近日，我所在金属材料领域知名期刊《Acta Materialia》在线发表了题为 “Atypical pathways for lamellar and twinning transformations in rapidly solidified TiAl alloy”的研究论文，首次揭示了钛铝合金中LPSO相的形成机制，为理解钛铝合金增材制造过程的显微组织演化提供了新视角。这是我所在MRL、JMST等系列刊物报道钛铝合金增材制造工艺与力学性能的最新进展。

TiAl合金作为一种新型的轻质高温结构材料，以其轻质高强、优异的抗氧化性和抗蠕变性等优点而备受关注，在航空航天领域极具应用前景。增材制造技术是基于离散/积分的思想建立起来的一种全新的近净成形方法，它可以通过层层堆积的方式直接制备复杂零部件。增材制造过程中材料不仅会经历快速凝固过程，还会受到多道次热循环的影响，因而存在多种偏离平衡态的结构。前期研究发现，通过调整工艺参数可以获得多种不同组织结构（Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science, 2020, 51(1), pp. 82–87；Additive Manufacturing, 2020, 32, 101087；Journal of Materials Science and Technology, 2022, 117, pp. 99–108），表征发现了特殊的长周期堆垛有序结构（LPSO）的存在（Materials Characterization, 2020, 164, 110315； Materials Research Letters, 2020, 8(12), pp. 454–461）。LPSO结构在稀土镁合金中较为常见，而在TiAl合金中却较为少见，其中特殊LPSO相的微结构、形成原因、转变机制等仍不清晰，限制了人们利用LPSO相来实现TiAl合金显微组织及力学性能的调控。

为了深入理解增材制造TiAl合金中LPSO的形成机理，研究者巧妙地选取打印用的快速凝固Ti-47Al-2Cr-2Nb合金粉末作为研究对象，通过不同的时效处理，系统全面地研究了快速凝固TiAl合金由非平衡态向平衡态转变的相变行为。

未经热处理的快速凝固Ti-47Al-2Cr-2Nb合金粉末中几乎全部为过饱和α₂相。经热处理后出现两种不同的显微组织，即层片组织和等轴γ组织。层片组织主要由纳米γ板条构成，而等轴组织则几乎全部为等轴γ晶粒。层片和γ晶粒的生长速率共同决定了样品热处理后的组织。当热处理温度较低时，层片结构及等轴γ晶粒的生长速率很低，保持初始组织形貌。当热处理温度达到700 ℃时（图1a），初始α₂晶粒中析出层片并快速长大，在层片结构中的 γ晶粒生长受限，再结晶难以发生，因此仍维持层片组织形貌。当热处理温度为900 ℃时（图1b），虽然仍率先形成纳米层片，但因γ晶粒能够在层片中快速生长，最终形成全等轴γ组织；随热处理时间延长，维持全等轴γ组织，不再发生明显变化。

图1 快速凝固TiAl合金在不同时效热处理温度条件下的转变过程示意图

（a）700 °C；（b）900 °C

通常，人们认为TiAl合金在α₂→α₂/γ层片转变过程中会首先形成局部亚稳fcc结构，随着化学成分的变化，进一步发生有序化转变并形成具有L1₀结构的γ板条。本研究中，却观察到了一种非常规的层片结构转变方式（图2），即hcp结构α₂相首先转变为具有…ABCBACA…堆垛顺序的6H结构板条；随后，6H结构分解形成更加细小的纳米γ板条。这是第一次直接观察到层片结构转变的中间结构，这与目前人们广泛认可的转变过程有很大差别。作者在此基础上提出了TiAl合金中层片结构的形成及转变机制（图3）。第一性原理计算发现（图4），6H结构的形成与合金中的成分及应力分布不均匀有关。

图2 （a）层片结构中6H/α₂的高分辨图像；（b，c）6H结构的原子排列及傅里叶变换图像；（d，e）α₂相的原子排列及傅里叶变换图像。

图3 α₂→6H→γ转变的原子示意图。

图4 不同铝含量对TiAl合金中各相形成能的影响（第一性原理计算结果）

此外，研究者还在等轴γ晶粒中发现了9R和18R结构（图5、图6），它们分别具有…ABCBCACABA…和…ABCABCBCABCACABCABA…的原子堆垛顺序，且分别与等轴γ晶粒保持(009)_9R||(111)_γ, <010>_9R||<1-10>_γ; (00.18)_18R||(111)_γ, <010>_18R||<1-10>_γ的晶体学位向关系。由于9R和18R结构具有更高的形成能，随着热处理时间的延长，将全部转变为低能态的γ孪晶板条（图7）。

本文研究可以证明，TiAl合金中LPSO相是在打印的非平衡态向平衡态转变过程中形成的，其可能是优化增材制造TiAl合金组织和性能的潜在途径。

图5 （a）等轴γ晶粒中的9R结构的高分辨图像；（b，c）9R结构的原子排列及反傅里叶变换图像；（d，e）γ相的原子排列及傅里叶变换图像。

图6（a）等轴γ晶粒中的18R结构的高分辨图像；（b，c）18R结构的原子排列及反傅里叶变换图像；（d，e）γ相的原子排列及傅里叶变换图像。

图7 （a）等轴γ晶粒中的9R结构与γ孪晶板条过渡区的高分辨图像；（b-d）γ晶粒、γ孪晶板条以及9R结构的傅里叶变换图像。

该研究工作得到了国家自然科学基金（51701145，52101139，12004152）和福建省自然科学基金项目（2020J02047）的支持。我所博士后张新宇为论文第一作者，顾剑锋教授和李传维副教授为论文的通讯作者，我所博士生叶振华、闽江学院特聘教授吴明辉、上海大学王庆研究员为共同作者。上海交通大学陈世朴教授为论文发表提供了宝贵建议。

本文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117718

其它相关论文链接：

MMTA论文: https://link.springer.com/article/10.1007/s11661-019-05552-y

MC论文: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1044580319327597?via%3Dihub

JMST论文: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030222000974?via%3Dihub

MRL论文: https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21663831.2020.1804473

AM论文: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860419318974?via%3Dihub