增材制造600 ℃高溫鈦合金研究進展

作者：弭光寶, 譚勇, 陳航等
來源：航空材料學(xué)報, 2024, 第44卷(1):15-30.

高性能軍用戰(zhàn)斗機和新一代民用大飛機的應(yīng)用需求推動航空發(fā)動機朝高推重比、高渦輪前溫度和低油耗等方向發(fā)展，這要求航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)材料具有更高的綜合性能[1-3]。相比鎳基高溫合金和結(jié)構(gòu)鋼等材料，高溫鈦合金具有低密度、高比強和耐腐蝕等優(yōu)點，在先進航空發(fā)動機高壓壓氣機關(guān)鍵部件中具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢[3-4]。目前，國外先進航空發(fā)動機中高溫鈦合金的用量已占發(fā)動機結(jié)構(gòu)質(zhì)量的25%～40%，例如美國在F22 機型的發(fā)動機F119 中高溫鈦合金的使用量已達41%[4]，而我國第二代航空發(fā)動機中鈦合金的用量約為13%～15%[5-6]，第三代用量達到25%。先進航空發(fā)動機的發(fā)展需求牽引著高溫鈦合金逐漸向高性能和整體化方向發(fā)展[7]。高溫鈦合金構(gòu)件服役于高溫高壓等苛刻環(huán)境，幾何結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜。目前，航空發(fā)動機等領(lǐng)域所用復(fù)雜高溫鈦合金構(gòu)件主要依靠鍛造、焊接、鑄造和機加工等傳統(tǒng)制造方法[8]。采用傳統(tǒng)成形方法制備復(fù)雜高溫鈦合金構(gòu)件存在工藝復(fù)雜、材料利用率低、生產(chǎn)周期長、成本高和機加工效率低等缺點，不利于推動高溫鈦合金在航空發(fā)動機中的安全應(yīng)用及新材料體系的開發(fā)[9]。

增材制造是一種新型加工制備工藝，以粉末或金屬絲為原材料，應(yīng)用高能熱源（如激光、電子束等）按照預(yù)先規(guī)劃路徑使原材料加熱熔化，逐層堆積凝固成形[10-12]。與傳統(tǒng)工藝相比，增材制造可以實現(xiàn)近凈成形和無�；�生產(chǎn)，能夠在縮短加工周期的同時提升材料利用率。此外，增材制造還能將多個零件進行整合加工，降低零件數(shù)量和裝配成本；相應(yīng)的修復(fù)技術(shù)還能用于關(guān)鍵零部件的維護，避免直接更換零件帶來的經(jīng)濟損失[11-13]。因此，采用增材制造技術(shù)制備高溫鈦合金關(guān)鍵/重要零部件，對推動高性能航空發(fā)動機的進一步發(fā)展具有重要的實際工程價值。

目前，已有大量關(guān)于鈦合金增材制造的研究工作，其中大部分圍繞TC4 鈦合金展開，包括微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和應(yīng)用領(lǐng)域等方面[14-15]，而對于耐更高溫度的增材制造高溫鈦合金材料尚處探索階段。增材制造600 ℃高溫鈦合金在未來航空發(fā)動機研制中具有良好的應(yīng)用前景，一些研究工作對其增材制造工藝進行了探索。本文在回顧600 ℃高溫鈦合金發(fā)展的基礎(chǔ)上，圍繞Ti60、Ti60A 和Ti600 三種典型600 ℃高溫鈦合金，對其增材制造微觀組織特征和關(guān)鍵性能進行綜述，并總結(jié)以600 ℃高溫鈦合金為基體的復(fù)合材料和梯度/復(fù)合結(jié)構(gòu)增材制造的相關(guān)研究工作，最后基于現(xiàn)有研究的不足對增材制造600 ℃高溫鈦合金未來發(fā)展方向進行展望。

1 600 ℃高溫鈦合金發(fā)展回顧
航空發(fā)動機是航空領(lǐng)域的核心裝備，高溫鈦合金作為航空發(fā)動機重要的金屬結(jié)構(gòu)材料，主要用于制造航空發(fā)動機壓氣機葉片、葉盤和機匣等關(guān)鍵/重要零部件[16-17]。高溫鈦合金性能的提高與航空發(fā)動機設(shè)計的迭代升級相輔相成，目前高溫鈦合金的使用量已成為衡量現(xiàn)代航空發(fā)動機技術(shù)水平的重要指標(biāo)之一[18-19]。

高溫鈦合金的研究始于20 世紀(jì)50 年代初，研究的國家主要為美國、英國、俄羅斯和中國等。經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者多年的研究，高溫鈦合金的發(fā)展取得巨大突破：常溫抗拉強度從300 MPa 提高到1500 MPa，服役溫度從300 ℃提高到600 ℃[20]。通過控制α 相穩(wěn)定元素和β 相穩(wěn)定元素的添加量，高溫鈦合金可分為α+β 型和近α 型鈦合金。雖然α+β 型鈦合金能夠?qū)崿F(xiàn)室溫強度與塑性的良好匹配，但是合金中存在較多的β 相，β 相在長時間熱暴露的服役狀態(tài)下會逐漸分解，導(dǎo)致組織不穩(wěn)定，α+β 型鈦合金的最高使用溫度為500 ℃左右。α相為密排六方結(jié)構(gòu)，擴散激活能比體心立方的β 相高、原子擴散系數(shù)比β 相小，在高溫狀態(tài)時α 相擁有更好的組織穩(wěn)定性、抗氧化性和抗蠕變性等，因此近α 型鈦合金的最高使用溫度可達600 ℃。

隨著航空發(fā)動機性能的不斷提升，航空發(fā)動機零部件需要在高溫、復(fù)雜應(yīng)力、氣流沖刷、高速振動、環(huán)境應(yīng)力腐蝕等更加苛刻的環(huán)境下服役，要求高溫鈦合金實現(xiàn)高溫強度、高溫蠕變抗力、熱穩(wěn)定性和疲勞性能等的良好匹配[21]。研究人員通過對合金成分、制造工藝和微觀組織的不斷優(yōu)化，開發(fā)出了一系列600 ℃高溫鈦合金。

1984 年英國推出國際上首種600 ℃高溫鈦合金IMI834[22]，已在多種高性能發(fā)動機上得到驗證和應(yīng)用。波音777 飛機選用的民用大型發(fā)動機Trent700 中高壓壓氣機的所有輪盤、鼓筒及后軸均為IMI834 合金制備，并采用電子束焊接工藝焊為一體，使得Trent700 成為第一個采用全鈦高壓壓氣機轉(zhuǎn)子的新型民用發(fā)動機；此外，EF2000 戰(zhàn)斗機中EJ200 發(fā)動機的高壓壓氣機轉(zhuǎn)子同樣由IMI834 合金制成[19]。1988 年，美國推出600 ℃高溫鈦合金Ti-1100，已應(yīng)用于萊康明公司T552-712 改型發(fā)動機高壓壓氣機輪盤和低壓渦輪葉片等零件。俄羅斯通過在多元合金系的基礎(chǔ)上添加W 元素提高合金耐熱溫度和抗蠕變性能，在20 世紀(jì)90 年代成功研制出服役溫度為600 ℃的BT36 鈦合金。

進入21 世紀(jì)，我國在600 ℃高溫鈦合金研制方面取得突破成果，研制出Ti60、Ti600 和TA29 等合金[22]。中國科學(xué)院金屬研究所與寶鈦集團有限公司聯(lián)合研發(fā)了具有優(yōu)良綜合性能的Ti60（TA33）合金，在高溫下具有較高的穩(wěn)定性和抗氧化性[18]。在Ti-1100 合金的基礎(chǔ)上，西北有色金屬研究院研發(fā)了Ti600 合金，目前已達到中試規(guī)模[23]。2000 年北京航空材料研究院創(chuàng)制了TA29（TG6）合金，不含Mo 元素，添加1.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）Ta可以提高合金強度，改善加工性能，適用于航空發(fā)動機部件制備[24]。

目前，典型的600 ℃高溫鈦合金包括美國的Ti-1100，英國的IMI834，俄羅斯的BT36 以及中國的TA29、TA33、Ti60A 和Ti600 等以及最新固化成分材料的TA37（Ti150），上述合金均為Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 系近α 型高溫鈦合金，相應(yīng)的材料及名義成分見表1[25]。

表1 典型600 ℃高溫鈦合金[25]

2 增材制造600 ℃高溫鈦合金的微觀組織
鈦合金的增材制造技術(shù)可分為直接能量沉積與粉末床熔化兩種。根據(jù)熱源不同，可分為激光熔化沉積（laser melting deposition，LMD）、電子束熔化沉積（electron beam melting deposition，EBMD）、電弧熔絲沉積（wire arc additive manufacturing，WAAM）、激光選區(qū)熔化（selective laser melting，SLM）和電子束選區(qū)熔化（selective electron beam melting，SEBM）五種工藝。目前，多采用激光增材制造（laser additive manufacturing，LAM）和電子束增材制造（electron beam additive manufacturing，EBAM）來制備600 ℃高溫鈦合金，電弧熔絲沉積則鮮有報道，表2 列出了四種600 ℃高溫鈦合金增材制造工藝的技術(shù)特點[26-27]。

表2 典型600 ℃高溫鈦合金增材制造工藝對比[26-27]

2.1 激光增材制造600 ℃高溫鈦合金組織
激光增材制造（LAM）工藝可分為激光熔化沉積（LMD）和激光選區(qū)熔化（SLM）兩種工藝[26]。LMD 又可稱為激光立體成形或激光直接沉積，是以高能激光束為熱源，在基板上熔化同步進給的金屬粉末，按照既定模型信息逐層堆積凝固成形的加工工藝。激光熔化沉積成形速率快，除可加工大尺寸構(gòu)件外，還能應(yīng)用于零件修復(fù)和表面涂覆，是600 ℃高溫鈦合金應(yīng)用最早和最多的增材制造工藝。

在激光熔化沉積過程中，高能激光熔化金屬粉末在基板表面形成熔池。由于基板的快速散熱，熔池快速冷卻（冷卻速率可達104～106 K/s）和凝固。圖1 為采用隔行掃描策略激光熔化沉積的Ti60A合金板材微觀組織[28]。由圖1 可見，組織由沿沉積方向定向生長的粗大柱狀晶組成，寬度可達200 μm，長度可達毫米級，片層間距為1.7～3.2 μm 的α 板條分布在柱狀晶內(nèi)部。熔池中心溫度梯度小，冷卻速度慢，易生成粗大柱狀晶；相鄰熔池搭接區(qū)溫度梯度大，冷卻速度快，易生成小柱狀晶，故在宏觀上形成粗細(xì)柱狀晶交錯的組織[28]。

圖1 激光熔化沉積Ti60A 合金微觀組織[28]（a）低倍；（b）高倍

激光能量密度會顯著影響LMD 合金的顯微組織。當(dāng)能量密度較大時，新層熔化時會使原沉積層充分重熔，進而冷卻凝固形成粗大的外延生長的β 柱狀晶；當(dāng)能量密度較小時，新層熔化不足以使原沉積層上部的等軸晶區(qū)充分重熔，便會形成層帶結(jié)構(gòu)[29]。

激光熔化沉積過程中，熔池底部沿溫度梯度外延生長的柱狀晶和熔池頂部未熔化顆粒作為形核位點誘導(dǎo)生成的等軸晶是兩種主要的凝固機制，合金的宏觀組織取決于哪種機制占據(jù)主導(dǎo)[30]。Deng等[31]在不采用后處理或添加形核劑的前提下通過LMD 工藝成功制備出了近等軸組織的Ti60 合金，如圖2（a）所示，并提出凝固溫度范圍ΔTf 比生長限制因子Q 能更準(zhǔn)確描述不同體系鈦合金中等軸晶形成的難易程度。傳統(tǒng)凝固理論認(rèn)為，凝固組織主要取決于生長限制因子Q，Q 值越大，形核生長越快，更易形成等軸組織。Ti60 相比TC21 擁有更低的Q 值和更高的ΔTf 值，卻更易形成等軸組織。凝固溫度范圍ΔTf 作為判據(jù)的有效性還需要更多的實驗數(shù)據(jù)進行驗證。

圖2 激光熔化沉積Ti60 合金微觀組織[31]（a）初生β 晶粒；（b）層帶結(jié)構(gòu)中的α 相；（c）晶間α 相；（d）晶內(nèi)α 相

除工藝參數(shù)外，金屬粉末的質(zhì)量也會顯著影響LMD 高溫鈦合金的微觀組織。例如，通過等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備的Ti60 粉末球形度高，而通過氣霧法制備的粉末則含有相當(dāng)一部分空心粉，在后續(xù)加工過程中容易產(chǎn)生氣孔進而降低Ti60 合金的使用性能[32]。

SLM 是利用高能激光束按照規(guī)劃路徑熔化預(yù)先鋪設(shè)的金屬粉末床，逐層熔化堆積制備零件的加工工藝。與其他成形工藝相比，SLM 所用粉末粒徑和激光光斑直徑更小，更適用于小型復(fù)雜零件的制備，加工構(gòu)件擁有更好的尺寸精度和表面質(zhì)量。由于SLM 所用粉末要求較高，目前相關(guān)研究較為缺乏。與LMD 相比，SLM 制備的600 ℃高溫鈦合金容易形成非平衡相。由于激光加工過程中的高冷卻速率，Ti600 高溫鈦合金中初生β 相無法完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣?相，而是通過共格切變形成針狀α′馬氏體相，在激光能量密度較高時，新層熔化會促進原沉積層中α′馬氏體原位分解生成α+β 相，故隨著能量密度升高，顯微組織中的β 相比例上升[33]。

2.2 電子束增材制造600 ℃高溫鈦合金組織
電子束增材制造（EBAM）工藝可分為電子束選區(qū)熔化（SEBM）和電子束熔化沉積（EBMD）。EBAM 是通過高能電子束將預(yù)先鋪設(shè)的粉末床或同步進給的金屬絲/粉末熔化沉積，按照設(shè)計的模型逐層堆積的成形工藝。與激光增材制造技術(shù)相比，EBAM 工藝具有真空環(huán)境無污染、熱源能量密度大、成形速度快和殘余應(yīng)力小等優(yōu)點[27]。EBAM在新層沉積過程中，會對原沉積層進行快速預(yù)熱，能有效降低成形過程中的溫度梯度，抑制或降低材料的熱裂傾向。

EBAM 的工藝特點使得所制備的600 ℃高溫鈦合金往往由粗大的柱狀晶組成，同時伴隨有硅化物和稀土氧化物等析出。圖3 為EBMD 工藝制備的Ti60 合金的顯微組織，宏觀組織為粗大的β 柱狀晶，平均寬度超過400 μm，柱狀晶穿過多層沉積層外延生長，生長方向略微傾斜于構(gòu)建方向；柱狀晶由層狀α 和β 相組成，并在α/β 界面析出了（TiZr）6Si3硅化物[34]。采用SEBM 制備的Ti600 高溫鈦合金宏觀組織同樣為粗大的柱狀晶，微觀組織為網(wǎng)籃組織，從頂部到底部α 板條的寬度不斷增大，由Y2O3、硅化物和Ti3Al 組成的“球狀組織”沿α 相邊界析出[35]。Lu 等[36]發(fā)現(xiàn)SEBM-Ti600 沉積態(tài)試樣具有較強的織構(gòu)，主要由片層α 相和晶界β 相組成，內(nèi)部還有尺寸約為1 μm 的板條狀（TiZr）5Si3 硅化物和尺寸為50～250 nm 的立方Y(jié)2O3 兩種析出物，與傳統(tǒng)的鍛造和軋制的Ti600 合金相比，Y2O3 更加細(xì)小且在基體中分散更均勻。

圖3 電子束熔化沉積Ti60 合金微觀組織[34]（a）截面宏觀組織；（b）截面微觀組織；（c）片層α 相；（d）硅化物

2.3 修復(fù)/熔覆600 ℃高溫鈦合金組織
除上述增材制造工藝外，由激光熔化沉積技術(shù)發(fā)展而來的激光修復(fù)技術(shù)[37-38]和激光送絲熔覆技術(shù)[39]以及部分混合制造工藝也被應(yīng)用于600 ℃高溫鈦合金的加工制備。

相比LMD 工藝，激光修復(fù)技術(shù)加工構(gòu)件微觀組織主要由三部分構(gòu)成：修復(fù)區(qū)（RZ）、熱影響區(qū)（HAZ）和基體金屬區(qū)（BMZ）。其中，RZ 往往表現(xiàn)出和LMD 工藝相同的微觀組織，而HAZ 則會顯著影響構(gòu)件的性能。采用激光修復(fù)技術(shù)可實現(xiàn)沉積態(tài)與鍛態(tài)Ti60 合金良好的冶金結(jié)合[37]。從基體到修復(fù)區(qū)，微觀組織逐漸由雙態(tài)組織向魏氏組織過渡。RZ 主要由柱狀晶構(gòu)成，并存在層帶特征。熱影響區(qū)上部由板條化的α 相和細(xì)化的β 轉(zhuǎn)變組織組成，下部則與基體組織相似。

激光送絲熔覆可用于改善合金表面性能，與激光修復(fù)技術(shù)類似，該工藝成形構(gòu)件也可分為三部分：熔覆區(qū)、熱影響區(qū)和基體。熔覆層厚度和稀釋率是評價熔覆層質(zhì)量的主要參數(shù)，熔覆層的質(zhì)量主要取決于激光功率、掃描速度和送絲速率[39]。

混合制造工藝目前受到大量的關(guān)注和研究，與單一工藝相比，混合制造工藝可以發(fā)揮不同工藝的優(yōu)勢，協(xié)同作用實現(xiàn)材料組織和性能的優(yōu)化。圖4 為結(jié)合激光熔化沉積和超聲沖擊強化（ultrasonic impact toughning，UIT）兩種工藝制備的Ti60合金微觀組織，沉積態(tài)試樣底部和頂部由等軸晶組成，中間部分則由粗大的柱狀晶組成，構(gòu)件內(nèi)部分布著一定數(shù)量的氣孔；經(jīng)過UIT 后，構(gòu)件表面粗糙度降低了60%，內(nèi)部孔隙尺寸變小，粗大柱狀晶破碎，等軸晶數(shù)量增多，表面形成了納米晶；UIT 能提高構(gòu)件的顯微硬度，減小內(nèi)部的殘余應(yīng)力，并使拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力[40]。

圖4 超聲沖擊強化強化前后激光熔化沉積Ti60 合金微觀組織[40]（a）超聲沖擊強化前；（b）超聲沖擊強化后

2.4 后處理對增材制造600 ℃高溫鈦合金微觀組織影響
增材制造600 ℃高溫鈦合金宏觀組織通常由粗大的柱狀晶組成，且伴有氣孔和熔合不良等缺陷，對于激光增材構(gòu)件而言，其內(nèi)部還往往存在較大的殘余應(yīng)力。為了改善微觀組織和消除殘余應(yīng)力，往往需要進行后處理，常見的后處理措施有熱處理和熱等靜壓（hot isostatic pressing，HIP）。

應(yīng)用于增材制造600 ℃高溫鈦合金的熱處理措施包括去應(yīng)力退火和固溶時效處理。激光增材過程中高溫度梯度和冷卻速率使構(gòu)件內(nèi)部存在較大的殘余應(yīng)力，故在成形后常采用去應(yīng)力退火來消除殘余應(yīng)力。去應(yīng)力退火通常不會顯著影響合金的微觀結(jié)構(gòu)，但可能會出現(xiàn)部分析出相。例如，激光修復(fù)的Ti60 合金經(jīng)過退火處理（500 ℃/4 h/FC）后，在RZ 中的α/β 界面析出尺寸在100～300 nm的（TiZr）6Si3 硅化物，在BMZ 中析出了尺寸在1～2 nm 的α2 相。

固溶時效處理在增材制造600 ℃高溫鈦合金中應(yīng)用較多，激光熔化沉積Ti60 合金經(jīng)固溶時效處理（980 ℃/2 h/AC+650 ℃/3 h/AC）后，層帶組織消失，晶界α 相部分分解，原始β 晶界不連續(xù)，同時α 板條粗化并部分球化[29]。激光沉積Ti60A 合金固溶處理（1025 ℃/0.5 h/AC）可以獲得“蟹爪”狀初生α 相和片層狀β 相的“特殊雙態(tài)組織”；經(jīng)時效處理（670 ℃/2 h/AC）后，β 相轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑢娱g距更小的α/β 層狀組織[28]。隨著固溶溫度的降低，激光成形Ti60A 中初生α 相比例升高，且晶界連續(xù)α 相被消除[41]。張阿莉等[42-43]對激光增材制造Ti60A 合金進行“Tβ-30”（1020 ℃/1 h/AC+700 ℃/2 h/AC）和“Tβ-10”（1040 ℃/1 h/AC+700 ℃/2 h/AC）兩種制度的固溶時效處理，發(fā)現(xiàn)沉積態(tài)Ti60A合金由85%的網(wǎng)籃狀α 相和殘余β 相組成；“Tβ-30”后，合金組織由65%的粗板條α 相和殘余片層β 相組成；“Tβ-10”后，合金組織由25%的“蟹爪”狀α 相和殘余片層β 相組成。

熱等靜壓是以惰性氣體為媒介，在密閉空間中對工件在各個方向上施加相同壓力，且在高溫高壓下保持一段時間，以此來實現(xiàn)工件成分均勻化和結(jié)構(gòu)致密化。具有氣孔和未熔合等缺陷的激光沉積Ti60 合金經(jīng)熱等靜壓和固溶時效處理后，層帶組織消失，微觀組織由魏氏組織變?yōu)榫W(wǎng)籃組織，內(nèi)部缺陷被消除[44]。

2.5 熱暴露對增材制造600 ℃高溫鈦合金微觀組織影響
為了保證600 ℃高溫鈦合金在高溫環(huán)境下長時間服役的安全性和可靠性，需要掌握熱暴露對其微觀組織演變的影響規(guī)律。熱暴露分為恒溫?zé)岜┞逗妥儨責(zé)岜┞�，已有學(xué)者研究了兩種模式下LMD-Ti60A 合金的組織演變規(guī)律[45-47]。

600 ℃/100 h 恒溫?zé)岜┞逗�，Ti60A 合金α 板條發(fā)生一定程度粗化，體積分?jǐn)?shù)略有增加，合金內(nèi)部位錯密度明顯降低，同時析出了脆性相Ti3Al 和硅化物（TiZr0.3）6Si3[45-46]。150～600 ℃循環(huán)熱暴露100 h 后，合金組織粗化，β 相破碎，α 相占比增加約12%，Ti3Al 相和硅化物也大量析出；循環(huán)熱暴露過程中循環(huán)熱應(yīng)力的作用加快了氧元素的擴散滲透，氧元素為α 相穩(wěn)定元素，促進了殘余β 相向α 相的轉(zhuǎn)變[46]。在150～800 ℃循環(huán)熱暴露條件下，隨著循環(huán)次數(shù)的增多，α 相占比從78.5%增加到97.6%，殘余片層狀β 相經(jīng)歷了破碎、楔形β 相到球狀β 相的轉(zhuǎn)變；隨著熱應(yīng)力的不斷累積，氧元素不斷擴散滲透，通過固溶強化增加了基體硬度，在經(jīng)歷750 次熱循環(huán)后達到峰值，比沉積態(tài)高33.3%[47]。

3 增材制造600 ℃高溫鈦合金的關(guān)鍵性能
相比于傳統(tǒng)制備工藝，增材制造600 ℃高溫鈦合金的獨特顯微組織必然會影響其服役性能。作為面向航空發(fā)動機應(yīng)用的高溫鈦合金，除了滿足常規(guī)力學(xué)性能要求外，還需關(guān)注其高溫力學(xué)性能、蠕變性能、熱疲勞性能和抗氧化性能等。

3.1 拉伸性能
表3[29，31，33-34，41-46]和表4[29，34，42]分別為不同增材工藝和后處理方法下600 ℃高溫鈦合金的室溫和600 ℃拉伸性能。結(jié)合表中數(shù)據(jù)和文獻可得出如下結(jié)論：

表3 增材制造600 ℃高溫鈦合金室溫拉伸性能

Note：Symbol “/” indicates absence of relevant information in reference.“Longitudinal” indicates that sampling direction is parallel to build direction，while “Transverse” indicates that sampling direction is perpendicular to build direction.

表4 增材制造600 ℃高溫鈦合金的600 ℃拉伸性能

（1）與傳統(tǒng)加工工藝（如鑄造、鍛造）相比，激光增材制造溫度梯度大、冷卻速率快，容易形成細(xì)密的網(wǎng)籃組織或魏氏組織，且在α 板條內(nèi)部存在高密度位錯。因此，激光增材制造的鈦合金強度更高，但塑性較差。電子束增材制造的工藝特點使得鈦合金晶粒尺寸粗大，且Al 和Sn 等固溶強化元素會部分燒損，基于Hall-Petch 效應(yīng)和固溶強化理論，電子束增材制造的高溫鈦合金的強度低于鍛件。

（2）增材制造600 ℃高溫鈦合金拉伸性能具有明顯的各向異性。無論是激光增材制造還是電子束增材制造，合金典型顯微組織均為外延生長的β 柱狀晶和連續(xù)的晶界α 相，導(dǎo)致水平試樣相較于豎直試樣具有更高的強度和更低的伸長率。調(diào)整工藝參數(shù)使組織等軸化可有效改善鈦合金的各向異性[16]。

（3）去應(yīng)力退火通常在較低的溫度下進行，在釋放殘余應(yīng)力的同時不會顯著改變合金顯微組織，因此幾乎不會影響合金的拉伸性能。固溶時效熱處理會改變α 相尺寸、含量和形貌，對合金的拉伸性能影響較大。固溶時效處理能提高沉積態(tài)600 ℃高溫鈦合金的伸長率，但犧牲了部分強度。

（4）熱暴露會使α 相粗化且體積分?jǐn)?shù)增加，導(dǎo)致強度下降；也會促進Ti3Al 相和硅化物的析出，使合金塑性降低。循環(huán)熱暴露相較于恒溫?zé)岜┞秾︹伜辖鹦阅芪：Ω�大，熱循環(huán)中產(chǎn)生的熱應(yīng)力與熱暴露間的協(xié)同作用對600 ℃高溫鈦合金顯微組織和拉伸性能的影響還需進一步研究。

3.2 抗蠕變性能
航空發(fā)動機核心零部件往往在高溫高壓環(huán)境下長期服役，材料易發(fā)生蠕變行為，進而發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，故抗蠕變性能是增材制造600 ℃高溫鈦合金結(jié)構(gòu)件安全服役的重要標(biāo)準(zhǔn)，其受晶粒尺寸、相組成、相形貌等多種因素的影響。

表5[34]為EBMD 制備的Ti60 合金和鍛態(tài)Ti60 合金在600 ℃/150 MPa/100 h 的蠕變特性。片層組織的Ti60 鍛件晶粒尺寸大，可減少晶界滑動，且α/β 界面會阻礙位錯的滑移，故擁有最好的抗蠕變性能。沉積態(tài)和熱處理態(tài)Ti60 合金抗蠕變性能優(yōu)于雙態(tài)組織鍛件，低于片層組織鍛件。電子束加工過程中固溶強化元素Al 和Sn 的燒損會降低其抗蠕變性能。熱處理態(tài)Ti60 合金在相界處析出大量的硅化物，降低了基體中的Si 濃度，減弱Si 原子團對位錯的釘扎作用，使得其抗蠕變性能低于沉積態(tài)。此外，與拉伸性能一致，抗蠕變性能也表現(xiàn)出明顯的各向異性，豎直試樣的抗蠕變性能優(yōu)于水平試樣。

表5 電子束熔化沉積和鍛態(tài)Ti60 合金的蠕變特性[34]

3.3 熱疲勞性能
金屬材料的疲勞行為可分為高周疲勞、低周疲勞、熱疲勞、腐蝕疲勞和接觸疲勞等，航空發(fā)動機零部件復(fù)雜的服役環(huán)境會導(dǎo)致疲勞失效的多樣性。600 ℃高溫鈦合金通常用于制備航空發(fā)動機壓氣機盤和葉片等結(jié)構(gòu)件，這些部件在啟動時會快速加熱，停止時會快速冷卻。在經(jīng)歷多次啟動停止后，加熱冷卻循環(huán)會導(dǎo)致內(nèi)部熱應(yīng)力和塑性變形累積，進而發(fā)生熱疲勞失效。

LMD 制備的Ti60 合金試樣在高溫條件下保溫較長時間后，急速的冷卻會讓內(nèi)外變形不協(xié)調(diào)，從而在試樣外層產(chǎn)生拉應(yīng)力，試樣內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增加，內(nèi)部熱應(yīng)力累積到一定程度時產(chǎn)生熱疲勞裂紋。在熱循環(huán)條件下，裂紋主要由邊緣和內(nèi)部萌生，邊緣萌生主要源于機加工產(chǎn)生的表面缺陷等幾何因素，內(nèi)部萌生位置主要在晶界、α/β 相界、粗化的α 相以及內(nèi)部的微孔。隨著熱循環(huán)的進行，氧元素不斷擴散和滲透，α 相占比升高并發(fā)生局部粗化，合金的裂紋長度增加。相比粗α 板條，細(xì)小的α/β 片層對熱疲勞裂紋擴展有更好的阻礙作用。在熱疲勞循環(huán)中會析出Ti3Al 脆化相，但尺寸較�。�約10 nm），對熱疲勞裂紋的萌生擴展行為無明顯影響[48-49]。

3.4 抗氧化性
鈦合金在高溫環(huán)境中長期服役，表面會形成氧化膜，導(dǎo)致表面組織硬度高、脆性大，影響基體的力學(xué)性能，減少零件的服役壽命[50]。鈦合金的顯微組織會顯著影響其高溫氧化行為，增材制造構(gòu)件獨特的顯微組織結(jié)構(gòu)為提高合金抗氧化性能提供了途徑[51]。

600、700 ℃和800 ℃三種溫度條件下LMDTi60A 合金試樣比鍛態(tài)Ti60A 增重少，氧化膜厚度小且更致密，表現(xiàn)出更好的高溫抗氧化性能；在800 ℃氧化100 h 后，沉積態(tài)和鍛態(tài)的氧化層結(jié)構(gòu)有明顯差異，前者為Al2O3/TiO2/基體，后者為Al2O3/TiO2/Al2O3+TiO2/TiO2/基體；硬度測試表明氧化過程中鍛態(tài)試樣氧元素擴散深度大于沉積態(tài)試樣，兩種試樣氧化性能的區(qū)別可能取決于晶界類型、α 相所占比例以及氧化層是否發(fā)生破裂[52]。

4 增材制造600 ℃高溫鈦合金復(fù)合材料和梯度結(jié)構(gòu)
增材制造除了可以應(yīng)用于單一合金的制備外，由于其加工柔性程度高，還可用于以600 ℃高溫鈦合金為基體的復(fù)合材料以及雙鈦合金梯度結(jié)構(gòu)的制備。

4.1 600 ℃高溫鈦合金復(fù)合材料
隨著航空發(fā)動機技術(shù)的不斷發(fā)展，對材料的性能要求越來越高，結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計也得到更大重視，為了滿足領(lǐng)域需求，鈦基復(fù)合材料被廣泛關(guān)注[53-54]。碳納米管、石墨烯、TiB、TiC、氮化物、LaB6 等多種納米材料、陶瓷顆粒和稀土間化合物被作為增強相來改善鈦合金的性能[55-56]。目前，鈦基復(fù)合材料的制備工藝包括熔鑄法、粉末冶金法和自蔓延高溫合成法等[57-58]。增材制造逐層熔化堆積的制備方式不僅能高效制備鈦基復(fù)合材料，還能利用其快速熔化凝固的特性原位生成增強相。

LMD 制備的TiCP/Ti60 復(fù)合材料為由相互交織的α 板條和板條間的殘余β 相組成魏氏組織，分布在原始β 晶界處和α 板條間的TiC 顆粒與基體界面結(jié)合良好；復(fù)合材料在600 ℃/390 MPa 和600 ℃/310 MPa 條件下的持久壽命相比基體分別提高129%和24%；600 ℃抗拉強度為778 MPa，比基體提高了65 MPa，但伸長率從13.0%下降為4.3%，強度提高源于TiC 增強相的沉淀強化和載荷轉(zhuǎn)移強化[59-60]。

增材制造鈦基復(fù)合材料擁有比基體更好的綜合性能，有希望使鈦合金的服役溫度超過600 ℃，擴大應(yīng)用范圍。但在混合粉末的制備工藝、3D 打印工藝、增強相原位反應(yīng)機制和綜合性能評價等方面還需開展進一步研究。

4.2 600 ℃高溫鈦合金梯度/復(fù)合結(jié)構(gòu)
近年來，隨著航空發(fā)動機壓氣機葉盤全鈦化及飛機結(jié)構(gòu)整體化的應(yīng)用與發(fā)展，對雙性能鈦合金提出了明確的需求[61-63]。針對飛機整體結(jié)構(gòu)不同部位的不同性能要求，由兩種及以上材料組成的梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)得到廣泛研究。梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)能有效減少零件數(shù)量和簡化裝配過程，顯著提高結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。目前，梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)的主要制備工藝包括粉末冶金、等離子噴涂、自蔓延高溫合成、激光熔覆和離心鑄造等，然而上述工藝均不能有效應(yīng)用于大型復(fù)雜梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制備[50]。增材制造作為一種新型無�；�快速成形工藝，為梯度雙鈦合金結(jié)構(gòu)開發(fā)提供了一種新的思路。目前，國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量有關(guān)梯度雙鈦合金增材制造的研究工作，包括TA2/TA15[64-67]、TC4/TC11[68-70]、TC4/TiAl[71-75]等雙合金體系，主要聚焦于界面過渡區(qū)的化學(xué)成分變化、組織演變以及力學(xué)性能等。有關(guān)600 ℃高溫鈦合金梯度結(jié)構(gòu)的體系包括Ti60/Ti2AlNb[76-77]和Ti150/Ti-6246[78]兩種。

Ti2AlNb 合金能夠在650～900 ℃高溫下長期穩(wěn)定服役，擁有良好的室溫塑性、斷裂韌性和蠕變性能。Nb 作為貴重金屬，不僅增加了Ti2AlNb 合金的生產(chǎn)成本，還會增加構(gòu)件的質(zhì)量。為了節(jié)約成本并實現(xiàn)輕量化設(shè)計，可采用激光熔化沉積工藝制備Ti60/Ti2AlNb 梯度材料。一種工藝是采用梯度過渡方式，先沉積Ti60 合金粉末，再逐步沉積Ti2AlNb 質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大的預(yù)混合金粉，最后沉積Ti2AlNb 合金粉末，不均勻的元素分配以及制造過程中復(fù)雜的熱循環(huán)歷史使不同區(qū)域呈現(xiàn)不同的硬度值，并沿成分梯度方向表現(xiàn)出α+β→α+α'→α'→α+β→α+β/B2+α2→β/B2+α2→β/B2+α2+O→B2+O→B2的相演變趨勢[76]。另一種工藝是采用直接過渡方式，在Ti60 合金基板上直接沉積Ti2AlNb 合金粉末，Ti60 與Ti2AlNb 合金形成無缺陷的結(jié)合界面，二者之間的過渡區(qū)可分為由化學(xué)成分差異和激光沉積復(fù)雜熱歷史引起的相變而形成基體側(cè)熱影響帶和由沉積初期的激冷效應(yīng)和高凝固速率而形成的沉積區(qū)附近的細(xì)晶區(qū)，熱影響帶的寬度隨激光功率增加而增加，隨掃描速度增大而減小[77]。

增材制造作為一種無�；�近凈成形的加工工藝，在新型梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)的直接成形方面顯示出獨特的技術(shù)優(yōu)勢，在航空發(fā)動機等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。但其發(fā)展及應(yīng)用仍面臨著諸多問題，如界面結(jié)合區(qū)的組織調(diào)控、異種材料不同熱物性造成的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和梯度結(jié)構(gòu)的熱處理工藝制定等。

5 發(fā)展方向
目前，關(guān)于600 ℃高溫鈦合金增材制造工藝的相關(guān)研究仍處于起步階段，現(xiàn)有研究更多將重心集中在微觀組織演變、熱處理工藝探索和基本力學(xué)性能測試等方面，而對于粉末質(zhì)量、缺陷表征和動態(tài)力學(xué)性能研究較少。此外，隨著增材制造600 ℃高溫鈦合金技術(shù)的不斷發(fā)展，增材制造不僅視為一種加工工藝，同時用于新材料和新結(jié)構(gòu)設(shè)計和開發(fā)。

（1）探索粉末粒度和級配對增材構(gòu)件組織和性能的影響。目前，有關(guān)增材制造工藝參數(shù)（如掃描速率、激光功率等）對產(chǎn)品組織和性能的研究已有大量成果產(chǎn)出。而對于以粉末為原材料的加工工藝來說，粉末的形狀和大小是決定產(chǎn)品最終性能的重要影響因素[79]。不規(guī)則的形狀和較大的粒徑范圍會顯著降低粉末在加工過程中的流動性。細(xì)粉會在范德華力的作用下產(chǎn)生團聚，而粗粉則會降低粉末床堆積的致密度。如何分配粗粉和細(xì)粉的比例來達到最好的打印性能需要進一步研究。

（2）通過增材制造開發(fā)新材料和新結(jié)構(gòu)。增材制造技術(shù)突破了傳統(tǒng)的制造模式，在新型材料與復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造方面具有顯著優(yōu)勢。增材制造打破了傳統(tǒng)合金開發(fā)理念，例如Fe 和O 往往被認(rèn)為是鈦合金中的雜質(zhì)元素，需要嚴(yán)格控制含量，但通過增材制造工藝可以制備強度和韌性匹配良好的Ti-O-Fe 合金[80]。增材制造的逐層堆積成形特性，為梯度材料和復(fù)合材料的研發(fā)提供了無限的可能，可實現(xiàn)將“合適的材料添加到合適的位置”，如采用氣溶膠噴印不同材料的納米顆粒實現(xiàn)具有不同結(jié)構(gòu)和功能梯度材料的高通量打印[81]。同時，極高的加工自由度可實現(xiàn)大型金屬結(jié)構(gòu)、復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)、輕量化點陣結(jié)構(gòu)和多功能仿生結(jié)構(gòu)的制備，能以“獨特的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)獨特的功能”[82-83]。

（3）探索新的復(fù)合增材制造技術(shù)。與傳統(tǒng)制造工藝相比，增材制造具有高柔性、高效率和高材料利用率等技術(shù)優(yōu)勢，但是仍存在成形精度低、組織不均勻、力學(xué)性能不足等問題。通過其他工藝（如激光燒蝕、超聲振動、電磁攪拌等）結(jié)合增材制造技術(shù)能獲得綜合性能更加良好的產(chǎn)品[84-85]；但不同工藝的耦合作用機制、加工參數(shù)搭配和優(yōu)化以及產(chǎn)品的組織性能評價還需要更多研究和探索。

（4）增材制造缺陷控制和檢測技術(shù)。由于較高的冷卻速率，室溫塑性差的材料在增材制造時容易產(chǎn)生裂紋；逐層堆積的特性使增材構(gòu)件容易出現(xiàn)層間缺陷，如氣孔、熔合不良等。缺陷對構(gòu)件的性能有不良影響，阻礙增材構(gòu)件在航空領(lǐng)域的應(yīng)用[86-87]。利用無損檢測技術(shù)，原位觀察和分析缺陷的形成機制，探究工藝參數(shù)對缺陷的影響規(guī)律，并量化缺陷和構(gòu)件性能的關(guān)系是未來的重要研究方向。

（5）建立完善的性能評價標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)體系。目前，對增材制造600 ℃高溫鈦合金的性能研究更多集中在室溫力學(xué)性能上。對于航空發(fā)動機等關(guān)鍵構(gòu)件，需要滿足一系列性能指標(biāo)，包括但不限于疲勞、蠕變、抗氧化和阻燃等關(guān)鍵性能，并不斷完善相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系。相比傳統(tǒng)工藝，增材制造產(chǎn)品獨特的顯微組織如何影響上述性能，還需要進一步探索。

6 結(jié)束語
隨著我國2035 新材料強國戰(zhàn)略的實施，增材制造鈦合金材料技術(shù)進入創(chuàng)新發(fā)展的新階段。在高性能先進航空發(fā)動機輕量化、服役安全和節(jié)能低碳等發(fā)展需求驅(qū)動下，傳統(tǒng)鑄/鍛造鈦合金和新型增材制造鈦合金均不斷得到發(fā)展�！耙淮�新材料，一代新型發(fā)動機”，當(dāng)前隨著增材制造600 ℃高溫鈦合金及其復(fù)合材料/復(fù)合結(jié)構(gòu)的深入研究，技術(shù)成熟度不斷提升，將逐漸應(yīng)用于發(fā)動機關(guān)鍵/重要件，助推我國未來航空發(fā)動機技術(shù)實現(xiàn)跨越發(fā)展。

參考文獻：略