北京科技大学林均品、梁永锋: Ta元�...|合金|基体|林均品|梁永锋|氧化|金属

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（来源：稀有金属RareMetals）

通过定向能量沉积技术增材制造的Ta优化的TiAl基合金在高温下的力学性能和氧化行为的研究

宋祎，薛辉，何袭淼，付路征，佟欣桓，商顺利，刘梓葵，梁永锋，林均品

北京科技大学

天津工业大学

美国宾夕法尼亚州立大学

【文献链接】

Song, Yi, Hui Xue, Ximiao He, et al. 2026. “Insights Into High-Temperature Mechanical Properties and Oxidation Behavior of Ta-Optimized TiAl-Based Alloys Additively Manufactured via Directed Energy Deposition,” Rare Metals: e70311.

https://doi.org/10.1002/rar2.70311.

【背景介绍】

激光定向能量沉积是一种高效加工复杂部件的有效方法，其显著优势在于材料节省，且具有微区冶金和快速凝固的特点。本研究通过激光定向能量沉积技术合成了一种纳米Ta优化的Ti-45Al-8Nb（at%）合金。所制备的TiAl基合金呈现出均匀且等轴的显微组织，相比之下，未添加Ta的TiAl合金则呈现出粗大且柱状的显微组织。通过Ta优化的合金在室温下表现出优异的极限抗拉强度（950 MPa），并且在800°C时仍能保持751 MPa的极限抗拉强度。此外，该合金在850°C经过200小时等温氧化后的氧化质量增加为0.31mg·cm-2。同时，氧化过程中形成的AlTa2不仅促进了致密Al2O3层的形成，而且与Al2O3的界面具有一定的界面关系，有效地防止了氧化并保护了基体。该工作为具有优良高温力学性能和氧化性能TiAl合金的制备开辟一条可行的新途径。

【文章亮点】

1.通过Ta优化后的TiAl合金呈现出均匀且等轴的显微组织。

2.Ta优化后的TiAl合金具有出色的极限抗拉强度，并且在高温下表现出卓越的强度保持性。

3.Ta优化后的TiAl合金具有优异的氧化性能，同时，在氧化过程会AlTa2相，其与Al2O3的界面结合良好，从而提高了氧化性能。

【内容简介】

【图文解析】

图1. (A) Ti-45Al-8Nb（at%）预合金粉末的形貌；(B) 预合金粉末的粒度统计；(C) 预合金粉末XRD图谱；(D) 球磨后的混合粉末形貌，插图为Ta颗粒的形貌；(E–I) 混合粉末的放大视图以及相应的Ta、Ti、Al和Nb的元素分布图；(J) DED工艺示意图；K 力学性能和氧化样品取样示意图

本研究以Ti-45Al-8Nb和Ti-45Al-8Nb-1Ta（at%）两种TiAl基合金为对象，通过将平均粒径100 nm的Ta纳米颗粒与45–150 µm的预合金粉末按原子比混合，经低速球磨（Ar气保护，添加ZrO₂磨球，转速150 r/min，球料比3:1，混合12 h）实现纳米Ta颗粒在预合金粉末表面的均匀附着与有效粘附，随后在120°C下真空干燥24 h。混合粉末随后用于DED成形（参数：激光功率800 W，光斑直径5 mm，扫描速度12 mm·s-1，送粉率6 g·min-1，层厚0.55 mm，基板为Ti-6Al-4V），最终成形合金的成分与名义成分相近，且Al元素烧损可忽略。

图2.（A）纯TiAl合金Micro-CT结果；（B） Ta-TiAl合金Micro-CT结果；（C）纯TiAl合金缺陷统计结果；（D）Ta-TiAl合金缺陷统计结果

这些结果表明增材制造材料中一旦产生未熔合孔洞或凝固裂纹等问题，在标准工艺窗口内难以消除。值得关注的是，本研究通过简单引入Ta元素显著提升了材料的成形性。Micro-CT结果表明，Ta-TiAl合金中缺陷的数量和尺寸均显著降低，缺陷峰值直径减小至约10 µm。综上，Ta的引入有效改善了Ta-TiAl合金的成形性。

图3.（A）纯TiAl合金在BC模式下的图像；(B) Ta-TiAl合金在BC模式下的图像；（C）纯TiAl合金的反极图；(D) Ta-TiAl合金的反极图；(E) XRD图谱；(F) Thermo-Calc软件计算得出的不同温度下Ti-45Al-8Nb（at%）合金的相组成；(G) 纯TiAl合金的极图；(H) Ta-TiAl合金的极图

这些结果表明纯TiAl合金呈现粗大的全片层组织，而Ta-TiAl合金的显微组织以细小均匀且等轴γ相为主，同时含有少量片层组织。XRD与热力学计算表明，Ta的添加改变了合金的凝固路径，促使B2相形成。晶体学分析进一步显示，Ta的引入显著细化了晶粒，并大幅降低了(0001)α₂与(111)γ的织构强度。这表明Ta元素能有效调控TiAl基合金的相组成、显微组织形貌与晶体学取向。

图4. (A) 纯TiAl合金和Ta-TiAl合金室温的拉伸应力-应变曲线对比；(B) 纯TiAl合金和Ta-TiAl合金高温的拉伸应力-应变曲线对比；(C) 包括本研究在内的各种加工方法制备的TiAl合金在室温下的拉伸性能总结；(D) 包括本研究在内的各种加工方法制备的TiAl合金在高温下的拉伸性能总结；(E) 纯TiAl合金室温拉伸断口；(F) Ta-TiAl合金室温拉伸断口；(G) 纯TiAl合金在800°C的拉伸断口；(H) Ta-TiAl合金800°C的拉伸断口；(J) 纯TiAl合金900°C的拉伸断口；(H) Ta-TiAl合金900°C的拉伸断口

这些结果表明添加Ta元素可显著优化TiAl合金力学性能。Ta-TiAl合金在室温下抗拉强度达950 MPa，较纯TiAl合金提高150 MPa；在800–900°C高温环境下，其强度保持性显著优于纯TiAl合金，且性能优于多数已报道的同类材料。

图5. (A)纯TiAl合金与Ta-TiAl合金在850°C下等温氧化曲线对比；(B) 在850°C下200小时内纯TiAl合金和Ta-TiAl合金的氧化重量增加曲线n和Kp的拟合结果；(C)包括本研究在内的850°C下100小时后氧化增重对比；(D) 包括本研究在内的850°C下200小时后氧化增重对比

这些结果表明Ta-TiAl合金的氧化增重显著低于纯TiAl合金，其氧化动力学符合抛物线规律，且氧化速率常数低于纯TiAl合金。与文献报道的其他TiAl合金相比，Ta-TiAl合金在850°C下经100小时和200小时氧化后均表现出最优的氧化性能，这主要归因于Ta元素的协同保护作用。

图6. (A) Ta-TiAl合金氧化50小时后表面形貌；(B) Ta-TiAl合金氧化100小时后表面形貌；(C) Ta-TiAl合金氧化200小时后表面形貌；(D) 纯TiAl合金氧化50小时后表面形貌；(E) 纯TiAl合金氧化100小时后表面形貌；(F) 纯TiAl合金氧化200小时后表面形貌；(G) Ta-TiAl 合金氧化100小时后截面形貌及其元素分布；(H) Ta-TiAl合金氧化200小时后截面形貌及其元素分布

这些结果表明随着氧化时间延长，Ta-TiAl合金表面逐渐形成细小均匀的Al₂O₃颗粒并最终合并为微米级致密氧化层，而纯TiAl合金表面则生成松散团聚的粗大TiO₂柱状晶簇。截面分析表明，Ta-TiAl合金在氧化初期形成TiO₂与Al₂O₃混合氧化层，随时间延长逐渐分化为外层富Al₂O3层与内层定向TiO₂层，200小时后外层形成的连续多孔的Al₂O₃层，有效阻碍氧向内扩散。

图7. (A) 纳米级Ta颗粒；(B) 对应于A的元素分布图；(C) 片层的明场像；(D) 片层板条内部的孪晶；(E) 图D中黄框内的HRTEM图像；(F1和F2) E中9R结构的HRTEM和FFT图像；(F3和F4) E中γ相的HRTEM和FFT图像；(G) 片层板条中纳米级α2相的明场像；(H)图G中黄框内的HRTEM图像；(I)对应于H的原子尺度应变图

这些结果表明Ta-TiAl合金高温力学性能的增强源于多种机制的协同作用。未熔的纳米Ta颗粒分散在基体中，产生第二相强化并有效钉扎界面。变形过程中，片层内位错运动受阻并形成位错墙，通过分解产生肖克利不全位错和堆垛层错，进而作为孪晶的异质形核点。沿γ/γ孪晶界发现长周期堆垛有序相，其堆垛顺序为ABC/BCA/CAB。综上，多种强化机制共同提升了Ta-TiAl合金的高温力学性能。

图8. (A) 氧化截面的整体形貌；(B) 图A层Ⅰ的形貌及相应的SAED图谱；(C)图A层Ⅱ的形貌及相应的SAED图谱；(D–I) O、Ta、Nb、Al、Ti和N的对应的元素分布；(J) Ta-TiAl合金多层氧化层的形成与生长示意图

这些结果表明Ta-TiAl合金的氧化层生长过程可概括为三个阶段：初期通过选择性氧化形成细小Al₂O₃外层；中期形成了Al₂O₃外层/TiO₂内层的双层氧化膜结构，并在界面处生成起钉扎作用的纳米级AlTa₂相及TiN相，有效增强氧化膜附着力；后期进入仅是现有结构厚度增加的稳态生长阶段。由于Ta扩散速率慢，其形成的AlTa₂相不仅能锚定氧化层，还能与重元素Nb协同抑制氧、氮的内扩散，从而显著降低氧化速率。这种由扩散控制的氧化层生长机制，以及多相复合氧化层结构（Al₂O₃外层/TiO₂中间层/（Al,Ti,O）混合过渡层），共同赋予Ta-TiAl合金优异的氧化性能。

图9. (A) AlTa2、Al2O3和TiO2的明场像；(B) AlTa2/Al2O3界面的HRTEM；(C) 图B中矩形标记区域的IFFT图像；(D) AlTa2/TiO2界面的HRTEM；(E) AlTa2/基体界面的HRTEM；(F) 图E中矩形标记区域的IFFT图像；(G) Al2O3和TiO2的明场像；(H) TiO2/基体界面的HRTEM；(I) Al2O3/基体界面的HRTEM

这些结果表明位于片层团边界的AlTa₂相与Al₂O₃及γ基体均存在一定的晶体学取向关系。这种具有特定取向关系的界面结构更为稳定，有利于抑制氧的内向扩散从而保护基体。相比之下，AlTa₂与TiO₂之间以及Al₂O₃、TiO₂与基体之间未观察到明显的晶体学取向关系。

图10.(A) 纯TiAl合金中O的吸附及分解过程；(B)异质结构中O的吸附及分解过程；(C和D) AlTa2(110)//Al2O3(111)界面的CDD；(E) AlTa2(110)//Al2O3(111)界面的ELF

这些结果表明O原子在纯TiAl合金表面的吸附与分解能低于Ta-TiAl合金，说明纯TiAl合金更易形成TiO₂与Al₂O₃氧化层，而Ta的引入能与O结合，从而减少TiO₂和Al₂O₃的生成。这些计算结果证实 AlTa₂/Al₂O₃界面结构稳定，能有效抑制氧的侵蚀，从而提升Ta-TiAl合金的氧化性能。

【全文小节】

（1）Ta-TiAl合金的显微组织主要由γ相、片层团以及少量的B2相组成。添加Ta元素消除了由于温度梯度导致的显微组织沿热源方向生长的趋势，从而呈现出近似等轴的结构；

（2）拉伸测试结果表明，Ta-TiAl合金在室温、800°C 和 900°C 时的抗拉强度分别为950 MPa、751 MPa 和 647 MPa。同时，Ta-TiAl合金表现高温强度保持性；

（3）在850°C下进行200小时的等温氧化后，Ta-TiAl 合金的氧化质量增加量仅为0.31 mg·cm-²。其出色的氧化性能归因于最外层形成了致密的Al₂O₃。此外，氧化过程中形成的AlTa2不仅促进了致密Al2O3层的形成，而且与Al2O3的界面具有一定的界面关系。

【作者简介】

林均品：北京科技大学教授、博导，长江学者特聘教授，国家973计划首席科学家，享受国务院政府特殊津贴。长期从事结构-功能金属间化合物、难变形材料的强加工及组织精确控制、3D打印等领域的研究。在高Nb-TiAl等难变形金属间化合物领域取得了国际公认的原创性成果。先后承担了973计划、863计划、国家军工平台建设项目、国家自然科学基金重点、两机重大专项等50余项。美国矿物、金属和材料学会（TMS）高温合金委员会理事，中国材料研究学会理事，中国材料研究学会金属间化合物与非晶合金委员会副理事长，《Metals》、《Journal Kovove Materialy-Metallic Material》、《Journal of the Korean Society for Heat Treatment》、《中国材料进展》、《钢铁钒钛》等杂志编委。

梁永锋：北京科技大学教授、博导，国家科技重大专项首席科学家、国家重点研发计划首席科学家。主要从事脆性难加工金属间化合物韧塑化改善机制、制备加工及性能改善、金属间化合物结构-功能一体化等研究，包括TiAl金属间化合物、FeSi金属间化合物等。获教育部技术发明奖一等奖1项，中国有色金属工业科学技术奖二等奖1项。承担国家自然科学基金项目2项，国家科技重大专项课题2项，科技部973、科技部863子课题1项。已授权国家发明专利30余项。作为分会主席主持了《Gamma (TiAl) Alloy Technology 2012》国际会议和美国TMS 2014年会《Gamma TiAl Alloys 2014》分会。担任20余种国际期刊审稿人，任《精密成形工程》编委、《中国机械工程学会铸造分会》理事等职。

薛辉，天津工业大学硕士生导师，国际焊接工程师（CNIWE12207/A02），国家创新工程师（EC20182139），其中2016年至2019年在中国中车集团担任激光增材/焊接工程师。主要从事金属间化合物特征的TiAl合金、新型软磁及其复合材料的增材制造，第一性原理及分子动力学多尺度模拟计算研究工作。主持或参与国家自然科学基金、重点研发计划子课题3项。近五年发表SCI论文30余篇，其中以第一/通讯作者在《Additive Manufacturing》、《Composites Part B》、《Scripta Materialia》、《Rare Metals》等期刊发表论文20余篇，申请/发明授权专利10项。任全国研究生教育评估监测专家库专家、广东省材料研究学会金属材料与先进表征专业委员会委员；兼任《Advanced Powder Materials》、《Progress in Natural Science-Materials International》、《China Foudary》等期刊青年编委/工作委员会委员。