《Additive Manufacturing of Gamma Titanium Aluminide Alloys: A Review》是由Anıl Emiralioğlu（Gazi University机械工程系，Additive Manufacturing Technologies Application and Research Center，土耳其安卡拉）与Rahmi Ünal共同撰写的一篇综述文章。文章于2022年1月22日发表在《Journal of Materials Science》，详细回顾了γ钛铝（Gamma Titanium Aluminide, TiAl）合金在增材制造（Additive Manufacturing，AM）中的应用，并对其工艺挑战和相关研究提出了改进建议。以下为本综述的学术报告：

研究背景与综述目标

γ钛铝（TiAl）是一种性能优异的金属间化合物，广泛应用于航空与汽车领域。其具有质量轻、良好的高温耐蚀性与抗氧化性、高强度重量比以及优异的蠕变（Creep）性能。然而，这一材料也存在极大的局限性，其结构在室温表现出高度脆性，使得传统加工方法如铸造或粉末冶金对其生产难度极高。而增材制造技术的兴起使得对TiAl合金复杂零件的生产成为可能。本综述系统性地总结了采用AM技术对TiAl合金的生产研究现状、挑战及改进方向，旨在为后续研究提供理论与技术支持。

主要观点解析

TiAl材料特性与传统生产挑战

TiAl合金，特别是γ-TiAl，因其良好的抗氧化性、高温强度和低密度而被广泛应用于高性能航空与发动机零部件中。与镍基高温合金（Ni-base Superalloys）相比，其密度更低，是实现轻质化设计的重要材料。然而，其脆性限制了传统制造方法的应用，铸造法通常会面临低断裂韧性、裂纹和加工缺陷等问题。此外，当使用粉末冶金工艺时，粉末烧结紧凑性及微观结构稳定性也可能成为主要难题。

增材制造 (AM) 技术的分类及其可能的解决途径

文章将增材制造方法分为三类：基于粉床的技术（Powder Bed, 如SLM和EBM）、基于粉末喷射的技术（Powder Feed, DED等）和金属丝送进式（Wire Feed, WAAM）。相比传统技术，增材制造具有以下关键优点： - 低材料浪费：近乎100%的原材料利用率，节约资源。 - 材料复杂性：相较原始锭坯材料，粉末或金属丝原料在工艺设计中限制小。 - 设计自由：无复杂几何形状限制。 - 快速响应：从设计到生产周期短，Buy-to-Fly比例显著提高。

其中，SLM（选择性激光熔化）与EBM（电子束熔化）是基于粉床的两种常用方法。通过逐层构建成型，这两种方法能够以接近净尺寸工艺（Near Net Shape）生产γ-TiAl合金零件。

不同增材制造工艺的具体特点与研究成果

Powder Bed-Based Methods: 1. SLM 技术: SLM方法使用高能激光束熔化粉末材料，采用纵向逐层扫描方式构造零件。虽然该方法具有较高的零件致密性和卓越的微观结构控制能力，但在处理高冷速金属间化合物（如TiAl）时，可能会因残余应力导致裂纹形成。此外，研究表明，TiAl在SLM中会出现氧化层（由氧元素吸附表面形成），进一步恶化材料的脆性。 - 实例：Yang等通过调整能量密度（Energy Density）参数（联合激光功率、扫描速度与层厚度）得到相对密度接近98.95%的γ-TiAl材料，但仍有裂纹问题。

1. EBM 技术: 相较SLM，EBM利用真空环境和电子束，支持在理论上实现无氧化污染的高温预热操作，有效减少热应力引发的裂纹。
   • 实例：Reith等在分析Ti-48Al-2Cr-2Nb样品时发现，相较SLM，其晶粒直径更小（25μm），且未观察到显著热应力裂纹。然而，高温操作中产生的铝蒸发问题导致元素迁移与成分偏差，需要进一步优化线能量（Line Energy）参数控制。

Powder Feed-Based/Dedication Deposition Methods: DED等方法通过喷嘴将粉末直输热来源以实现逐层堆叠。尽管其块体成型效率高，但高冷速导致收缩开裂及变形极为明显。此外，气氛控制不足的装置易引入氧/氮杂质，使TiAl变得更加脆弱。

Wire Feed-Based/WAAM Methods: WAAM工艺使用电弧熔化焊丝，并结合等离子或TIG（Tungsten Inert Gas）方式逐层构建。在特定条件下表现出良好的沉积一致性与显著的金属成分均匀性。然而，因为沉积过程中显著晶粒取向（Anisotropy）及强层状微观结构导致其抗机械应力性能逊于其它AM技术。 - 实例：Wang等利用WAAM制作的Ti-45Al零件表现出底部区晶体柱状取向（Columnar Orientation）及顶部更细裂解晶区。

增材制造技巧的优化与后处理工艺探索

为了进一步改进增材制造TiAl零件的性能，许多研究集中于工艺参数的优化和后处理技术的应用： - 热等静压处理（HIP）：通过消除孔隙与应力，HIP可以在EBM操作后极大优化样品致密度及韧性。Mohammed等数据显示，HIP处理后样品密度从99%提高到99.7%。 - 热处理与涂层技术：通过控制退火时间与温度，可以调整TiAl的显微组织为双相结构（Duplex Microstructure），以提升延展性，减弱室温脆性。

总结与展望

本综述通过对现有研究的整理与分析，说明了γ-TiAl合金在增材制造技术上的优势与挑战： 1. 优势：增材制造技术增强了TiAl材料的成型自由度，适合制造航空、汽车等领域极为重视轻量化或高温性能的结构件；并借助工艺改进能够解决传统制造方式面临的问题。 2. 主要挑战：氧化与高冷速裂纹是包括SLM等技术的主要制约因素；而EBM和WAAM工艺需要进一步降低铝蒸发及各向异性问题。

未来，增材制造在高性能材料制造中的前景广阔。系统性优化工艺参数，探索精粹后处理方法，将帮助进一步打破TiAl韧性与强度间的技术壁垒，使其在更广领域展现更多创新价值。