TiAl金屬間化合物的合金設(shè)計(jì)及研究現(xiàn)狀

1、TiAl金屬間化合物的合金設(shè)計(jì)及研究現(xiàn)狀摘要：介紹了TiAl合金的研究背景與應(yīng)用前景；論述了該類臺金的成分設(shè)計(jì)與組織設(shè)計(jì)，指出和金元素的加入對其性能的影響；分析了該類合金的幾種常用成形方法，并指出了各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。關(guān)鍵詞：TiAl合金 合金設(shè)計(jì) 相圖計(jì)算 成形技術(shù)1、前言高溫結(jié)構(gòu)材料的研究、發(fā)展和應(yīng)用是和航空、航天工業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)的，也是21世紀(jì)航空航天推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)革命性變革和發(fā)展的關(guān)鍵因素。對于航空發(fā)動機(jī)而言，發(fā)動機(jī)的溫度和空氣壓縮比與燃料消耗速率和發(fā)動機(jī)的推力直接相關(guān)，提高工作溫度和減輕發(fā)動機(jī)部件的質(zhì)量足改善現(xiàn)有發(fā)動機(jī)的性能、研究高推重比新型發(fā)動機(jī)的兩項(xiàng)主要措施。TiAl合金有金屬鍵和

2、共價(jià)鍵共存，使之兼有金屬與陶瓷的性能，如高熔點(diǎn)、低密度、高彈性模量、好的高溫強(qiáng)度（700900 ）、好的阻燃能力、好的抗氧化性等優(yōu)點(diǎn)，是一種很具應(yīng)用前景的新型輕質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)材料。這主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：第一，TiAl合金具有高彈性模量，比目前應(yīng)用的結(jié)構(gòu)材料高約50%，用TiAl合金制成的高溫結(jié)構(gòu)件能夠承受更高頻率的振動；第二， 合金在600800具有良好的抗蠕變能力，有潛力替代密度大的Ni基超合金作為一些部件的材料；第三，TiAl合金具有很好的阻燃性能，與Ni基超合金相當(dāng)，可以替代價(jià)格昂貴的阻燃性Ti基合金部件。TiAl合金主要應(yīng)用于航空航天及汽車領(lǐng)域，如發(fā)動機(jī)用高壓壓縮機(jī)葉片、低壓渦輪、過渡導(dǎo)

3、管梁、排氣閥、噴嘴等1,2。適宜的合金成分和組織結(jié)構(gòu)是獲得好性能的前提，合理的成形技術(shù)是獲得較好性能產(chǎn)品的必要手段。近年來，通過成分優(yōu)化、組織控制以及改善加工工藝等方法，使TiAl合金的室溫塑性、強(qiáng)度、斷裂韌性、蠕變性能以及抗氧化性能等都得到普遍提高3,4。本文綜述了TiAl合金成分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、相圖方法設(shè)計(jì)和成形技術(shù)，并提出其應(yīng)用的研究現(xiàn)狀。2、TiAl合金成分設(shè)計(jì)工程應(yīng)用的TiAl合金主要由大量的-TiAl（L10型結(jié)構(gòu)）和少量的2-TiAl（DO19型結(jié)構(gòu)）組成。兩相的晶體結(jié)構(gòu)如圖1所示。-TiAl晶胞的軸比為c/a=1.02，發(fā)生了輕微的畸變，在001晶向上分別由純Ti原子平面和純Al原子

4、平面交替組成。圖1 -TiAl和2-TiAl的晶體結(jié)構(gòu)TiAl基合金的組織和性能極大地依賴第三合金元素。添加合金元素會影響合金中的-TiAl和2-TiAl的晶格常數(shù)及穩(wěn)定性，影響合金的電子密度及鍵絡(luò)，影響相體積分?jǐn)?shù)及形貌、晶粒尺寸、層片間距及合金變形機(jī)制，因此可以通過合金化及微合金化手段改善合金。研究合金元素對晶格參數(shù)、顯微組織的影響對理解合金的性能有很大的幫助。人們向Ti-Al合金中添加的元素大致可分為4類57：1）CrV和Mn等可改善延性，但卻使抗氧化性降低；2）Nb，Ta，W和Mo等可提高延性和抗氧化性；3）Cr，V，Mn，Nb，Mo，Ta，Hf，Sn，W，Ca，Sb，La，B，C和N等

5、可提高強(qiáng)度；4）Sl，C，B，N，PSe，F(xiàn)e，Nj，Ca，Sb，Mo和Fe等可改善延性。2.1 合金元素對晶體結(jié)構(gòu)的影響合金元素對性能的影響與添加元素在TiAl合金中的原子占位及對晶格參數(shù)的影響有關(guān)。添加的合金元素一般會占據(jù)-TiAl點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的Ti位或Al位，根據(jù)Ti-Al-X三元相圖中單相區(qū)的走向，可以判斷有3類合金元素（表1）811。表1 -TiAl中合金元素的原子占位情況811由于原子特征參數(shù)不同，添加合金元素會在一定程度上引起相的晶格畸變，對-TiAl點(diǎn)陣常數(shù)產(chǎn)生影響。另外，晶格參數(shù)還受到材料的純度，制備工藝，熱處理狀態(tài)等因素的影響，因此不同的研究者測定的結(jié)果不總是一致。一般來說，-

6、TiAl晶胞的軸比c/a=1.011.03 ，隨著Al含量的升高，a降低，c升高， c/a升高，認(rèn)為其原因與形成換位缺陷有關(guān)。降低c/a和單胞體積能夠提高合金的塑性。c/a值減小能增強(qiáng)晶體的各向同性，降低普通位錯(cuò)1/2<110與超位錯(cuò)<101之間的可動性差異，有利于塑性改善。單胞體積降低能增強(qiáng)Ti-Al原子間的相互作用，可有效地減弱共價(jià)鍵性，達(dá)到改善塑性的目的。表2總結(jié)了合金元素對TiAl合金相晶格參數(shù)的影響。研究12表明，V，Cr和Mn元素的添加會導(dǎo)致合金電子濃度的提高，使成鍵電子云的球形化程度增大，增強(qiáng)了金屬鍵，從而達(dá)到了改善合金塑性的作用。Nb加入后對Ti-Nb鍵影響很大，其

7、共價(jià)電子對數(shù)比原Ti-Ti鍵的高，但是降低了 Al-Al及Ti-Al鍵的共價(jià)鍵性。因此，Nb的加入提高了晶胞中鍵的強(qiáng)度，因而可以提高TiAl合金的強(qiáng)度，但不能提高或降低塑性。表2 合金元素對TiAl合金中相點(diǎn)陣常數(shù)的影響2.2 合金元素對組織及性能的影響Al含量的變化影響著TiAl合金的凝固方式和顯微組織，因而對性能影響較大。工程用TiAl合金的鋁含量一般控制在42%48%之間，通過合理控制Al含量引入適量的2相（體積百分含量在5%20%之間），可以使TiAl合金獲得較好的綜合性能。隨著Al含量的降低，Al元素偏析程度降低，晶粒尺寸和層片間距 降低， 2相體積分?jǐn)?shù)增加。Mo，Ta和W能穩(wěn)定Ti

8、Al合金中的相，而Al元素是穩(wěn)定相元素，因此，合理控制Al含量和合金元素添加對于優(yōu)化TiAl合金的相組成和顯微組織很重要Cr，Mo，W和Nb等元素能擴(kuò)大區(qū)到高鋁區(qū)，縮小相區(qū)，出現(xiàn)三相共存區(qū)或者雙相區(qū)。雙相組織有很好的塑性，這對于TiAl合金的高溫變形加工很有意義。為增加-TiAl高溫性能，目前的合金開發(fā)主要集中在高Nb合金上1315。高Nb合金能降低層錯(cuò)能和有利于機(jī)械孿晶，導(dǎo)致相對高的斷裂應(yīng)變。另外，高Nb 含量可減少擴(kuò)散過程，降低攀移位錯(cuò)速率，有利于蠕變穩(wěn)定和熱穩(wěn)定，減慢相變和再結(jié)晶的動力。Nb能大大提高TiAl合金的抗氧化能力，這是因?yàn)镹b促進(jìn)在底層上形成一個(gè)富Al層，阻礙外界氧的侵入。細(xì)

9、晶組織一般具有較好的性能，添加B，C，N和Y等元素可以形成穩(wěn)定的沉淀相，從而細(xì)化TiAl合金組織及改善性能。圖2表示了C，N和Y對TiAl合金晶粒尺寸的影響。TiC和TiN在高溫下穩(wěn)定存在，在合金凝固過程中領(lǐng)先析出作為異質(zhì)形核位置細(xì)化晶粒，在隨后的冷卻過程中轉(zhuǎn)變成Ti2AlC和Ti2AlN。稀土元素（Y，Ce等）對TiAl合金晶粒尺寸和層間距也有較強(qiáng)的細(xì)化作用。添加1.0%B能細(xì)化TiAl合金晶粒到60um左右。圖2 元素含量對TiAl合金晶粒尺寸的影響3、相圖計(jì)算在TiAl合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用采用傳統(tǒng)的試驗(yàn)法來選定和設(shè)計(jì)TiAl合金成分和熱處理工藝時(shí)，由于缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，會使得工作量非常大。單

10、憑實(shí)驗(yàn)來構(gòu)筑多元體系平衡及亞穩(wěn)相圖時(shí)間冗長、耗資巨大，而且提供的信息也非常有限。因此，利用相圖熱力學(xué)計(jì)算的方法建立TiAl體系的相平衡圖，預(yù)測其在熱處理過程中的相轉(zhuǎn)變和微觀結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)其具體的熱處理制度設(shè)計(jì)，達(dá)到通過理論與計(jì)算來預(yù)測新材料的組分、結(jié)構(gòu)與性能來設(shè)計(jì)性能的新的TiAl合金的目的。由圖3所示的Ti-Al二元體系相圖可知，隨著成分、溫度的改變，有序相可以分別與無序固溶體或其有序相2共存，且在適當(dāng)?shù)某煞趾蜏囟葪l件下，單相可經(jīng)®2+共晶反應(yīng)形成2 /全片層組織。這一重要相轉(zhuǎn)變是-TiAl基金屬間化合物成為極具工業(yè)應(yīng)用潛力的結(jié)構(gòu)材料和新材料研發(fā)的重要理論依據(jù)。圖3 Ti-Al體系相圖

11、4、TiAl合金成行方法TiAl基合金可用常規(guī)方法成形，這些方法包括鑄造、鑄錠冶金(IM)、粉末冶金(P/M)和超塑成形等。重要的合金化/熔煉工藝包括感應(yīng)渣殼熔煉、真空電弧熔煉及等離子熔煉。4.1 精密鑄造精密鑄造技術(shù)是最早運(yùn)用于T-Al基合金的成形技術(shù)1。它主要包括熔模鑄造和金屬模鑄造。前者主要用于制備形狀復(fù)雜的TiAl基臺金部件，而后者則用于制備形狀比較規(guī)則、產(chǎn)量大的部件。澆鑄時(shí)通常采用壓力鑄造和反重力離心澆鑄等方法。熔模鑄造方法的優(yōu)點(diǎn)是費(fèi)用低、易成形；缺點(diǎn)是在鑄造TiAl基合金部件中存在較嚴(yán)重的鑄造缺陷，因而力學(xué)性能尤其是窒溫延性很低，且冷卻時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力也容易造成部件開裂。金屬模鑄造的優(yōu)

12、點(diǎn)是成本更低，適合批量生產(chǎn)，鑄件的晶粒比熔模鑄造部件的細(xì)小，因而延性更高。此外，模具與合金熔體之間的反應(yīng)很少，模具的磨損也不太厲害。但是，金屬模鑄造不能生產(chǎn)出低縮孔率的鑄件。4.2 粉末冶金(P/M)鑄造工藝中固有的成分偏析和晶粒大小不均勻現(xiàn)象難以消除，這是造成TiAl合金鑄件室溫延性低的主要原因之一。粉末冶金可以使這些問題得到根本性的改善，因而成為TiAl合金成形技術(shù)的另一個(gè)重要研究領(lǐng)域。P/M工藝包括熱加工方法和近型成形固化方法。熱加工的P例顯微組織比鑄錠冶金的顯微組織均勻細(xì)小。然而，因?yàn)榻M織細(xì)小，P/M合金缺乏抗破損能力(韌性及裂紋長大阻力)和高溫性能(蠕變抗力)。此外，粉末加工制品的間

13、隙元素成分難于控制，限制了該方法的應(yīng)用。但是，近幾年來在純凈粉末制備方法及固結(jié)方法方面的進(jìn)展，似乎可以提高P/M，TiAl基合金在某些領(lǐng)域應(yīng)用的可能性，而用其它方法則行不通。反應(yīng)燒結(jié)方法采用元素粉固結(jié)及隨后的熱加工(例如低溫?cái)D壓)，軋制成板材或鍛造成近型成形部件。最終產(chǎn)品通過HIP完成中間化轉(zhuǎn)化并除去剩余孔隙。反應(yīng)燒結(jié)工藝可分為元素粉末鈦和鋁的常規(guī)真空燒結(jié)、熱壓與真空燒結(jié)或HIP相結(jié)合的工藝。其他的在研究中的粉末冶金方法還包括機(jī)械合金化、粉末鍛造、噴射沉積、振動反應(yīng)合成、物理氣相沉積、粉末軋制、爆炸成形及自蔓延高溫合成等1621。4.3 超塑性成形超塑性是指金屬材料在特殊變形條件下顯示很大的伸

14、長率而不產(chǎn)生頸縮的現(xiàn)象。超塑性主要分為兩類：一類是具有細(xì)小等軸晶粒的材料在較高變形溫度和較低應(yīng)變速率下表現(xiàn)出的超塑性，稱為微晶超塑性(或結(jié)構(gòu)超塑性)；另一類是在變形過程中由反復(fù)的循環(huán)相變或同素異形轉(zhuǎn)變誘發(fā)的超塑性，稱為相變超塑性(或動態(tài)超塑性)。超塑性成形是利用材料在一定溫度和應(yīng)變速率范圍內(nèi)喪現(xiàn)出的超塑性進(jìn)行材料成形的一種新技術(shù)一它具有大變形、無頸縮、小應(yīng)力、易成形等特點(diǎn)：對于難變形的金屬間化合物，超塑成形無疑是一種有效的成形方法。TiAl基合金屬于難熱加工變形材料，其鑄態(tài)組織表現(xiàn)出低的熱塑性變形能力。但是當(dāng)其顯微組織中晶粒細(xì)小，或在具有較細(xì)晶粒的晶界上存在少量口相時(shí)，它表現(xiàn)出超塑性。因此，利

15、用TiAl基合金在一定條件下表現(xiàn)出的超塑性，可以對其進(jìn)行超塑成形。盡管在TiAl基合金中也發(fā)現(xiàn)了動態(tài)超塑性22，但它通常表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)超塑性。因此，使TiAl基合金獲得超塑性的關(guān)鍵是，使其具有超細(xì)晶粒并選擇合適的成形溫度和變形速率。5、結(jié)束語TiAl合金作為新一代極有前景的輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料，已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注，其具有良好的高溫強(qiáng)度和抗氧化能力等高溫性能，較其他合金有更廣闊的應(yīng)用前景，含（Nb）的TiAl合金被認(rèn)為具有良好的綜合性能。通過成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以對TiAl合金的性能進(jìn)行預(yù)測。如何更好地定義最優(yōu)的顯微組織、如何達(dá)成延性、蠕變性能及其它性能的平衡等成為當(dāng)今研究TiAl合金材料的重點(diǎn)。參考文

16、獻(xiàn)：1 TOSHIMITSU TETSUI. Development of a TiAl turbocharger for passenger vehiclesJ. Materials and Enginering，2002，A329-331：582-588.2 CLEMENTS H，APPEL F，BARTELS A，et al. Processing and application of engineering -TiAl based alloys A. Proceeding of the 10th World Conference on TitaniumC, Hamburg, IV, 2

17、003. 2123-2136.3 LIU C T;SCHEIBEL J H;MAZIASZ P J，et al. Tensile properties and fracture toughness of TiAl alloys with controlled microstructuresJ. Intermetallics, 1996(4): 429-440.4 黃朝暉，王淑云，李園春. Ti-47Al-2Cr-1Nb合金的晶粒細(xì)化工藝及顯微組織變化特征J. 航空材料學(xué)報(bào)，2000，20（3）：38-43.5 He Y H;Liu Y X;Huang B Y , et al. Effect o

18、f Pb addition on TiAl based alloys. Trans Nonferrous Met Soc China, 1994，4（1）：75-79.6 Huang S C;Hall E L The effects of Cr addition to binary TiAl base alloys. Metall Trans A, 1991，22A：2619.7 Ohno R;Takahashi T Effect of mechanical stirring of melt on rates of removal of bismuth and lead in vacuum m

19、elting of copper alloys. JIM, 1992, 33: 927.8 HAO Y L;YANG R;CUI Y Y The effect of Ti/Al ratio on the site occupancies of alloying elements in -TiAl J. Intermetallics, 2000(8): 633-636.9 KNIPPSCHEER K;FROMMEREY G Effects of ternary alloying elements on constitution and mechanical properties of TiAl

20、base alloys A. Proceeding of the 10th World Conferecen on TitaniumC. Humburg, IV, 2003. 2331-2338.10 WOLF W, PODLOUCKY R, ROGL P, et al. Atomic modelling of Nb,V,Cr and Mn substitutions in -TiAl.2:Electronic structure and site preferenceJ. Intermetallics, 1996,4(3): 201-209.11 孔凡濤;陳玉勇 TiAl-X 三元金屬間化合

21、物的價(jià)電子結(jié)構(gòu)分析J. 稀有金屬材料與工程 2003, 32(11):898-901.12 DENG WEN;HUANG Y Y, WU D H Effects of Cr and Sn on defects and electron densities in TiAl alloysJ. Matrials Letters, 2002, 56:593-596.13 TOSHIMISTU TETSUI, SATORU KOBAYASHI, MASAO TAKEYAMA, et al. Strengthening a high-strength TiAl alloy by hot-forgingJ.

22、 Intermetallics, 2003, 11:299-306.14 CHEN G L, ZHANG L C. Deformation mechanism at large strains in a high-Nb-containing TiAL at room temperatureJ. Materials Science and Engineering, 2002, A329-331: 163-170.15 APPEL F, OEHRING M, PAUL J D H, et al. Physical aspects of hot-working gamma-based titaniu

23、m aluminidesJ. Intermetallics, 2004, 12:791-802.16 Choi B W, Deng Y G, McCullough C, et al. Densification of rapidly solidified titanium aluminide powders. Comparison of experiments to hiping models. Acta Metall Matcr, 1990, 38(11): 2225.17 Yu L H;Mayers M A;Thadhani N N. Reaction-assisted shock consolidation of RSR Ti-A1 alloysJ Matcr Res, 1990, 5(2): 302.