等微量元素提升组织稳定性，结合人工智能与高通量计算优化合金配方。

“3D Science Valley 白皮书 图文解析

（2）多能场耦合工艺；开发红外加热、超声辅助等多能场耦合技术，协同调控残余应力与组织，实现大尺寸无裂纹制备。

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（3）多级热处理开发；针对非平衡态沉积组织，建立热参数与组织演变关系，开发多级热处理工艺以获得均匀细晶全层片组织。

（4）性能数据库构建；系统评估高温性能，建立工艺-缺陷-组织-性能关联数据库，结合人工智能优化工艺参数。

（5）标准化研究；统一实验标准，推动增材制造TiAl合金的工业化应用。

论文链接： https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.114235

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