华中大史玉升团队顶刊丨高能量吸收梯度仿生超材料设计和激光选区熔化增材制造

1 研究现状作为高比强度的轻质合金，TiAl、Ni3Al等金属间化合物合金备受众人的关注，因其能够有效降低涡轮发动机的尾气排放并提高推重比，成为轻质高性能涡轮发动机的关键发展方向。然而，这也对航空发动机制造技术提出了更高的要求。因此，如何利用新兴的增材制造技术，在抑制其裂纹和孔隙缺陷的同时，有效调控其组织并提高其性能是目前的关键技术瓶颈。 Fig. 1. (a) Radiant burner tube fabricated using IC-221M alloy (Weirton Steel Corporation); (b) γ-TiAl low-pressure turbine blade manufactured via centrifugal casting at Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences; (c) Large-size turbine blade manufactured by SEBM TiAl alloy; (d) Models of turbine rotor blade fabricated using Ni41Al41Cr12Co6 alloy via L-PBF. 2 研究难点或瓶颈激光增材制造TiAl和Ni3Al等金属间化合物合金都面临室温脆性相关的挑战，其固有脆性和快速凝固等特性极易产生裂纹和孔隙等冶金缺陷。优化工艺参数（如激光功率和扫描速度）也可以减少孔隙等缺陷的发生，但是由于金属间化合物的工艺窗口极为狭窄，其作用效果极为有限。为了消除裂纹，已经采取了一系列措施，包括预热基材、调整扫描速度以减慢冶金过程，以及时效处理和HIP等后处理技术。这些措施显著改善了构件的微观结构并进一步提升了机械性能。此外，在激光增材制造工艺中引入磁场等辅助措施是一种很有前途的解决方案，因为它可以提高增材制造的冶金质量，有效降低孔隙率。在磁场的复合作用下，可以显著的改变金属间化合物的组织特征，内部相组成，并且外加磁场可以降低构件中的残余应力，从而有效地减轻裂纹的形成。 Fig. 2. Typical crack morphology in NiAl alloys: (a) Crack branching in electron-beam-remelted NiAl-Cr(Mo)-Hf alloy; (b) Macrostructure of the transverse cross-section of L-PBF as-built sample and (c) heat-treated sample (T = 860 °C, 3 h). 3 展望为了满足高温、高强度和高性能应用需求，金属间化合物的激光增材制需克服材料开发、工艺参数定制及组织缺陷优化等挑战。因此，持续的材料研究对开发适配激光增材制造的金属间化合物并确保它们满足所需的应用标准至关重要。利用激光增材制造的原位合金化特性，在合金设计环节添加Ni、Ti或Cr等合金元素以引入延展性较好的增强相，以及微量的硼或锆以细化晶粒边界并提高内聚力，以实现减轻金属间化合物的室温脆性和开裂倾向。此外，通过精确控制激光工艺参数来优化相分布和控制微观组织是平衡强度和韧性的关键。激光增材制造工艺过程中原位合金化和功能梯度材料的持续开发将实现定制的梯度或夹层金属间化合物组成的特殊构件，以应对特定的应用挑战。 4 代表性图片 激光定向能量沉积（L-DED）复杂的热效应为制备高性能γ-TiAl金属件化合物合金提供了显著优势，但组织调控和力学性能方面仍存在挑战。本文研究了本征循环热处理（ICHT）对L-DED TiAl合金薄壁试样不同构建高度区域组织与力学性能演变的影响。结果表明，ICHT通过消耗初始层片的层片界面能诱发不连续粗化（DC）效应，导致晶粒细化。随着构建高度的增加，热积累导致初始层片间距增加，削弱DC效应。在顶部，热循环不充分阻碍细晶粒长大并侵蚀粗晶粒，阻碍整体晶粒细化。最终L-DED TiAl合金形成了多级异质组织，包括以细小（α2+γ）层片组织和（α2+6H-LPS）层片组织（6H-LPS为6H长周期结构相）为点缀的多级层片团组织细化。其中，底部区域表现出最佳的极限抗拉强度（706±33 MPa）和延伸率（0.68±0.05%）组合。高抗拉强度可归因于L-DED较高的冷却速度导致细小层片和6H-LPS相对位错运动的阻碍，而延伸率则归因于细晶粒的存在降低了裂纹扩展能量。来源：增材制造硕博联盟