导读：以Ti2AlNb合金为研究对象，介绍了熔炼铸造、粉末冶金以及激光增材等Ti2AlNb基合金的制备方法，讨论了Ti2AlNb基合金在制备过程中遇到的问题；重点介绍了激光增材制备Ti2AlNb基合金及其表面处理技术；总结了Ti2AlNb基合金的力学性能以及热处理工艺等方面的研究进展，总结概述了Ti2AlNb基合金在显微组织、综合性能等方面取得的成果，提出Ti2AlNb基合金在研究中亟待解决的问题，以及在工程应用中的主要瓶颈。
航空航天工业的快速发展对材料性能提出了越来越高的要求，特别是航空航天发动机材料迫切需要进一步减重、增强高温服役性能。钛合金以其优异的综合性能被列为新型航空航天发动机的首选材料之一，与传统钛合金相比，Ti-Al合金金属间化合物具有更好的强度、抗氧化性和抗高温蠕变性。
Ti-Al基合金主要包括TiAl(γ)、Ti3Al(α2)和TiAl3。在Ti3Al合金中添加Nb元素后，形成一种以有序正交结构Ti2AlNb相为主的新型Ti-Al基金属间化合物，称为Ti2AlNb基合金。该合金的原始铸态组织粗大、力学性能较差，因此需要经过一系列的热加工才能使用。在热加工或热处理过程中，该合金的组织对温度十分敏感，组织的转变包括α2→O、B2→O、α2+B2→O以及它们的逆转变。分析合金在不同热加工或热处理状态下物相演变的基本规律及形成机制，建立其显微组织与性能变化之间的关系，对提高Ti2AlNb基合金的综合性能具有重要的实际意义。
1 熔炼铸造
我国对钛合金铸造技术的研究始于20世纪60年代，在近半个世纪的时间里众多科研工作者对铸造钛合金的原材料、造型材料、造型工艺、熔炼设备及工艺等方面进行大量研究。
真空熔炼钛合金的主要优点是熔炼过程伴随连续的搅动，将不易挥发的元素带到溶液表面，方便炼制，但是Ti-Al基合金中的金属间化合物大多都包含易挥发元素（Al）或高活性元素（Ti），导致在凝固的显微组织中出现不同成份的微观和宏观偏析等。郭景杰等发现在外压力作用下Al元素的挥发由双重控制方式转变为单一控制方式。发现铝的挥发随熔炼速率的增大而减小，可有效控制Al元素的含量。采用真空感应熔炼时发现，合金中的主要组成元素都具有较高的化学活性、物理性质相差较大、反应热较高、低熔点合金易挥发，出现偏析现象。司玉锋等采用水冷铜坩埚制备时发现该方法可以有效控制Al元素的挥发损耗，获得成分均匀铸锭，其原理见图1。
图1 I *** 水冷铜坩埚原理图
近年来，研究者从热处理工艺等方面对Ti2AlNb基合金的显微组织及力学性能进行了大量研究。王伟等发现升高时效温度，O相的尺寸变粗且体积分数、强度、抗蠕变性能降低，塑性提高。王斌等揭示固溶处理过程中B2相、O相和α2相之间的相变规律。XUE C等通过模拟的方法探讨了热处理过程中B2相的生长动力学曲线，发现α2相对控制晶粒长大起着重要作用。为更进一步研究热处理对金属材料组织中相变的影响，吴波等运用Thermo-Calc相图和热力学软件发现试验与预测结果相似，见图2。随着温度的变化，合金中的相平衡被打破，在1050℃以上全部转变为B相，在1000～1500℃之间α2+B2两相共存，在727～750℃之间为O+B2两相共存，在727℃以下全部转变为O相。
(a)合金的相比例, (b)α2相成分
(c)O相成分, (d)B2相成分
图2合金在不同热处理温度下的相比例和相成分
2 粉末冶金
熔炼获得的Ti-Al基合金组织粗大、力学性能差，经后期处理才能获得预期的组织，因此研发新的钛合金制备工艺以满足其高性能使用要求迫在眉睫，粉末冶金因其工艺流程短、材料利用率高、组织细小均匀、成分可控以及成形好等优良特点，而被广泛关注。
WANG G X等提出采用粉末冶金技术改善Ti-Al基合金的制造工艺。随后，KIM K T过改善粉末冶金技术降低生产成本和拓宽应用外还避免了大规模的元素偏析。随后，常用的粉末冶金方法为机械合金化和气雾化法。吴全兴发现适当提高合金制备温度可以改善合金组织的均匀性，其抗拉强度和抗疲劳性均得到了一定程度的提升，但合金仍存在不均质部分。为进一步提升合金的熔融性，WANG G等利用固态粉末和球磨之间发生碰撞、挤压、断裂、焊合和原子间的扩散作用来细化粉末颗粒，通过烧结技术将粉末在一定温度和压力下烧结成致密的金属材料。
由于Ti2AlNb基合金的室温塑性差，很难实现超塑性需求的微细晶粒，大大限制了超塑性加工的可能性。周伟等发现粗晶状态的合金也表现出一定的超塑性，其伸长率随应变速率的降低而增大。王邵丽等发现随着等温锻造温度的升高，α2相转变为O相越多；合金的强度和塑性先增加后降低，伸长率略微增大，见表1；随着时效温度升高，组织内部次生的O相长大，B2相减少。卢正冠等发现随着应变量的增加，应力在较低的变形量下达到峰值，之后出现不连续屈服的特征，在变形温度较低时尤为明显,相变点附近其峰值应力低于1005℃的峰值应力；当温度为1030℃时其流变应力整体低于1050℃，主要原因为合金的相变是材料结构对热的响应，在绝热条件下经受力变形，应力诱发局部升温和相转变，见图3。ZHENG Y等发现了当变形速率为10、1、0.1、0.01s-1时，随着变形速率的降低，在变形的显微组织中沿原B2晶界观察到包含等轴晶子结构的条带组织，其宽度随应变的减小而增大，随变形速率和变形温度的提高而提高，见图4。王新等发现合金在高温超塑性变形过程中回复再结晶、应变硬化相互竞争同时存在。
表1 Ti2AlNb基合金热机械处理后所得性能
图3 έ=0.1s-1时Ti2AlNb不同温度下的应力-应变曲线
(a)10s−1, (b)1s−1, (c)0.1s−1, (d)0.01s−1
图4 试样的微观结构在1100°C
3 激光增材制造
3.1 激光增材制造Ti2AlNb基合金
由于传统方法制备形状复杂的Ti-Al基合金结构件存在材料利用率低、成形困难等缺点，因此需要更新的制备方法以适应难变形金属的成形工艺。增材技术与传统对原材料去除－切削－组装的加工模式不同，是一种自下而上通过材料累加的制造方法，这使得过去受传统制造方式制约而无法实现的复杂结构件制造变为可能。
激光增材技术又称3D打印技术，激光增材制造Ti2AlNb基合金示意图见图5。
图5 激光增材制造Ti2AlNb基合金示意图
陈静等采用激光增材制造工艺制备Ti2AlNb基合金，分析了合金组织、相结构及其演变规律；发现利用激光增材制备的Ti2AlNb基合金主要相为B2+O相。姜国政等发现利用激光立体成型制造的Ti2AlNb基合金的组织形态与合金成分密切相关，不同Al元素含量下合金组织的变化特征不同。TANG F等发现能有效的改善材料的室温性能和抗蠕变性能。利用激光增材技术制造Ti2AlNb基合金时，不同的扫描速率和温度也会影响材料的组织和性能。刘彦涛等研究了其在不同扫描速率下显微组织、力学性能的变化，发现激光熔化沉积制造的Ti2AlNb基合金组织致密，沉积态和热处理态均由B2、α2和O相组成。随着扫描速率的升高，热量积累逐渐减少，析出相为O相，抗拉强度升高；当扫描速率降低时，抗拉强度也随之降低。因此，选择合适的扫描速度对Ti2AlNb基合金进行制备至关重要。唐杨杰等发现抗拉强度随着温度的升高逐渐升高，在750℃达到更大，且抗拉强度也随着扫描速率的增大逐步增大。
3.2 Ti2AlNb基合金表面处理技术
由于钛及钛合金硬度低、耐磨性能差，因此对其进行表面处理尤为重要。KANJERA等研究了喷丸处理对纯钛高温抗氧化性的提高作用，发现喷丸过程中温度对材料性能会造成一定的影响。THOMAS M等在喷丸过程中提高工件的温度会增加亚表面区域的塑性应变、形成更多的孪晶，从原理上解释了新增孪晶的产生机制。LIANG T等利用指数衰减函数提出了一种喷丸过程中残余压应力分布的正弦衰减函数；通过试验验证了该模型的有效性、取得了显著的预测效果。CHEN Y X等发现采用玻璃细喷丸法在试样近表面附近引入了残余压应力，将疲劳裂纹源转移到表面强化层下，降低了缺口应力集中系数、有效抑制了裂纹的扩展、提高了疲劳寿命。由于机械喷丸是对材料的整个面进行强化，不能对材料局部进行精确强化，因此需要引入更先进的强化技术来满足工业需求。
激光冲击强化是诱导产生冲击波作用于金属材料表面，使材料表面产生塑性变形，从而调控金属表面的残余应力状态、改善金属材料的性能。VACCARI J A等曾用激光冲击强化技术使铝合金的抗疲劳强度提高了4倍。郭大浩等提出抗疲劳寿命的延长是残余压应力、高密度位错等因素的综合作用。韩远飞等基于模糊理论，建立了能够准确描述材料流动特性的动态线性模型，弥补了传统回归模型不能反映变形全过程的不足，为以后表征工程材料的本构关系提供了便捷有效的方法。样本计算结果与试验结果相比误差小于10%，且预测拟合度为3.8%。
激光冲击强化技术的发展对飞机的安全性、可靠性和维修性有着非常重要的作用，目前只有美国实现了工业应用；因此我国自主开发激光冲击强化设备并开展大范围的工艺研究具有极其重要的现实意义。赵恒章等重点分析了我国钛合金激光冲击强化技术在工艺基础研究以及提高疲劳强度、改善焊缝应力状态、表面纳米化、强化孔结构、修复再制造受损件等方面的研究现状，指出了该技术在钛合金工程化应用方面需解决的关键问题。
4 展望
激光增材制造工艺制备Ti2AlNb基合金，可以获得细小组织，抗高温性能、抗拉伸性能等比较优异的综合性能，但是离工业化应用还有一定的距离，需要在以下几个方面进行改进。
（1）在Ti2AlNb基合金的制备过程中，虽然利用激光增材制造工艺制备合金解决了传统制造工艺中存在的缺点，但目前的激光增材制造工艺也存在不足，例如无法完整的制造出结构尺寸较大的零部件，不能精确控制激光增材制造过程中相的组成、晶粒的大小等，因此，研究改善制造工艺、提升设备制造能力至关重要。
（2）虽然不同热处理温度下Ti2AlNb基合金显微组织的变化和性能之间存在一定联系，合金的力学性能与合金中相的种类、尺寸、体积分数、形态有关；但是如何在综合情况下控制相的种类、尺寸、体积分数以及形态，它们如何对合金的性能产生影响，以及使用过程中环境因素对合金会造成怎样的影响，却研究较少。
（3）为进一步提高材料的使用性能，改善并解决实际工程应用中材料表面耐疲劳、耐腐蚀、磨损等实际问题，要对材料表面进行强化处理。虽然传统的强化技术能改善材料的表面性能、提高零件的表面耐磨性、抗疲劳性以及延长使用寿命等，但是其改善程度远不能满足高端产品的使用性能要求；因此，寻求更加高效的表面强化处理方法意义重大。
2020年第40卷第09期 熊 聪 南昌航空大学材料科学与工程学院
