本文档是一篇关于新型铝基功能梯度金属间化合物材料的研究论文，发表于国际期刊《Advanced Composites and Hybrid Materials》（2025年第8卷）。该研究由Wonjong Jeong、Jeongho Yang、Joon Phil Choi等来自多个机构的作者团队共同完成，旨在为高性能航空发动机涡轮叶片开发一种兼具高强度和耐高温特性的轻质材料解决方案。

一、 学术背景与目标 这项研究隶属于先进复合材料与增材制造领域。当前，航空发动机涡轮叶片普遍采用镍基或钴基高温合金，以实现极端环境下的承力与耐热需求。然而，这些材料密度较高，限制了发动机的推重比和效率提升。钛铝合金（TiAl）等金属间化合物（Intermetallic Compounds， IMCs）具有低密度和良好的高温性能，但通常存在室温脆性、加工困难和高温强度不足等问题。 研究团队旨在突破现有材料体系的限制，通过创新的增材制造（Additive Manufacturing， AM）工艺，设计并制备一种铝基功能梯度结构（Functionally Graded Structure， FGS）。该结构具有离散的成分梯度，从高强度的钛铝钒化合物逐步过渡到更富铝的韧性区域，以期在单一部件内实现力学性能的按需分布。最终目标是利用此FGS，结合拓扑优化（Topological Optimization， TO）技术，制造出适用于高性能喷气发动机的涡轮叶片，同时满足轻量化、高强度和高耐热性的要求。

二、 详细研究流程与方法 本研究流程复杂且系统，整合了材料设计、多工艺增材制造、微观结构表征、力学性能测试以及最终的部件设计与优化。 1. 材料设计与制备方法： 研究的核心是制造具有特定成分梯度（48.1Al-47.9Ti-4.0V / 73.7Al-24.2Ti-2.1V / 89.5Al-10.0Ti-0.5V， 原子百分比）的铝基FGS。为实现这一目标，团队开发并应用了一种“双混合”增材制造工艺：即结合激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion， LPBF）和定向能量沉积（Directed Energy Deposition， DED）技术，并辅以计算机数控（Computer Numerical Control， CNC）铣削进行后处理精加工。这种工艺组合的创新之处在于，它允许在构建方向（Build Direction， BD）上精确控制和改变材料的化学成分。 * 具体步骤： 首先使用LPBF工艺成形底部高强度的48.1Al-47.9Ti-4.0V区域。随后，切换到DED工艺，通过多送粉器系统，依次沉积相同成分的过渡层以及73.7Al-24.2Ti-2.1V和89.5Al-10.0Ti-0.5V层，实现成分的阶梯式变化。研究初期曾尝试在末端沉积纯铝层，但因其存在大量微观缺陷和机械瑕疵（如孔洞、裂纹）而被放弃。整个制造过程在惰性气体保护下进行，以抑制氧化。最后，使用CNC milling对构件表面进行精加工。 * 工艺参数优化： 研究特别关注了两种工艺界面（Interface）的结合质量。通过调控激光功率、扫描速度、扫描策略（如采用45°方向进行LPBF打印，然后在DED阶段采用90°方向构建），有效减少了界面处的微观结构缺陷和机械瑕疵，获得了比0°/90°或90°/90°构建方向结合更强的双峰（Bimodal）结构。

1. 表征与分析方法： 对制备的FGS样品进行了全面而深入的多尺度表征。

   • 成分与物相分析： 使用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）分析粉末和成品的化学成分。利用X射线衍射（XRD）和选区电子衍射（SAED）确定各梯度区域的晶体结构。X射线光电子能谱（XPS）用于精确分析钒基化合物（Al10V， Al45V7）的存在。
   • 微观结构表征： 采用扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）观察晶粒形貌、尺寸、取向以及晶界分布。重点使用透射电子显微镜（TEM）和高角度环形暗场-扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）结合能谱（EDS）进行纳米尺度分析，以揭示基体相、析出相、偏析物和沉淀物的精细结构、元素分布及其晶体学关系。文中详细展示了γ基（如TiAl）和γ’型（如Ti3Al， α2基）相的结构，以及晶界处钒基化合物的分布。
   • 热学与力学性能测试： 采用差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）研究材料的热行为。通过维氏硬度计测量显微硬度。最关键的是，在室温及高温（最高900°C）下对材料进行了拉伸试验，获取了包括抗拉强度（UTS）、屈服强度（YS）和延伸率在内的关键力学性能数据。

2. 涡轮叶片设计与优化流程： 在获得材料性能数据的基础上，研究进入了工程应用阶段。

   • 拓扑优化（TO）： 首先对一个传统的涡轮叶片模型进行有限元分析，识别其在高心载荷和热载荷下的应力分布。基于FGS各区域的力学性能（特别是高温屈服强度），移除应力自由区，在保证安全系数（目标为3.0-3.5）的前提下，对叶片进行拓扑优化以最大化刚度并最小化重量。优化后的设计采用了复杂的楔形结构和内部点阵结构（Lattice Structure）以增强刚度。
   • 冷却通道（Cooling Channel， CC）设计： 针对优化后的涡轮叶片，设计了内部共形冷却通道（Conformal CC）。利用计算流体动力学（CFD）模拟，优化了冷却通道内扰流柱（Pin-fin）的排列方式（如并排或交错）、间距和布局，以评估不同设计方案下冷却空气流动的均匀性和湍流程度（通过归一化雷诺数REN及其标准偏差衡量），旨在实现高效、均匀的冷却效果。

三、 主要研究结果 1. 材料微观结构与形成机制： * 成功制备了成分和结构可控的铝基FGS。微观分析证实，材料由多种金属间化合物构成，包括作为基体相的TiAl、TiAl3和纯铝，以及作为析出相的Ti3Al、TiAl2、TiAl3，还有晶界处存在的Al10V和Al45V7化合物。这些相的形成与高能激光辐照后的快速凝固（Rapid Solidification， RS）过程密切相关。 * 研究发现，在LPBF和DED区域，均观察到类似镍基高温合金中γ/γ‘结构的层状（Lamellar）析出相。这些纳米级层状析出相与基体通道共格，对强度有重要贡献。晶界处的钒基化合物则起到弥散强化和稳定晶粒的作用。 * 热处理（固溶处理加时效）后，材料微观结构变得更加均匀，层状熔池消失，晶粒趋于等轴化，低角度晶界减少，内应力得到缓解，但同时Hall-Petch强化效应也有所减弱。

1. 力学与热学性能：

   • 该FGS展现出优异的综合性能。其抗拉强度在0.5至1.7 GPa之间可调，具体取决于成分：富钛的48.1Al-47.9Ti-4.0V区域强度最高，随着铝含量增加（至89.5Al-10.0Ti-0.5V），强度下降但塑性提升。
   • 材料具有出色的高温性能。例如，48.1Al-47.9Ti-4.0V材料在室温下屈服强度为1384 MPa，在900°C高温下仍能保持867 MPa。同时，材料密度较低，介于2.9-3.7 g/cm³之间，显著轻于传统镍基高温合金。
   • 高温拉伸测试表明，材料的塑性在高温下有所改善（延伸率可达8.2%以上），热处理后塑性进一步提升（如89.5Al-10.0Ti-0.5V结构在450°C下延伸率达18.6%）。

2. 工艺与结构关系：

   • “双混合”LPBF-DED工艺被证明是可行的。采用45°（LPBF）/ 90°（DED）构建方向的双峰结构，其界面结合质量和拉伸强度优于其他构建方向组合。这归因于该策略减少了与熔池不稳定边缘的接触，形成了更稳定的界面。
   • CFD模拟结果指出，在冷却通道设计中，扰流柱的特定交错排列（如案例3：d1=6mm， z1=6mm）能够产生最高的归一化雷诺数（REN）和最低的流动不均匀性，表明其冷却效率最佳。

四、 结论与意义 本研究的结论是，成功开发并验证了一种可用于高性能航空发动机涡轮叶片制造的铝基功能梯度超金属间化合物材料体系及其配套的“设计-制造-优化”一体化方案。 其科学价值在于：1）深化了对多材料、多工艺增材制造过程中材料-结构-性能关系的理解，特别是功能梯度材料界面行为的控制；2）展示了通过成分梯度设计和微观结构调控，在金属间化合物体系中实现强度和塑性良好匹配的可能性；3）为新型轻质高温结构材料的开发提供了新的思路和实验依据。 其应用价值则更为直接和重大：1）提供了一种潜在的可替代部分镍基高温合金的轻量化叶片材料方案，有助于提升航空发动机的推重比和燃油效率；2）所开发的“双混合”LPBF-DED-CNC复合制造工艺，为复杂、多材料、高性能构件的数字化近净成形开辟了新的技术途径；3）结合拓扑优化和共形冷却通道设计，展示了从材料到构件一体化设计的完整范式，对推动航空航天领域先进制造技术的发展具有重要意义。

五、 研究亮点 1. 材料创新： 首次报道了通过离散成分梯度设计的铝基功能梯度金属间化合物体系，并将其与涡轮叶片部件制造直接结合。 2. 工艺创新： 开创性地将LPBF、DED和CNC milling三种工艺集成为“双混合”制造系统，用于复杂功能梯度金属构件的制备，并深入研究了工艺参数与界面微观结构、力学性能的关联。 3. 方法学创新： 实现了从材料制备、性能表征到部件拓扑优化、冷却设计、CFD模拟的全链条、多学科交叉研究，完整呈现了“材料-工艺-设计-性能”一体化研究的范式。 4. 性能突破： 所获材料在保持低密度（约3.x g/cm³）的同时，实现了高达1.7 GPa的抗拉强度和900°C下的高耐热性，综合性能指标突出。

六、 其他有价值内容 研究还指出了一些挑战和未来方向：例如，纯铝末端因缺陷过多被移除，表明在极大成分跨度下实现完美结合仍需进一步工艺探索；尽管热处理 homogenizes了微观结构并提升了塑性，但完全消除所有缺陷仍需后续处理（如热等静压）。此外，研究强调了在增材制造过程中，控制热循环、残余应力和界面反应对于保证功能梯度材料可靠性的至关重要性。这些发现为后续研究提供了明确的改进目标。