论文摘要：TiAl金属间化合物及TiAl/Ti梯度结构材料激光熔化沉积制造工艺、组织和性能研究

激光熔化沉积(LMD)制造技术通过金属材料的逐层熔化和快速凝固沉积，根据零件CAD 模型离散切片数据，直接成形出组织致密、形状复杂、具有快速凝固组织特征和优异力学性能的近净成形零件。TiAl 基金属间化合物具有高的高温强度、良好的高温抗蠕变性能、良好的高温抗氧化性和低的密度，满足了航空航天中的服役条件对结构材料提出的性能要求，是未来最有前途的高温结构件候选材料之一。TiAl 合金因其严重的室温脆性导致了其制备加工困难。传统制备方法如铸造等显微组织粗大，塑性非常差，而且会产生缩孔和疏松等缺陷，虽然现在传统的方法已经被用来大规模工业生产，但制造周期长，花费巨大。梯度结构材料(GSM)是指具有化学成分梯度的一类主要应用于结构件的特殊材料。这种材料由两种以上化学成分和性能都不相同的组分材料组成，以适应不同工作环境或者实现某种特殊功能。本文利用激光熔化沉积制造技术制备了Ti-47Al-2.5V-1Cr (at.%)合金和 Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V(at.%)/Ti-47Al-2.5V-1Cr (at.%)合金梯度结构材料，用OM、SEM、TEM、XRD、EDS和 EPMA等方法分析成形材料的组织、成分的变化情况，并且考察其显微硬度、室温拉伸力学性能，结果表明： 1、利用激光熔化沉积制造技术成功制得了 Ti-47Al-2.5V-1Cr 合金板状材料和Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V(at.%)/Ti-47Al-2.5V-1Cr (at.%)合金板状材料。其中TiAl 合金板状零件的几何尺寸为 70mm×80mm×6mm， TiAl/Ti 板状材料的几何尺寸为60mm×55mm×6mm，成形材料表面具有明显激的逐层沉积的特征，同时有轻微的氧化现象。 2、激光加工工艺对于成形材料的质量有非常显著的影响。在激光输出功率为3000W的条件下成形材料表面的氧化现象比 2500W条件下更为严重；使用合金粉末原料成形的零件内部组织致密，冶金缺陷少，使用元素粉末混合原料成形的零件内部存在大量的气孔和开裂现象，这可能和激光加工过程中复杂的合金反应以及 Al 元素的熔点较低有关系。 3、激光熔化沉积Ti-47Al-2.5V-1Cr金属间化合物材料的表层微观组织存在大范围的树枝晶区域，零件内部的微观组织形貌表现为典型的γ-TiAl/α -Ti 2 3Al全片层状(FL)结构；在X-Z平面上形成了特殊的“Z”字型扭折生长的微观形貌，这可能是由于凝固过程中微熔池底部的最大热流方向处于不断的改变中而造成的。 4、激光熔化沉积 Ti-47Al-2.5V-1Cr 合金板材 Y-Z 面内 Y 方向表面位置和中心位置显微硬度的差别主要是由于凝固之后以及随后的激光束循环热处理过程中冷却速率不同的条件下产生了不同的微观形貌所造成的；相同水平位置上X-Y和Y-Z平面内显微硬度的差别可能和TiAl 合金不同的织构形态有关系。5、激光熔化沉积 Ti-47Al-2.5V-1Cr 合金板材积增高方向上的室温拉伸强度约为645MPa，延伸率约为 0.6%，断裂方式属于穿晶断裂；水平扫描方向上的室温拉伸强度约为 625MPa，延伸率约为 0.6%，断裂方式属于兼具有穿晶和沿晶断裂两种的特点；以上试样的断裂方式属于典型的脆性断裂。6、成形态Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V(at.%)/Ti-47Al-2.5V-1Cr (at.%)梯度结构材料过渡区域的微观形貌由Ti合金一端典型的β+α网篮状组织向TiAl合金一端γ-TiAl +α2-Ti3Al双相的片层状形貌逐渐过渡。该过程中网篮状组织α片层逐渐变宽，这可能和α稳定元素Al原子从梯度区域中富Al的TiAl合金一端向Ti合金一端扩散有关系。 7、成形态和时效处理之后的Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V(at.%)/Ti-47Al-2.5V-1Cr (at.%)梯度结构材料过渡区域的显微硬度变化曲线上形成了一个“低谷”。第一个增大的趋势可能和硬度较大的α片层逐渐变宽有关系，第一个减小的趋势可能和Al元素含量为 10%-20%的情况下冷却过程中产生了硬度较低的α2-Ti3Al相有关系，第二个增大的趋势可能和硬度较大的TiAl合金γ-TiAl +α2-Ti3Al双相片层状状组织的出现有关系。8、成形态Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V(at.%)/Ti-47Al-2.5V-1Cr (at.%)梯度结构材料过渡区域主要的两种元素Al 和 Ti 含量的变化情况基本服从 C=（C1+C2）/2+[(C1-C2)/2]erf[x/2(Dt)1/2]公式所表示的成分分布情况。梯度区域的宽度约为 1000μm；经过 800°C/48 小时的时效处理之后，由于梯度区域内各元素原子的扩散导致该区域的宽度变为约2500μm，Al 元素和 Ti 元素含量的变化趋势逐渐平缓，对梯度材料进行预先时效处理有助于提高梯度区域的热稳定性。 9、成形态Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V(at.%)/Ti-47Al-2.5V-1Cr (at.%)梯度结构材料沉积方向上室温拉伸强度为1198.6MPa、1096.5MPa 和 921.6MPa，延伸率均为 0.4%左右，属于典型的脆性断裂，相应的断口表面 Al 元素的含量为 10%、12.8%和 25%(at.%)。表明Al 元素含量显著影响TiAl/Ti梯度结构材料的室温拉伸性能。

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