摘要：双丝电弧定向能量沉积（TW-DED-arc）技术是一种高效、低成本的增材制造工艺，特别适用于金属间化合物的成形。该技术在制备Ti-48Al-2Cr-2Nb钛铝合金时表现出显著优势，其力学性能潜力优于传统铸造和电子束粉末床熔融（PBF-EB）等工艺。
一、研究背景
双丝电弧定向能量沉积（TW-DED-arc）技术是一种高效、低成本的增材制造工艺，特别适用于金属间化合物的成形。该技术在制备Ti-48Al-2Cr-2Nb钛铝合金时表现出显著优势，其力学性能潜力优于传统铸造和电子束粉末床熔融（PBF-EB）等工艺。
然而，由于该技术采用原位合金化的特点，不可避免地会引发合金元素的微观偏析和层状组织粗化等关键问题，从而损害材料的力学性能和组织均匀性。现有工艺难以在维持高沉积效率的同时有效控制偏析和粗化现象，这成为制约TW-DED-arc技术工程化推广的主要瓶颈。
在此研究背景下，上海交通大学激光制造与材料改性重点实验室、长兴海洋实验室研究团队创新性地将超高频脉冲电流（UHFP）引入等离子电弧系统，通过精确调控热输入参数与熔池动力学行为，系统研究了UHFP对钛铝合金微观组织演变及力学性能的优化机理。该研究成果发表于高水平期刊Materials & Design（影响因子7.6）。
二、研究方法
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实验设计
本研究使用直径1.2 mm的Ti-48Al-2Cr-2Nb（TiAl-4822）双丝，通过TW-DED-arc系统沉积，并施加20 kHz高频脉冲电流（峰值电流15 A）。设置对照组（无UHFP电流）与实验组（施加UHFP电流），制备5层薄壁试样，分析其微观组织与力学性能。
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表征与测试
利用扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和能谱分析（EDS）表征元素分布、晶粒尺寸及层状结构厚度；通过室温拉伸试验测定抗拉强度（UTS），对比两组断裂行为；利用红外热成像记录熔池温度场变化，分析UHFP电流对热历史的影响。
三、研究结果
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元素偏析显著抑制
与未施加脉冲电流的对照组相比，采用频率为20 kHz、强度为15A的超高频脉冲电流处理后，TiAl-4822合金中铝元素的偏析现象降低了40%。典型偏析区域（如晶界）的铝含量波动从±8%缩小至±5%。
高频脉冲电流诱导的超声搅拌效应增强了熔池内的对流运动，加速溶质扩散，有效抑制枝晶间液相滞留导致的元素富集或贫化。
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微观组织细化
在实验中，顶部区域γ-TiAl层状的厚度从对照组的850 nm减小至330 nm，细化率达到61%；而中部区域的层状厚度则由520 nm降至390 nm，细化率为23%。
该工艺有效克服了传统直流电弧工艺中常见的非连续粗化层状结构，显著改善了晶粒取向的均匀性，并且等轴晶的比例得到了显著提升。
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力学性能提升
室温下的抗拉强度由对照组的385 MPa提升至443 MPa，增幅达到15%；断裂模式由主要沿晶断裂转变为以穿晶断裂为主，表现出更为优异的塑性变形能力。同时，断口韧窝的密度显著增加，表明材料的韧性得到进一步的提升。
四、机制与潜力讨论
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UHFP的热行为与熔池调控机制
高频脉冲电流通过“脉冲-间歇”模式有效降低了平均热输入，从而抑制了晶粒的粗化现象。同时，脉冲电流引发的电磁搅拌效应显著提升了熔池中溶质的扩散系数，并结合超声振动作用，有效破碎了初生枝晶，促进了细小等轴晶的形成。
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应用潜力
UHFP可直接集成至现有的TW-DED-arc设备，通过调节频率和峰值电流，实现对不同成分TiAl合金组织与性能的精确调控。这为航空航天领域复杂构件的近净成形提供了一种“高效沉积与组织优化”相结合的协同解决方案，既满足了高沉积速率（2.8 kg/h）的要求，又能够确保高性能标准的实现。
五、结论
本研究通过在TW-DED-arc工艺中引入UHFP，利用其诱导的超声波效应调控 TiAl-4822合金的凝固过程与热循环，从而实现了微观组织的优化与力学性能的提升。UHFP电流与TW-DED-arc工艺的结合为高性能γ-TiAl合金的增材制造提供了一种高效、可控的组织性能调控策略，在航空航天复杂构件制造中具有重要应用潜力。
长三角G60激光联盟陈长军转载
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来自：增材工业
来源：江苏激光联盟
