电子束粉末床熔融TiAl合金粉末循环利用的相变机制与性能调控研究

推荐：针对电子束粉末床熔融(EB-PBF)制备Ti-48Al-2Cr-2Nb合金时粉末循环导致的Al损耗(48.43→46.31 at.%)、氧增量(560→2000 ppm)及相变(α/α2→γ+B2)问题，研究人员通过70次循环实验揭示了Laves相(C14)形成机制，提出15-30%新粉添加策略，使工件抗拉强度保持750 MPa同时优化成本效益，为航空航天关键部件制造提供科学依据。

　　

钛铝合金(TiAl)因其轻量化、高温强度等特性，已成为航空发动机叶片等关键部件的理想材料。然而，电子束粉末床熔融(EB-PBF)技术在实际应用中面临昂贵预合金粉末循环利用的难题——重复使用的粉末会发生化学成分变化、相结构转变，进而影响最终制件的性能稳定性。更棘手的是，目前对粉末循环过程中相变机制及其对材料性能影响的认识仍不充分，这严重制约着该技术在航空航天领域的规模化应用。

中国科学院金属研究所的研究团队针对这一瓶颈问题展开系统研究，通过70次粉末循环实验，首次全面揭示了Ti-48Al-2Cr-2Nb合金粉末在EB-PBF过程中的退化机制。研究发现，粉末循环会导致三大关键变化：铝元素持续损耗（从48.43 at.%降至46.31 at.%）、氧含量阶梯式上升（560→2000 ppm）、以及从α/α₂相到γ+B2相的根本性转变。更令人惊讶的是，在循环30次后粉末中出现了罕见的C14型Laves相，这种硬脆相会显著影响材料力学性能。相关成果发表在《Materials》期刊，为EB-PBF技术在高价值钛铝合金部件制造中的工业化应用提供了重要理论支撑。

研究人员采用多尺度表征技术开展研究：通过SEM/XRD分析粉末形貌与相组成，EBSD解析微观组织演变，XPS检测表面氧化物转变，结合TEM观察纳米级析出相。力学性能测试采用室温拉伸实验，表面粗糙度通过白光干涉仪和接触式轮廓仪量化。特别设计了薄壁试样构建实验，系统追踪了从粉末回收到最终制件的全过程变化。

粉末特性演变
循环过程中粉末粒径分布呈现"先窄后宽"特征：前15次循环因细小颗粒（<50 μm）烧结去除使分布变窄，流动性和振实密度提升；但超过30次后，因部分熔融颗粒粘连形成棒状团聚体（占比>30%），导致粒径分布再度拓宽。XRD显示原始粉末以γ+α/α₂相为主，经70次循环后完全转变为γ+B2相，并伴随C14 Laves相析出。

相变机制解析
TEM和EBSD分析揭示了相变的三阶段过程：初期（<15次）保留快速凝固形成的α₂+γ层片组织；中期（15-30次）出现Cr富集的B2相（立方结构）；后期（>30次）形成TiCr₂型C14 Laves相（六方结构）。这种转变源于900-1150℃热暴露条件下，Cr在α₂相中的扩散速率（1.2×10^-16 m²/s）显著高于γ相（3.8×10^-17 m²/s），导致Cr在相界偏聚并引发Laves相形核。

制件性能影响
薄壁试样力学测试显示：随着循环次数增加，抗拉强度从682 MPa升至750 MPa，但延伸率降低40%。EBSD分析表明这种"强韧悖论"源于两方面的竞争机制——一方面，晶粒细化（平均尺寸<10 μm）和Laves相析出带来强化效果；另一方面，氧含量增加（>2000 ppm）和界面相增多导致脆性上升。表面粗糙度测试显示，因不规则粉末增加，70次循环后试样侧壁Ra值显著恶化。

工程优化方案
通过定量分析提出"新粉补充策略"：保持15-30%新鲜粉末比例，可将Al含量波动控制在±0.5 at.%，Laves相体积分数限制在4%以下。该方案在保证力学性能（强度750 MPa）的同时，使粉末利用率提升3倍，单件成本降低28%。

这项研究首次系统阐明了EB-PBF过程中TiAl合金粉末的退化机制，特别是揭示了Cr偏聚驱动Laves相形成的微观机理。提出的新粉补充策略已成功应用于某型航空发动机叶片试制，解决了批产一致性难题。研究不仅为EB-PBF工艺优化提供了理论依据，更为高价值金属粉末的循环利用建立了普适性方法框架，对推动增材制造技术在高端装备领域的应用具有里程碑意义。