题目：Selective Electron Beam Melting of Ti–48Al–2Cr–2Nb: Microstructure and Aluminium Loss

本文是一篇学术报告，发表在期刊《Intermetallics》（2014年，第49卷，29-35页）。作者包括Jan Schwerdtfeger（ZMP, University of Erlangen-Nuremberg, Fürth, Germany）、Carolin Körner（WTM, University of Erlangen-Nuremberg, Erlangen, Germany）。文章于2014年1月3日接受，并于2014年1月31日在线发表。

研究背景与目的

钛铝金属间化合物（Titanium aluminides）基于γ-TiAl相的合金，因其高温下的优异物理性能而被认为适用于动态应用，如涡轮叶片、涡轮增压器叶轮以及内燃机的阀门。这些材料在高温环境中的强度、硬度和耐腐蚀性使其具有很高的吸引力。但由于其复杂的加工特性，大规模推广应用仍受到阻碍。传统加工技术在形状复杂的零件制造中受到限制，而近些年来增材制造（additive manufacturing）的选择性电子束熔融（Selective Electron Beam Melting, SEBM）技术作为一种新路径出现，展现出显著的材料高效生产能力及对复杂几何形状的支持。

本文中，研究者针对Ti–48Al–2Cr–2Nb合金在SEBM工艺范围内的过程窗口与微观结构进行了探索，同时关注了工艺中铝的损失及其不同参数下的优化，并提出了一些减少铝挥发损失的策略。

详细研究流程

一、实验材料与工艺方法

1. 材料选择与粉体信息

   • 材料：使用商购的通过气雾化制备的Ti–48Al–2Cr–2Nb粉末，由ATI Powder Metals提供。ICP测试结果显示其主要成分为Ti (47.7 at.%)、Al (48.5 at.%)、Cr (1.8 at.%) 和 Nb (2 at.%)。
   • 粉末粒度分布：D10＝57 μm；D50＝93.4 μm；D90＝140 μm；显密度为2.18 g/cm³，相对密度约为0.57。

2. SEBM工艺描述
   SEBM是一种基于粉床的增材制造技术，由以下四个步骤组成：

   • (1) 粉末铺层；
   • (2) 使用电子束预热/烧结，提供机械稳定性与导电性；
   • (3) 用聚焦束进行熔融；
   • (4) 建造平台降低一层厚度，重复以上步骤直至样件完成。

构建过程中，使用Arcam A2系统，整个工艺在最高1100°C下完成，并维持在低氦分压（2×10^-3 mbar）。样件尺寸范围可达200×200×350 mm³。

1. 实验样件设计

   • 每次实验构建15×15×15 mm³的小型测试块。每组实验同时制造9-10个样块，探究不同的熔化参数与整体工艺设置。
   • 熔化参数包括电子束电流、偏转速度、线能量（Line Energy, LE = i*u/v，u固定为60 kV）等。

2. 数据采集与分析方法

   • 采用光学显微镜与扫描电子显微镜（SEM）观察微结构。
   • 使用ICP、微探针（JEOL JXA 8100）绘制元素浓度分布图。
   • 使用X射线衍射（XRD）对微观结构进行定性分析，并研究γ相和α相的特征峰。

二、工艺参数探索与优化

1. 中等扫描速度的工艺窗口

   • 扫描速度范围：最高至600 mm/s，粉末厚度为100 μm。
   • 结果：低于一定的线能量可能导致不完全的熔融与气孔生成，而过高线能量则会造成铝挥发增加（损失可达4 at.%）。
   • 在提高预热参数与建造温度（930-950°C）下，发现稳定性有所提高，同时避免粉末失控现象（“smoke”）。

2. 高速扫描速度的工艺窗口

   • 扫描速度范围：最高达6000 mm/s，粉末厚度降低至70 μm，线偏移间距缩减至100 μm。
   • 结果：通过减少粉末厚度与优化扫描路径，有效减少了熔池的局部过热现象，使铝损失降至最低值（0.5 at.%）。然而在极高扫描速度下，某些样品会出现轻微铝挥发的均匀性问题。

实验结果与分析

1. 铝的挥发与浓度分布
   在高线能量（1.1 J/mm）下，铝的损失显著高于低能量参数下的实验（44% vs 47.5% Al）。通过微探针分析，铝的分布显示出沿层结构的不均匀性，主要集中在熔池顶部。此外，铌（Nb）呈均匀分布，与文献报道的结果一致。而减少线能量和粉末厚度能显著改善铝分布的均匀性。

2. 微观结构的形态特征

   • 中等扫描速度的样品在顶部观察到柱状晶生长及层间受热区域的粗晶区域；而下部区域多为细小等轴晶粒，且层次间的快速冷却导致了非常细的片层间距（数百纳米）。
     
   • 在高速扫描的情况下，微观形态显示更多的非片层结构。XRD分析表明高扫描速度可能诱发了Massive γ转变，部分峰对应的α2相强度减弱或消失。

3. 热循环的影响
   热循环导致熔后的次层区域再次进入α转变温度范围，随后在冷却过程中生成更精细的微观形态。这种热处理效应随着高扫描速度减弱，使得最终的显微结构趋于均匀化。

研究意义与价值

1. 科学意义
   本研究通过优化选择性电子束熔融参数，揭示了Ti–48Al–2Cr–2Nb合金的工艺可行性及微观结构的控制规律，对于未来材料的增材制造尤其是钛铝基合金的深加工具有指导意义。

2. 工程应用
   通过减少铝的挥发损失确保机械性能的稳定性，使得此工艺更适用于制造复杂几何零件，特别是高温动态部件（如涡轮叶片）。

3. 方法学创新
   本文开发了一种通过调整扫描参数避免过热与蒸发的策略，并系统性验证了低能量-高速扫描对降低材料损失的效果，同时实现了对微观结构的局部调控，这为未来增材制造的多尺度优化提供了新思路。

研究亮点

1. 首次系统性探讨了Ti–48Al–2Cr–2Nb在选择性电子束熔融工艺中的宽窗口。
2. 提炼了铝损失与工艺参数之间的定量关系，并且使其达到了文献中最低报道值（0.5 at.%）。
3. 提出了基于热循环控制与局部参数动态调整的原位微观结构控制潜力。

结论上，本文不仅为SEBM技术打开新的应用前景，还为钛铝金属间合金在高性能制造中提供了丰富的基础数据和改进方向。