【摘 要】
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TiAl合金的密度仅为Ni基高温合金的一半左右（约4.0g/cm3）,且具有优异的高温力学性能及抗氧化性,被认为是650-1000℃范围内取代Ni基高温合金唯一潜在的候选材料,成为当今航空航天材料的前沿热点。然而,Ti Al合金固有的脆性属性,给制造带来了困难。由于传统制造方法成本高、力学性能较差及难以形成结构复杂结构件,所以严重制约了Ti Al合金的广泛应用。本文以经典的Ti-48Al-2Cr-
【基金项目】
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国家重点研发计划（2017YFB1103003）,“增材制造与激光制造”（2017年-2021年）； 国家重点研发计划（2017YFB1103600）,“激光复合增材制造修复与再制造技术与装备”,（2017年-2021年）；
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TiAl合金的密度仅为Ni基高温合金的一半左右（约4.0g/cm3）,且具有优异的高温力学性能及抗氧化性,被认为是650-1000℃范围内取代Ni基高温合金唯一潜在的候选材料,成为当今航空航天材料的前沿热点。然而,Ti Al合金固有的脆性属性,给制造带来了困难。由于传统制造方法成本高、力学性能较差及难以形成结构复杂结构件,所以严重制约了Ti Al合金的广泛应用。本文以经典的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金材料为基础,围绕改善该合金的室温塑性和高温拉伸性能展开了研究,其主要实验结论如下:利用激光增材制造（LAM）技术制备了不同工艺参数的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金沉积层。根据沉积层的外观成形和冶金缺陷情况,确定了该合金的最佳成形工艺（激光功率1.4k W、扫描速率9mm/s及送粉量5.67g/min,预热温度350℃）。采用该成形工艺成功制备出4组无冶金缺陷的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金薄壁样件,其尺寸均约为40mm×6.5mm×60mm。对比分析了沉积态和退火态合金的组织与性能,结果表明,与沉积态合金相比,退火态合金组织内α2相含量明显增加且均匀分布在γ基体上。随着退火温度的升高,退火态合金组织由细小等轴晶→较大等轴晶→片层结构转变。与沉积态合金（469MPa和1.1%）相比,1260℃/30min/FC退火态合金（543MPa和3.7%）的室温拉伸强度和伸长率分别提高了1.16倍和3.36倍。断裂机理均为准解理断裂。利用LAM技术制备了7组Ti-48Al-2Cr-5Nb合金薄壁样件并对其进行了6种不同条件下的退火处理。结果表明,与沉积态Ti-48Al-2Cr-2Nb合金相比,沉积态Ti-48Al-2Cr-5Nb合金组织内的片层团尺寸明显减小,由53μm细化至40μm。沉积态Ti-48Al-2Cr-5Nb合金的室温拉伸强度和伸长率（510MPa和1.4%）均高于沉积态Ti-48Al-2Cr-2Nb合金（469MPa和1.1%）。随着退火温度的升高,Ti-48Al-2Cr-5Nb合金组织的片层团尺寸由40μm粗化至370μm,导致室温和高温拉伸强度均逐渐降低。与沉积态Ti-48Al-2Cr-5Nb合金（1.4%、2.8%及4.5%）相比,1260℃/1h/FC二次循环退火态合金在室温、750℃及850℃下的伸长率最佳,其值分别为1.6%、3.8%及4.8%。研究了Ta对Ti-48Al-2Cr-2Nb合金组织和性能的影响,研究结果表明,添加Ta元素后,合金组织内出现β/B2相,且随着Ta含量的增加,β/B2相的体积分数随之增加。另外,Ta=2at.%时,在片层团晶界处析出细小的等轴γ相;Ta=5at.%时,在片层团内部析出细小的等轴γ相和β/B2相;Ta=8at.%时,在片层团内部的γ片层显著粗化,并且γ片层在长度方向被析出的α2片层及β/B2相多次截断。由拉伸结果可知,5at.%Ta合金的综合力学性能（在室温、750℃及850℃下的拉伸强度分别为677MPa、651MPa及538MPa,其伸长率分别为1.8%、2.2%及13.0%）最佳。与Ti-48Al-2Cr-2Nb合金相比,其室温、750℃及850℃的拉伸强度分别提高了1.44倍、2.08倍及1.90倍,伸长率分别提高了1.64倍、2.0倍及10.0倍。结合前文Ta对Ti-48Al-2Cr-2Nb合金组织和性能的研究结果,确定Ta的最佳添加量是5at.%。采用优化后的工艺参数制备了7组Ti-48Al-2Cr-2Nb-5Ta合金薄壁样件,其尺寸均约为48mm×6.5mm×53mm。对比分析了沉积态与退火态合金的组织与性能。结果表明,沉积态与退火态合金的组织均由α2、γ及β/B2相构成;随着退火温度的升高,片层团内的β/B2相含量减少,然而,β/B2相在等轴γ晶粒周围分布量增加且尺寸逐渐发生粗化。与沉积态合金（1.8%和2.2%）相比,退火态合金在室温、750℃及850℃条件下的拉伸强度均不同程度下降,主要是由合金内β/B2相尺寸长大导致的。然而,1260℃/1h/FC二次循环退火态合金室温和750℃条件下伸长率（2.2%和3.4%）表现优异,分别提高了1.22倍和1.55倍。
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