【摘 要】
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轻质的β-γ型TiAl合金是在750～950℃应用区间取代Ni基高温合金的重要候选材料。采用激光选区熔化成形（Selective laser melting,SLM）技术制备β-γ型TiAl合金零件能够突破传统加工方法对零件形状的限制,同时具有生产周期短、材料利用率高、成本低等优势。然而,由于SLM技术的快速凝固特征和β-γ型TiAl合金的本征脆性,成形零件易产生裂纹、气孔等冶金缺陷,且显微组织偏
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轻质的β-γ型TiAl合金是在750～950℃应用区间取代Ni基高温合金的重要候选材料。采用激光选区熔化成形（Selective laser melting,SLM）技术制备β-γ型TiAl合金零件能够突破传统加工方法对零件形状的限制,同时具有生产周期短、材料利用率高、成本低等优势。然而,由于SLM技术的快速凝固特征和β-γ型TiAl合金的本征脆性,成形零件易产生裂纹、气孔等冶金缺陷,且显微组织偏离平衡态,难以兼顾高的强度和塑性,严重制约其工程应用。同时相关机理及调控方法的研究十分匮乏。为此,本文以传统加工工艺常用的Ti-43Al-9V-0.5Y（at.%）和Ti-43Al-4Nb-1Mo-0.1B（at.%）合金为研究对象,针对上述问题展开相关研究,主要研究内容及结论如下:（1）对比研究了两种β-γ型TiAl合金的SLM成形性、冶金缺陷及组织性能,揭示了冶金缺陷的形成机制。SLM成形β-γ型TiAl合金的冶金缺陷类型和组织特征与激光能量的输入大小密切相关。当激光体能量密度≥61 J/mm~3时,可消除Ti-43Al-9V-0.5Y合金的裂纹,但通过本文的工艺参数优化无法完全消除Ti-43Al-4Nb-1Mo-0.1B合金的未熔合孔洞和裂纹。高冷却速率（10~5～10~6 K/s）、粗大柱状晶和高含量的硬脆相是影响裂纹形成的主导因素。基于工艺参数优化,较低冷却速率（10~4 K/s）下的细小等轴晶和低含量的硬脆相有效抑制了Ti-43Al-9V-0.5Y合金的裂纹。无裂纹SLM沉积态试样的室温压缩性能（屈服强度～1863.76 MPa、抗压强度～2116.38 MPa）、室温拉伸性能（抗拉强度～436.94 MPa）和高温拉伸性能（屈服强度～387.13 MPa、抗拉强度～420.71 MPa和延伸率～11.64%）明显优于同成分铸态试样。（2）研究了稀土Y对SLM成形Ti-43Al-4Nb-1Mo-0.1B合金冶金缺陷、显微组织和力学性能的影响,揭示了添加稀土Y抑制冶金缺陷的机理。添加稀土Y消除了未熔合孔洞和裂纹缺陷。稀土Y提高了TiAl合金粉末的激光吸收率以及降低了液态金属的表面张力,从而抑制了未熔合孔洞。当添加2～4 wt.%Y时,细小等轴晶的形成,增强的氧净化效应和硬脆相含量的降低有效抑制了裂纹,可获得无裂纹且致密度为93.1%～95.6%的试样。当Y含量为3 wt.%时,可获得最佳的室温压缩性能（屈服强度～1704.95 MPa、抗压强度～1862.48 MPa和极限压缩应变～6.30%）。（3）研究了圆形振荡扫描对SLM成形β-γ型TiAl合金冶金缺陷、显微组织和力学性能的影响,揭示了圆形振荡扫描抑制冶金缺陷的机理。采用圆形振荡扫描策略消除了Ti-43Al-9V-0.5Y合金的气孔和裂纹缺陷。圆形振荡扫描提高了匙孔稳定性,增强了熔体对流以及促进气泡逸出,从而抑制了气孔。当振荡速度≤100 mm/s时,激光束的充分搅拌作用促进细小等轴晶的形成以及硬脆相含量的降低,有效抑制了裂纹。优化振荡参数下可获得无裂纹且致密度为99.98%的试样,其室温压缩强度（屈服强度～1222.38 MPa、抗压强度～1931.33 MPa）和室温抗拉强度（～282.99 MPa）相较于无振荡（直线）扫描更低,但极限压缩应变（～13.29%）提高了136.89%。（4）对比研究了高温退火+时效和直接时效处理对SLM成形β-γ型TiAl合金显微组织与力学性能的影响,获得了优化的热处理制度,并揭示了组织性能的调控机理。两种热处理过程中γ相含量的增加和晶粒细化取决于相转变α2→γ和B2→γ的发生。基于SLM成形β-γ型TiAl合金的晶格储存能和组织特点,直接时效处理不仅可以避免晶粒粗化,获得更均匀细小的组织,还能获得更佳的B2、α2和γ三相比例,进而实现较好的强度和塑性匹配。经过直接时效处理（950℃时效12 h）,采用直线扫描策略和圆形振荡扫描策略成形的Ti-43Al-9V-0.5Y合金在保证室温抗压强度（＞2000 MPa）的基础上极限压缩应变（～14%和～22%）分别提升了145.45%和63.51%。
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