近日，机械工程与自动化学院曹龙超课题组青年教师高飘博士在激光增材制造钛铝合金工艺与机理方面取得了重要的研究进展。相关成果以“Defect elimination and microstructure improvement of laser powder bed fusion β-solidifying γ-TiAl alloys via circular beam oscillation technology”为题发表在材料科学领域中科院一区Top期刊《Materials Science & Engineering A》（ISSN：0921-5093）上。该论文的第一单位为武汉纺织大学，第一作者为高飘博士。
轻质的β-γ型TiAl合金是用于制造航空发动机涡轮叶片的优选材料，能够提高发动机的推重比和燃油效率，对于实现“双碳”战略目标具有重要意义。激光选区熔化成形（Selective laser melting，简称SLM）是近年来发展迅速且极具潜力的一种增材制造技术（3D打印技术），已在航空航天、汽车船舶、武器装备以及医疗器械等众多领域得到广泛应用。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。
为此，本研究提出一种基于圆形振荡扫描的SLM成形β-γ型TiAl合金冶金缺陷控制方法，实现了高致密无裂纹β-γ型TiAl合金的SLM成形，同时基于熔体流动行为和显微组织特征，揭示了圆形振荡扫描抑制气孔和裂纹的机理。研究结果表明，相较于直线扫描策略，采用圆形振荡扫描策略能够更好地消除SLM成形Ti-43Al-9V-0.5Y合金中的气孔和裂纹缺陷。随振荡速度的增大，裂纹密度增加，组织由细小等轴晶向粗大柱状晶转变，B2相的含量增加，而α2和γ相的含量降低。在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 MPa、抗压强度~1931 MPa）和室温抗拉强度（~253 MPa）均优于同成分铸态试样。圆形振荡扫描提高了匙孔稳定性，增强了熔体对流并促进气泡逸出，进而抑制了气孔。随振荡速度的降低，熔体流动由湍流和层流转变为全湍流状态。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，极大地提高了TiAl合金的塑性，从而抑制裂纹的产生。该研究为激光增材制造β-γ型TiAl合金的冶金缺陷抑制提供了新方法，对推动脆性金属间化合物的发展应用和拓宽激光增材制造技术应用前景具有重要意义。
图1两种扫描策略的原理示意图：（a，b）直线扫描策略；（c，d）圆形振荡扫描策略
图2采用圆形振荡扫描策略成形Ti-43Al-9V-0.5Y合金试样纵截面的EBSD分析结果：（a，d，g）BC图；（b，e，h）反极图；（c）极图；（f，i）相分布图
图3圆形振荡扫描抑制气孔缺陷示意图：（a）匙孔较稳定，且熔池内气泡上浮逸出；（b）已成形实体中未形成圆形气孔和不规则气孔
图4 两种扫描策略成形试样的显微组织特征示意图：（a）激光直线扫描；（b）较高振荡速度（>100 mm/s）的圆形振荡扫描；（c）较低振荡速度（≤100 mm/s）的圆形振荡扫描
近年来，在学校的大力支持下，机械工程与自动化学院在大力引进高水平人才的同时，采用多种举措为引进人才和团队的发展提供必要条件。学院新建激光加工工艺与监测技术的学科方向，组建了一支以曹龙超博士为负责人、以高飘博士、张丽彬博士、何斌燕博士、蔡旺博士等为骨干的年轻研究队伍，为机械制造学科发展注入强劲能量。
【论文连接】：https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.145019
