西南交大熊俊教授顶刊丨提出使用双丝电弧增材制造法制备不同成分的TiAl合金

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γ-TiAl金属间化合物因其质量轻、强度高、抗氧化、耐腐蚀等优点而受到广泛的研究兴趣。 这些特性使得 γ-TiAl 合金对于制造航空航天和汽车领域的排气阀和气门弹簧保持器具有吸引力。然而，TiAl合金由于金属间化合物中的长程有序结构而缺乏延展性和断裂韧性。低韧性导致制造过程中存在很大困难，并且极易产生微裂纹或表面缺陷。

近年来，采用合金元素添加、热处理、定向凝固等方法生产γ-TiAl合金。虽然这些方法可以提高γ-TiAl合金的性能，但由于制造链中的许多工序，总体制造成本阻碍了其广泛的商业应用。电弧增材制造由于其较低的制造成本、较高的沉积速率和较高的材料利用率，显示出生产TiAl合金的巨大潜力。西南交通大学熊俊教授在Materials and Manufacturing Processe 上发表了Fabricating TiAl alloys with various compositions by twin-wire arc AM 对此问题进行研究。

研究采用双丝电弧增材制造技术，通过两个送丝机将纯钛和铝丝送入 GMA 中，制备 γ-TiAl 合金。通过保持恒定的钛送丝速度并调节铝送丝速度来生产具有各种成分的γ-TiAl合金，对不同铝成分的γ-TiAl进行了研究和讨论。

图1. 基于双丝电弧的 GMA AM 系统 (a) 示意图 (b) 实物照片

图2. (a) 所有试样的位置相关性简图 (b) 显微硬度测试简图

图3. TiAl 壁的宏观形态 (a) Ti45Al (b) Ti48Al (c) Ti51Al

图4. TiAl 壁的平均层高和宽度

图5. 沉积钛铝合金的宏观结构 (a) Ti45Al (b) Ti48Al (c) Ti51Al

图6. 薄壁顶部区域的微观结构 (a) Ti45Al (b) Ti48Al (c) Ti51Al

图7. 中间区域均匀区域的微观结构 (a) Ti45Al (b) Ti48Al (c) Ti51Al

图8. 底部区域的显微结构 (a) Ti45Al (b) Ti48Al (c) Ti51Al

图9. (A) 不同成分试样的物相 (b) 体积分数

图10. 中间区域合金元素分布的线扫描 (a) Ti45Al (b) Ti48Al (c) Ti51Al

图11. 中间区域均匀区域的 EDS 图谱 (a) Ti45Al (b) Ti48Al (c) Ti51Al

图12. (A) 硬度分布 (b) 不同区域的平均硬度

图13. 不同铝成分样品的抗压性能 (a) 抗压强度 (b) 压缩比

图14. 典型的断裂外观 (a) 水平试样 (b) 垂直试样

论文主要结论

1）采用双丝电弧增材技术制造了不同铝成分的 iAl 合金，研究了 AWFR 对沉积壁的成型特性、微观结构和性能的影响。

2）中间区域呈现出均匀区域和非均匀区域的分层特征。铝成分为 45% 的均匀区的中上部主要呈现等轴的α2/γ片状菌落，下部呈现α2/γ近鳞片状菌落和带有γ板条的粗α2 晶粒。当铝含量为 48% 时，均匀区域的上部呈现出 α2/γ 全层状菌落。与此相反，中下部显示出由α2/γ薄片晶粒和γ相组成的双相结构。当铝含量为 51% 时，均匀区域主要呈现双相结构，上部则呈现近椭球状菌落。

3）将铝成分从 45% 提高到 51%，α2 相的体积分数从 46.5% 降至 12.4%。均匀区域的铝成分略低于给定值，但明显高于非均匀区域。当铝成分增加时，不同区域的硬度值降低，压缩比增加。两个方向上的压缩断裂呈现混合断裂模式。今后的研究将制备更均匀的双相结构，以获得更好的力学性能。

论文链接:

https://doi.org/10.1080/10426914.2023.2195905

来源：增材制造硕博联盟

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首次发布时间：2023-12-31

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