这篇文章属于类型a：单项原创研究。以下是基于文章生成的学术报告：

主要作者与研究机构

本文的主要作者包括Ken Cho, Hajime Kawabata, Tatsuhiro Hayashi, Hiroyuki Y. Yasuda, Hirotoyo Nakashima, Masao Takeyama和Takayoshi Nakano，分别来自日本大阪大学工学院材料与制造科学系（Division of Materials and Manufacturing Science, Graduate School of Engineering, Osaka University）、大阪大学各向异性设计与增材制造研究中心（Anisotropic Design & Additive Manufacturing Research Center, Graduate School of Engineering, Osaka University）、以及东京工业大学材料与化学技术学院材料科学与工程系（Department of Materials Science and Engineering, School of Materials and Chemical Technology, Tokyo Institute of Technology）。本文发表于学术期刊《Additive Manufacturing》（Elsevier出版）2021年第46卷，文章编号为102091，于2021年6月8日正式上线。

研究背景

研究所属科学领域是增材制造（Additive Manufacturing）和β相γ-TiAl合金（β-containing γ-TiAl alloys）。γ-TiAl合金因其低密度（约3.8 g/cm³）及优异的高温和室温强度特性，在航空航天和汽车发动机等领域受到广泛关注，已逐步取代传统镍基高温合金用于低压涡轮叶片。然而，传统精密铸造工艺中存在低室温韧性、高氧化敏感性等问题，导致材料浪费和高成本。由此，研究聚焦于电子束熔化技术（Electron Beam Melting, EBM）的应用，这是一种新型增材制造工艺，可通过控制工艺参数优化材料显微组织与力学性能。

本研究针对含β相γ-TiAl合金（代表性合金为Ti-44Al-4Cr）在EBM工艺中的显微组织演化与拉伸性能，系统探讨了输入能量密度（Input Energy Density, ED）的影响。本研究的目的是揭示EBM工艺参数与显微组织之间的关系，以及组织对性能的决定性作用。

研究流程

原料制备

研究中使用Ti-44Al-4Cr合金原料粉末，通过氩气雾化法制备。粉末的形貌通过扫描电子显微镜（SEM）观察，粒径和分布由激光粒径分析仪测定。使用Revolution Powder Analyzer测量粉末的流动性，用于评估其适合性。

样品制造

通过Arcam Q10型电子束熔化设备制造了不同ED条件下的合金棒材（尺寸为10 × 10 × 15 mm和10 × 10 × 30 mm），加速电压为60kV，预热温度为1333 K。ED通过调整束流和扫描速度定义。

显微组织和结构完整性评估

通过光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对样品进行显微组织和内部缺陷的评估，其中包含孔隙率和未熔合缺陷的定量分析。输入能量密度对这些参数的影响进行了细致的考察。

力学性能测试

在室温（RT）和1023 K高温下对样品进行拉伸测试，测试样本沿棒材长轴方向制取，尺寸为5.0 × 1.5 × 0.5 mm。同时采用纳米压痕测试测量不同显微组织区域的硬度。

主要实验结果

1. 原料粉末特性
   所用粉末颗粒形状接近球形，平均直径为70.2 µm，展现出良好的流动性和较低角度的堆积角（44.8°）。化学分析显示粉末的Al和Cr含量接近合金的标称组成，氧含量较低。

2. 样品制备与结构完整性
   过高的ED导致熔池不稳定，样品表现出较差的尺寸精度；然而，ED低于1.2 J/mm²下，明显出现未熔合缺陷。适宜的ED范围在1.4至12.5 J/mm²之间。

3. 显微组织分析
   不同ED条件下形成两种主要显微组织：

   • 高ED（≥3 J/mm²）: 形成均匀的α2/β/γ混合结构，包括α2/γ片层区域和β/γ双相区域。
   • 低ED（ J/mm²）: 显微组织为垂直于成型方向的层状结构，包含超细α2/γ片层层以及α2/β/γ混合结构层。超细片层是由快速冷却下的巨α晶粒（Massive α Grains）转变形成。

显微组织变化与熔池的固态化及温度分布密切相关。

1. 力学性能
   • 室温性能: 含高比例β相或超细α2/γ片层的样品表现出超过700 MPa的抗拉强度（最高达773 MPa），优于传统铸造合金。
   • 高温性能: 样品在1023 K下表现出644 MPa抗拉强度及40%的延展率。β相因高温下的ωo相析出而具备显著的强化作用；同时，超细片层也有效阻碍了高温变形。

结论与意义

研究首次揭示了EBM工艺中输入能量密度控制含β相γ-TiAl合金显微组织演化的机制，明确了两种显微组织（高ED的均匀结构和低ED的层状结构）的形成规律及其对力学性能的作用。本研究结果表明，利用EBM工艺可制造出性能优于传统铸造Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的制件，其在航空航天发动机和高温结构应用中具有广阔前景。

研究亮点

1. 创新性: 首次通过控制ED得到两种不同显微组织（高能密度均匀结构和低能密度层状结构）。
2. 工艺优化: 提供了优化β-containing γ-TiAl合金EBM制造过程的科学依据。
3. 材料性能提升: 制造出的Ti-44Al-4Cr合金在室温和高温下展现出异常高的强度和延展性。