近日，機械工程與自動化學院曹龍超課題組青年教師高飄博士在激光增材制造钛鋁合金工藝與機理方面取得了重要的研究進展。相關成果以“Defect elimination and microstructure improvement of laser powder bed fusion β-solidifying γ-TiAl alloys via circular beam oscillation technology”為題發表在材料科學領域中科院一區Top期刊《Materials Science & Engineering A》（ISSN：0921-5093）上。該論文的第一單位為77779193永利官网，第一作者為高飄博士。
輕質的β-γ型TiAl合金是用于制造航空發動機渦輪葉片的優選材料，能夠提高發動機的推重比和燃油效率，對于實現“雙碳”戰略目标具有重要意義。激光選區熔化成形（Selective laser melting，簡稱SLM）是近年來發展迅速且極具潛力的一種增材制造技術（3D打印技術），已在航空航天、汽車船舶、武器裝備以及醫療器械等衆多領域得到廣泛應用。采用激光選區熔化成形（Selective laser melting，SLM）技術制備β-γ型TiAl合金零件能夠突破傳統加工方法對零件形狀的限制，同時具有生産周期短、材料利用率高、成本低等優勢。然而，由于SLM技術的快速凝固特征和β-γ型TiAl合金的本征脆性，成形零件易産生裂紋、氣孔等冶金缺陷，且顯微組織偏離平衡态，難以兼顧高的強度和塑性，嚴重制約其工程應用。
為此，本研究提出一種基于圓形振蕩掃描的SLM成形β-γ型TiAl合金冶金缺陷控制方法，實現了高緻密無裂紋β-γ型TiAl合金的SLM成形，同時基于熔體流動行為和顯微組織特征，揭示了圓形振蕩掃描抑制氣孔和裂紋的機理。研究結果表明，相較于直線掃描策略，采用圓形振蕩掃描策略能夠更好地消除SLM成形Ti-43Al-9V-0.5Y合金中的氣孔和裂紋缺陷。随振蕩速度的增大，裂紋密度增加，組織由細小等軸晶向粗大柱狀晶轉變，B2相的含量增加，而α2和γ相的含量降低。在優化振蕩參數下可獲得無裂紋且緻密度為99.98%的試樣，其室溫壓縮強度（屈服強度~1222 MPa、抗壓強度~1931 MPa）和室溫抗拉強度（~253 MPa）均優于同成分鑄态試樣。圓形振蕩掃描提高了匙孔穩定性，增強了熔體對流并促進氣泡逸出，進而抑制了氣孔。随振蕩速度的降低，熔體流動由湍流和層流轉變為全湍流狀态。當振蕩速度≤100 mm/s時，激光束的充分攪拌作用促進細小等軸晶的形成以及硬脆相含量的降低，極大地提高了TiAl合金的塑性，從而抑制裂紋的産生。該研究為激光增材制造β-γ型TiAl合金的冶金缺陷抑制提供了新方法，對推動脆性金屬間化合物的發展應用和拓寬激光增材制造技術應用前景具有重要意義。
圖1兩種掃描策略的原理示意圖：（a，b）直線掃描策略；（c，d）圓形振蕩掃描策略
圖2采用圓形振蕩掃描策略成形Ti-43Al-9V-0.5Y合金試樣縱截面的EBSD分析結果：（a，d，g）BC圖；（b，e，h）反極圖；（c）極圖；（f，i）相分布圖
圖3圓形振蕩掃描抑制氣孔缺陷示意圖：（a）匙孔較穩定，且熔池内氣泡上浮逸出；（b）已成形實體中未形成圓形氣孔和不規則氣孔
圖4 兩種掃描策略成形試樣的顯微組織特征示意圖：（a）激光直線掃描；（b）較高振蕩速度（>100 mm/s）的圓形振蕩掃描；（c）較低振蕩速度（≤100 mm/s）的圓形振蕩掃描
近年來，在學校的大力支持下，機械工程與自動化學院在大力引進高水平人才的同時，采用多種舉措為引進人才和團隊的發展提供必要條件。學院新建激光加工工藝與監測技術的學科方向，組建了一支以曹龍超博士為負責人、以高飄博士、張麗彬博士、何斌燕博士、蔡旺博士等為骨幹的年輕研究隊伍，為機械制造學科發展注入強勁能量。
【論文連接】：https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.145019
