TiAl合金精密成形技术发展现状及展望

谢华生，刘时兵，赵军，张志勇，包春玲

TiAl合金精密成形技术发展现状及展望

谢华生，刘时兵，赵军，张志勇，包春玲

（沈阳铸造研究所有限公司 高端装备轻合金铸造技术国家重点实验室，沈阳 110022）

TiAl合金是一种优异的轻质耐高温结构材料，在航空、航天、汽车、兵器等热端部件制造领域具有广阔的应用和发展前景，但其较低的室温塑性、韧性和较差的冷/热加工性能，限制了其工程化的进程。为挖掘TiAl合金的应用潜力，国内外研究机构和企业从材料设计、组织性能调控到成形工艺等方面开展了卓有成效的研究。总结了近年来国内外在TiAl合金精密成形领域的研究进展，包括精密铸造、铸锭冶金、粉末冶金和增材制造技术，目前，TiAl合金精密铸造叶片和热加工叶片已成功应用到航空发动机上，粉末冶金成形和增材制造技术在复杂构件成形和板材成形上体现出独特优势，但仍需在低成本化和工艺稳定性上进一步提升。

TiAl合金；精密成形；精密铸造；铸锭冶金；粉末冶金；增材制造

TiAl合金是一种新型的耐高温结构材料，具有低密度（3.8～4.2 g/cm3）、高比强、高比刚、优异的高温抗蠕变和抗氧化等性能，在600～1000 ℃温度下应用极具竞争力。TiAl合金弥补了常规高温钛合金和镍基高温合金在这一温度区间抗氧化性差和密度高的不足，因此受到了国际上航空航天巨头企业和相关研究机构的青睐，美国、欧洲、中国和日本分别开发了其各自的TiAl合金体系[1-3]。TiAl合金的发展主要历经了4代：20世纪70年代第1代TiAl合金以高Al含量和低合金元素含量为特征，其典型代表为Ti-48Al-1V-0.3C，然而其工作温度仅限于650 ℃以下，因综合性能不能满足发动机高温部件使用要求而被迫放弃；为了进一步提高TiAl合金的工作温度，80年代TiAl合金的发展向着低Al含量发展，Al的原子数分数为45%～48%，第3组元元素含量有所增加，其典型合金是美国空军材料研究所和GE公司共同开发的Ti-48Al-2Cr-2Nb（4822）和Ti-45Al- 2Mn-2Nb-0.8%TiB2（45XD）（体积分数）合金，其综合性能明显优于第1代；为了进一步提高使用温度，第3代TiAl合金以高含量第3组元含量为特点（5%～10%，原子数分数），合金元素包括Nb，Ta，W，V，B，C，Cr，Mn，Mo等，其中高Nb-TiAl合金，TNB和TNM合金是典型代表。高Nb-TiAl合金是北京科技大学陈国良院士等人最早提出来的，高Nb含量可以显著提高合金的抗氧化性能，高含量第3组元的固溶强化可以显著提高合金的高温力学性能和抗蠕变性能[4]。南京理工大学陈光课题组根据β向α转变过程中界面能的各向异性，通过控制凝固过程，获得了同时具备高强度、高塑性特性的Ti-45Al-8Nb合金PST（Polysynthetically Twinned Crystal）晶体，克服了传统籽晶法制备单晶的弊端，展现了第3代TiAl合金单晶的巨大应用前景[5]。随着增材制造技术的快速发展，德国最近针对电子束增材制造开发了第4代TiAl合金Ti-47.5Al-5.5Nb-0.5W合金[6]，分别借鉴了第2代和第3代高Al高第3组元元素的设计思路。在TiAl合金的应用产业化方面，GE，Howmet，Pratt-Whitney，MTU，Rolls-Royce和IHI等公司起到了较大的推动作用，主要应用领域和目标为航空发动机高压压气机叶片、低压涡轮叶片、涡轮盘，汽车发动机增压器涡轮、排气阀等。在此基础上，TiAl合金应用正不断在新的领域发展，美国NASA曾报告，到2020年，TiAl合金及其复合材料在航空航天发动机中的使用份额将达到20%～25%。作为一种结构材料，实现其零部件的制造并应用至关重要，国内外在该方面也做了大量工作。文中针对近年来国内外TiAl合金精密成形技术的发展现状和待解决的问题进行了系统总结和分析，为后续相关研究提供指导。

1 TiAl合金精密铸造技术

铸造是实现TiAl合金构件制造最为直接高效的方式。TiAl合金的精密铸造技术目前主要有熔模铸造、金属型铸造等几种，其中金属型铸造适合于结构相对简单、尺寸精度要求低的构件，而熔模铸造更适合于生产薄壁且具有复杂结构的零件，如航天、航空、汽车发动机上的耐热构件（见图1），精密铸造技术因其较低的制造成本和机械加工成本在TiAl合金精密成形工艺上具有较大优势[7]。在熔模精密铸造方面，早在20世纪90年代[8]，在美国NASA主导的民用超音速飞机上，发动机排气喷嘴的翼板和支撑梁实现了TiAl合金部件的应用，这些大型薄壁TiAl合金构件最薄处不到3 mm，很难通过锻造和机加工生产出来。1993年，美国Howmet公司首次采用Ti-4822合金铸造出低压涡轮叶片，并在CF6-80C发动机试车。2006年，PCC公司通过熔模精密铸造将Ti-48Al- 2Cr-2Nb应用到GE公司最新一代发动机GEnxTM，GEnxTM-1B，GEnxTM-2B低压涡轮的最后2级叶片上，陆续装配波音787和747-8s客机上，首次实现了TiAl合金在航空发动机中的规模化应用，使发动机质量减轻约180 000 g，实现了节油20%、降噪50%、减少NO排放量80%的显著效果[9]，英国罗-罗公司也致力于将精密铸造TiAl合金叶片应用到发动机低压涡轮最后一级。在汽车发动机部件中，日本三菱公司和大同特殊钢公司采用真空熔炼反重力低压铸造技术（CLV）生产了Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-03Si合金增压器涡轮，替代镍基Inconel713C增压器涡轮应用在三菱蓝瑟跑车上，叶片尖端仅为0.35 mm，显著降低了涡轮响应时间。美国Howmet公司研制的增压器涡轮及进气阀、排气阀，在一定范围内实现了商业化，由ABB公司用在2个柴油发动机上运行了4000 h，取得了成功。国内中科院金属所采用离心熔模铸造制造的Ti-45Al-2Mn-2Nb-1B合金低压涡轮叶片已经在罗-罗公司的新型发动机Trent XWB上完成模拟飞行循环考核试验。北京航空材料研究院、沈阳铸造研究所有限公司、西北工业大学、哈尔滨工业大学、北京钢铁研究总院等单位也开展了TiAl合金精密铸造技术研究，研制了TiAl合金扩压器、叶片和增压器涡轮等铸件[10-13]。沈阳铸造研究所有限公司采用熔模精密铸造技术成功研制出最大尺寸为800 mm的薄壁TiAl合金弹翼骨架，大力推动了TiAl合金铸件在航天领域的应用。

TiAl合金在熔融状态下活性高、流动性差、凝固收缩率大、凝固过程易开裂的特点对复杂薄壁构件的尺寸精度控制、表面质量、内部缺陷控制提出了较大挑战，有研究表明在基础尺寸为10～80 mm时，Ti4822合金的自由线收缩率为3.11%～2.09%，是常规ZTC4合金的2倍左右，收缩率大导致TiAl合金铸件尺寸难以控制、残余应力大[14]。熔模精密铸造的关键在于型壳质量和性能，如何在保持较高表面质量的同时提高陶瓷型壳的退让性是TiAl合金铸造区别传统钛合金的关键。在型壳制备方面，国内外学者对适用于TiAl合金的面层耐火材料、粘结剂和制备方法进行了有意义的探索。TiAl合金主要使用惰性氧化物作为型壳面层材料，主要包括Y2O3，ZrO2，CaO和Al2O3等。林秀德等[15]对比研究了高Nb-TiAl合金与Al2O3，ZrO2，Y2O3陶瓷材料的界面反应，得出界面反应厚度分别为40，170，20 μm（见图2），从界面反应角度看，Y2O3仍是TiAl合金最佳的面层耐火材料。Y2O3型壳面层工艺是生产航空航天铸造钛合金的成熟工艺，具有高化学惰性、低热导率和高强度，浇注TiAl合金铸件可获得较高的表面质量[16]。英国伯明翰大学系统研究了经CaO稳定的ZrO2面层工艺[17]，并研究了不同型壳预热温度下的界面反应，研究表明该面层工艺相比于传统锆石/氧化硅面层具有相当的力学性能和更好的退让性能，相比于氧化钇面层，该面层工艺的抗摩擦磨损性得到了改善。此外测得在500，1000，1200 ℃的型壳预热温度下，该型壳面层与TiAl合金的界面反应层厚度分别为18.0，36.4，57.4 μm。中科院金属所采用增强界面反应方法研究了ZrO2面层与TiAl熔体的界面反应机理[18]，并指出高温下ZrO2分解成Zr和O，Zr与Al反应生成的Al2Zr相分布枝晶间，O向内扩散形成TiO和Al2O3的界面产物。在低成本制造的推动下，CaO和Al2O3也被考虑作为TiAl合金的面层材料，并被浇注出增压器涡轮等铸件，Al2O3与TiAl合金的热膨胀系数非常相近，可降低TiAl合金发生开裂的几率，因此人们看好Al2O3作为TiAl合金面层的应用前景。

图1 TiAl合金熔模铸造典型精密铸件[8]

TiAl合金面层粘结剂通常延续钛合金面层粘结剂体系，采用二醋酸锆、钇溶胶和锆溶胶，并在此基础上进行技术改进，但受商业和技术保密影响，相关报道较少，开发新型面层粘结剂，提高面层惰性，降低成本是未来TiAl合金面层粘结剂的发展方向。TiAl合金型壳退让性的提高主要通过调整粘结剂和耐火材料种类，调整涂挂层数以及在型壳背层涂料加入高聚物。在型壳背层涂料中添加高聚物，在高温焙烧的过程中，添加物被烧蚀而形成多孔型壳，多孔型壳一方面提高了型壳退让性和透气性，另一方面可以有效减缓传热，保温性好，可以减少铸件产生欠浇和热裂缺陷，值得注意的是，高聚物的添加量需依据铸件尺寸和型壳强度进行设计[19-20]。左家斌等[21]研究了粘结剂种类对型壳退让性的影响，型壳面层粘结剂均为二醋酸锆，背层粘结剂分别采用硅溶胶和硅酸乙酯，其他材料和工艺都相同的条件下，硅溶胶型壳的平均抗弯强度为6.87 MPa，硅酸乙酯型壳的平均抗弯强度为3.42 MPa，高温挠度测试表明硅酸乙酯型壳的退让性优于硅溶胶型壳。

2 TiAl合金铸锭冶金成形技术

铸态TiAl合金的组织通常由较粗大的近片层组织组成，室温塑性较差，通过铸锭冶金的方式进一步破碎TiAl合金的组织，可在一定程度上调控合金的力学性能，提升合金的室温塑性[22]。TiAl合金较常用的铸锭冶金工艺包括等温锻造、包套锻造、热挤压、热轧制等热加工工艺，在热加工之前需要对铸锭进行热等静压和均匀化退火处理，以消除显微铸造缺陷和偏析。TiAl合金开坯手段包括包套锻造、等温锻造和包套挤压，德国GKSS研究中心采用α+γ两相区的一次等温锻造制备出了最大直径为600 mm的锻坯。国内哈尔滨工业大学、西北工业大学等单位通过包套锻造制备出最大直径为400～500 mm、厚度为40～50 mm的TiAl合金锻坯，主要利用了合金中高温下具有较好变形能力的BCC结构的β相。包套锻造相比等温锻造具有更细小的组织，但组织均匀程度差。包套挤压相比于包套锻造和等温锻造工艺可控性更好，德国GKSS研究中心将包套挤压TNB合金进行直接机加工或等温锻造相结合制造高压压气机TiAl合金叶片（见图3），成为了高压压气机TiAl叶片的主要制备方法[8]。

图2 TiAl合金与耐火材料的界面反应[14]

图3 航空发动机高压压气机TiAl合金叶片成形工艺示意[8]

2016年，德国MTU公司宣布将锻造TNM低压涡轮叶片应用在A320客机的PW1100G-JM发动机上，并已完成首飞。锻造TiAl合金叶片的应用展示了变形TiAl合金的巨大应用前景，截至2015年，已经为PW1100G发动机装配了10 000个锻造TNM合金叶片。作为β凝固TiAl合金，TNM合金表现出良好的热加工性能，通过铸坯在β单相区两次锻造成形和后续热处理获得了理想的组织和综合力学性能[23]。锻后热处理主要分为2步，首先在α转变温度以下进行再结晶退火，然后在共析温度以下进行稳定化退火，通过调整第1步再结晶退火温度可以获得2种组织，一种是细小片层团、等轴γ晶和β/B2晶粒体积比相近的triplex组织，另一种是近片层组织，其中含有少量等轴γ相、β/B2相，2种组织都具有较高的强度，但近片层组织具有更好的高温抗蠕变性能，而triplex组织表现出更好的韧塑性（见图4）。

图4 TNM合金的2种组织及力学性能[23]

TiAl合金具有良好的超塑成形性，因此为TiAl合金成形提供了另一种可能，目前，利用TiAl合金的超塑性，已经成功轧制出TiAl基合金板材并制造出复杂的薄板构件[24]。TiAl合金板材在航空航天领域有着广阔的应用市场，美国已将TiAl板材列为主要航空计划的备选材料，另外，TiAl合金板材还是理想的弹体蒙皮材料。Plansee AG技术中心开发了先进的轧制技术[25]，它采用α+γ两相区以较低的轧制速度成功轧制出大尺寸Ti-48Al-2Cr及Ti-47Al-2Cr-0.2Si合金板材，至今已轧制出的TiAl合金板材的最大尺寸为2000 mm×500 mm×1 mm，代表了TiAl合金板材制备的最高水平。俄罗斯金属超塑性研究所采用包套锻造和共析温度以下等温轧制技术制备出尺寸为200 mm×120 mm×1.7 mm的Ti-45.2Al-3.5(Cr，Nb，B)合金板材[26]。另一种轧制采用铸坯直接轧制的方法，极大简化了板材轧制工艺，省去了铸锭热等静压、均匀化热处理以及热锻工序。NASA格伦研究中心发展了这一轧制工艺，并在一些TiAl合金中有着成功案例，相比于传统P/M和I/M，铸坯直接轧制可降低约35%的成本。国内也开展了相关研究并取得突破，采取铸锭直接包套热轧的方法成功制备了高Nb-TiAl合金板材，板材尺寸为360 mm×100 mm×3.5 mm，轧制板材在950 ℃以上和高应变速率下表现出良好的超塑性[27]。

3 TiAl合金粉末冶金成形技术

粉末冶金成形在消除TiAl合金成分偏析、疏松、缩孔等方面具有较大优势，TiAl预合金粉末的制备方法主要包括气雾化法和机械合金化法。采用惰性气体雾化、等离子旋转电极雾化法和感应熔炼气雾化制得的预合金粉末具有成分均匀性好，间隙杂质含量低、力学性能好的优点，但成本较高，制备难度较大。机械合金化是制备TiAl合金预合金粉末的一种工艺，因混合元素粉末反复经历冷焊、破碎、再冷焊、再破碎，可以获得非晶态或纳米晶粉末，该工艺的关键是控制球磨过程中杂质O和N的含量。元素粉末法使用Ti粉、Al粉和其他元素粉末，成本较低，成形性好，但是杂质含量高，烧结性能差[28]。粉末冶金TiAl合金的微观组织主要有近γ组织、双态组织和全片层组织等，当微观组织为细小晶粒的双态组织或全片层组织时，粉末冶金TiAl合金才会表现出较好的综合力学性能。根据合金α温度，可指定不同的热处理制度获得上述组织，一般来说，双态组织的抗拉强度和伸长率都优于全片层组织材料，原因在于双态组织相对全片层组织更细小。滑移带长度缩短，滑移面位错运动长度和位错堆积减少，降低了滑移面交接处和晶界的应力集中。

图5 热等静压粉末冶金成形TiAl合金壳体和舱体[29]

预合金粉末的成形方法有热等静压近净成形、热加工成形（锻造、挤压、轧制）、金属注射成形、喷射成形和放电等离子烧结。航空材料及工艺研究所采用热等静压粉末近静成形技术研制了TiAl合金壳体、舱体和骨架构件典型结构件（见图5），其中壳体最大轮廓尺寸为600 mm×400 mm，构件内外壳形成中空结构，壁厚仅为3 mm，部分构件已经进行了热试车，具备了在航空航天等型号中的应用条件[29]。很多学者对热等静压工艺参数和TiAl合金组织致密化行为进行了研究，He等[30]研究了高Nb-TiAl合金PREP粉末的致密化和组织特征，发现粉末压坯的显微组织和性能受粉末粒径影响，显微组织显示出部分初始颗粒边界；Hamble等[31]研究表明Ti-46Al-2Cr-2Nb合金的拉伸性能主要受微观组织影响，而热等静压温度对合金最终拉伸性能的影响很小；Yang等[32]研究表明，粉末粒径和HIP后时效对Ti4522XD合金的拉伸性能影响较小；Li等[33]研究了粉末冶金热等静压Ti-45Al- 7Nb-0.3W合金的组织和高温力学性能，发现其微观组织为典型的近γ组织形貌（见图6），从室温到1000 ℃，应力峰值出现在700 ℃，抗拉强度和屈服强度分别为575 MPa和534 MPa，塑性在700 ℃以上快速增加。

图6 粉末热等静压TiAl合金的XRD衍射图谱和显微组织[33]

元素粉末的成形方法包括热压烧结、热加工成形和放电等离子烧结，元素粉末热压烧结工艺采用单向或三向压力作用于模具内的粉末，在高温下粉末产生塑性变形或蠕变以达到致密化，该工艺存在压坯密度不均匀和难以脱模的问题。中南大学采用元素粉末经冷等静压和径向热压相结合的工艺，按Ti-47Al-2Cr-2Nb成分配比制备了483Q柴油机排气阀，其中排气阀的端部采用元素粉末冶金制造，杆部采用铸造TiAl合金制造，再通过真空扩散连接形成完整排气阀，在发动机台架试验展现出良好的服役性能，经台架试验后，粉末冶金TiAl基合金排气阀外形完好，无明显损伤和氧化皮剥落现象[34]。热压烧结和热加工成形面临的共同问题是难以获得均匀的组织，从而导致构件不同部位的力学性能发生变化。放电等离子烧结的特点在于较快的加热速率和较短的烧结时间，在粉末致密化的过程中有效避免了晶粒长大，由于有限扩散机制，放电等离子烧结工艺可获得均匀的组织，避免了力学性能离散。Voisin等[35]通过放电等离子烧结工艺成功制备了Ti-4822合金涡轮叶片（见图7），与精密铸造Ti-4822合金相比，该工艺获得的室温力学性能和700 ℃/300 MPa抗蠕变性能更加优异。

图7 SPS制备Ti-4822合金叶片[35]

因粉末冶金轧制板材可以获得组织更为均匀细小、性能良好的TiAl合金板材，在航空航天领域有着广阔的应用前景，成为了近年来的研究热点。通过粉末冶金轧制工艺解决了铸锭冶金工艺难以消除成分偏析和获得大尺寸TiAl板材的难题。Plansee公司和GKSS研究中心利用ASRP工艺成功制备了1000 mm´450 mm´1 mm和750 mm´350 mm´0.25 mm的箔材[36]。中科院金属所采用粉末包套热等静压和包套热轧工艺制备了Ti-47Al合金板材，尺寸为220 mm´370 mm´2 mm。热轧后组织细小均匀、室温拉伸性能m为668 MPa，p0.2为6.8 MPa，为2.56%，通过Gleeble热轧模拟表明TiAl合金锻造态及HIP态热轧工艺窗口很窄，必须严格控制轧制工艺参数，才能有效避免轧制过程中裂纹产生[37]。

4 增材制造

增材制造技术基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动，采用逐层堆积材料的方法，可实现实体零件的快速成形，具有设计自由度大、材料利用率高、产品研发周期短的优点，因此为TiAl合金成形提供了一种可能，与传统工艺相比，增材制造过程降低了缩孔、缩松的形成倾向，有利于形成细小的晶粒组织，提高构件的力学性能[38-40]。目前应用TiAl合金的增材制造技术主要包括选区激光熔化（SLM）、激光金属沉积（LMD）、电子束选区熔化（EBM）和电弧增材制造。

激光增材制造以高能量密度的激光束为热源，将金属粉末逐层熔化堆积，直接形成金属构件（见图8），在激光束反复加热、冷却过程中，TiAl合金易产生较大热应力，随着增材制造TiAl合金沉积厚度的增加，残余应力随之增加。SLM技术的最大优点在于成形件具有较高的表面精度，适合涡轮叶片等复杂形状构件的近净成形。TiAl合金固有的脆性特征，使SLM成形的TiAl合金极易产生裂纹。一般认为，SLM成形TiAl合金开裂的主要原因是快速冷却造成的高残余应力超过了合金的基体强度，因此降低冷却速率是抑制裂纹产生的主要方法。研究表明通过增加激光能量输入、提高基板预热温度、降低扫描速度有利于减小材料的热应力[41-44]，另有研究发现调整激光离焦量，使更多激光能量作用于粉末而不是沉积件上，可降低TiAl合金件的裂纹倾向[45-49]。激光金属沉积技术（LMD）通常配备更高的额定功率和更大的光斑直径，熔池尺寸较SLM更大，因采用同轴送粉方式，扫描速度低于SLM，表面质量和尺寸精度差，需要后续的二次加工，LMD的优点是可以在现有零部件上直接打印，使金属零部件的修复成为可能，另外借助LMD技术可实现梯度材料零件的成形。在合金成分控制上，因TiAl合金中Al元素蒸气压较高，在激光束的扫描下，易产生挥发损失，从而使微观组织发生改变，其挥发损失主要与激光能力密度有关，随着能量密度的增加，Al元素挥发损失量明显增多。

电子束选区熔化（EBM）以电子束作为能源，相比于激光增材有其独特的优缺点，其优点在于电子束可以对粉末进行有效预热，从而降低TiAl合金构件的开裂倾向，但电子束增材制造没有Ar气保护，需在真空环境下进行，因此易挥发元素的含量不易控制。Yue等研究表明，随着电子束流的增加，Al元素的含量不断较少，使TiAl合金最终凝固组织的B2相和α2相数量随之增多，γ相数量逐渐减少，另外还发现电子束增材制造由于冷却速度快和残余应力较大，会导致γ晶内产生大量的变形孪晶和位错。在TiAl合金的逐层沉积过程中，每一层的沉积都相当于对上一层进行了退火，因此减少了沉积层的位错密度[50]。意大利Avio公司与瑞典Arcam公司合作，采用电子束熔融技术制造出了GEnx飞机发动机TiAl涡轮叶片并进行了测试[51]（见图9），超高的预热温度、较高的成形效率和良好的成形质量使EBM被认为是目前最适合TiAl合金复杂件成形的增材制造技术，EBM甚至可以在成形过程中利用红外成像对温度分布和缺陷等进行实时监控，进而实现对缺陷的实时修复。

图8 激光增材制造工艺（LMD）示意[48]

电弧增材制造与其他成形技术相比，具有成形速度快、成本低、材料利用率高且不易污染等优点。目前，电弧增材制造TiAl合金的研究开展并不多，澳大利亚卧龙岗大学和国内哈尔滨工业大学开展了该技术的基础研究[52]，包括基板选材、送丝方式、焊接电流和沉积速度等工艺参数的研究，以及微观组织、晶粒取向和力学性能的研究。在增材制造TiAl合金时，通过2个独立送丝机构将钛丝和铝丝添加到熔池内，沉积层的成分和显微组织存在差异，沿着沉积方向α2和γ相的体积分数也发生了变化，因此电弧增材制造的成分、组织的均匀性控制仍需要进一步解决。此外，如何在电弧增材制造中添加其他合金元素也是有待解决的重要问题。

图9 电子束增材制造Ti-48Al-2Cr-2Nb合金LPT叶片[51]

增材制造TiAl合金在室温下微观组织以γ相为主，重复熔化会导致沿成形方向上的组织分层，相比于传统铸造工艺，增材制造具有快速冷却的特点，细晶效应产生更好的拉伸性能和硬度值，分层组织间较差的结合界面使成形方向上的断裂强度通常较低。TiAl合金增材制造成形通常需要进行热等静压和两步热处理以消除孔隙缺陷[53]，进一步调整组织形态。

5 总结与展望

TiAl基合金作为一种轻质耐高温结构材料，满足了航空、航天、汽车等领域的减重、降油耗、减排放的迫切需要，应用前景十分广阔。在几代科技工作者的努力下，TiAl基合金的成分设计理念日益成熟，大量组织性能关系研究工作让人们看到了TiAl基合金的未来潜力。近10年来，国内外材料科技工作者已着重从应用层面反向梳理TiAl合金发展存在的障碍，并以此为切入点开展了针对性的研究工作。TiAl合金的精密成形技术是TiAl合金走向应用的重要环节，也是该材料发展的最大难点，虽然国内外在TiAl合金精密成形上取得了重要的突破，但是仍然需要在低成本制造和加强各个成形工艺的成熟度上加大投入。

TiAl合金的精密铸造技术是相对成熟的近净成形工艺，低成本制壳技术、复杂结构件的铸造缺陷、尺寸精度控制和通过后序处理提升服役性能是TiAl精密铸造成形的发展方向；粉末冶金制备TiAl合金在获得均匀细小的组织、合金成分控制方面具有很大优势，已成为TiAl合金精密成形技术的一个重要研究领域，其难点在于消除孔隙及间隙元素含量控制，因此研制高质量TiAl合金粉末，减少微观缺陷产生和污染是未来的工作重点。TiAl合金板材在未来航空航天工业中有着巨大需求，粉末冶金和铸锭冶金作为板材成形的2个主要途径，还需要继续完善TiAl合金的挤压、锻造、轧制的热变形技术。无论是激光增材制造还是电子束增材制造，目前的研究都集中在工艺-组织-性能关系和以提高构件致密性、消除裂纹缺陷的工艺优化上，低成本TiAl合金粉末制备和适合于增材制造的TiAl合金开发是未来的发展方向，另外作为TiAl合金成形效果最好的EBM技术，需要从工程化应用出发，进一步建立工艺和产品标准，对成形工艺稳定性，成形过程缺陷实时监控和修复、质量检验、性能测试进一步规范化。

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Development Status and Prospect of Precision Forming Technology for TiAl Alloy

XIE Hua-sheng, LIU Shi-bing, ZHAO Jun, ZHANG Zhi-yong, BAO Chun-ling

(State Key Laboratory of Light Alloy Casting Technology for High-end Equipment, Shenyang Research Institute of Foundry, Co., Ltd., Shenyang 110022, China)

As an excellent lightweight and high temperature resistant structural material, TiAl alloy has wide application and development prospect in hot end components for aviation, aerospace, automobile, weapons, etc. However, due to its poor cold and hot workability, low room temperature plasticity and fracture toughness, there are still great obstacles in further engineering. To tap the application potential of TiAl alloy, research institutions and enterprises all over the world have carried out fruitful research from material design, microstructure and property regulation to forming process. The work summarized the research progress in precision forming of TiAl alloy in recent years, including investment casting, ingot metallurgy, powder metallurgy and additive manufacturing technology. At present, TiAl alloy investment casting blades and hot working blades have been successfully applied to aeroengines. Powder metallurgy forming and additive manufacturing technology show unique advantages in complex component forming and sheet metal forming. However, they still need to be further improved in terms of low cost and process stability.

TiAl alloy; precision forming; investment casting; ingot metallurgy; powder metallurgy; additive manufacturing

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.01.006

TG146.2

A

1674-6457(2022)01-0044-11

2021-08-16

国家重点研发计划（2020YFB2008300）

谢华生（1966—），男，博士，研究员，主要研究方向为先进钛合金精密成形技术。