TiAl成分-工藝-組織-性能研究進(jìn)展

TiAl成分-工藝-組織-性能研究進(jìn)展報(bào)告主要內(nèi)容一、研究背景與意義典型發(fā)動(dòng)機(jī)定型年份單位推力（daN.S/Kg）推重比渦輪前端溫度（℃）平均級(jí)壓比實(shí)例機(jī)型1960—1976＜100＜7＜1250米格—21、F—4B1977—1997100—1107—91350—15001.32蘇—27、F—161993—2010110—1259—111550—17501.44蘇—37、F—22、F—352010—今125—13515—201800—21001.85性能Ti基合金Ti3Al基合金γ-TiAl高溫合金結(jié)構(gòu)hcp/bccD019L10Fcc/L12密度/g.cm-34.54.1—4.73.7—4.27.9—9.5彈性模量/GPa95—115110—145160—180206屈服強(qiáng)度/MPa380—1150700—990350—600800—1200斷裂強(qiáng)度/MPa480—1200800—1140440—7001250—1450室溫塑性/%10—252—101—43—25高溫塑性/%12—5010—20/66010—600/87020—80/870室溫?cái)嗔秧g性/Mpa.m1/212—8013—3012—3530—100蠕變極限/℃600750750(DP)—950(FL)800—1090抗氧化極限/℃600650800(DP)—950(FL)870—1090Ti合金、TiAl合金及高溫合金的性能對(duì)比合金成分（原子）制備工藝研究者第一代Ti-48Al-1V-0.3C實(shí)驗(yàn)室研究M.Blackman第二代Ti-47Al-2(Cr,Mn）-2NbTi-（45-47）Al-2Nb-2Mn-0.8%TiB2Ti-47Al-3.5(Nb,Cr,Mn)-0.8(Si,B)Ti-47Al-2W-0.5SiTi-46.2Al-2Cr-3Nb-0.2W(K5)鑄造合金鑄造XD鑄造合金鑄造合金鍛造合金GE公司Howmet公司GKSS公司ABB公司Y.W.Kim第三代Ti-47Al-5(Cr,Nb,Ta)Ti-(45-47)Al-(1-2)Cr-(1-5)Nb-(0-2)(W,Ta,Hf,Mo,Zr)-(0-0.2)B-(0.03-0.3)C-(0.03-0.2)Si-(0.1-0.25)O鑄造合金鍛造合金GE公司Y.W.KimTiAl合金的發(fā)展過程已進(jìn)入應(yīng)用狀態(tài)的鑄造γ-TiAl合金的成分和性能合金%（原子）760℃140MPa下變形0.5%的時(shí)間/hTi-47Al-2Cr-2Nb（GE公司）100Ti-47Al-2W-0.5Si（ABB公司）650Ti-47Al-2Nb-1Mn-0.5Mo-0.5W-0.2SI(USNavy、GE公司）305Ti-47Al-2Nb-2Mn-0.8%（體積）B（Howmet公司）63.5Ti-45Al-2Nb-2Mn-0.8%（體積）B（Howmet公司）16.5Ti-48Al-2Cr-2Nb(GE公司）Ti-47Al-3.7(Nb,Cr,Mn,Si)-0.5B(R-R&GKSS)目前已應(yīng)用的TiAl構(gòu)件（Howmet）Ti-47Al-2Cr-2Nb(GE

公司)目前已應(yīng)用的TiAl構(gòu)件GE公司在GE90發(fā)動(dòng)機(jī)中用鈦鋁合金葉片代替鎳基合金，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重約200千克目前已應(yīng)用的TiAl構(gòu)件優(yōu)化成分調(diào)整工藝控制組織提高性能二、TiAl合金的成分Al含量對(duì)初生相的影響初生相還受凝固條件，和合金元素等的影響TiAl合金三種凝固組織Al含量對(duì)力學(xué)性能的影響Al含量對(duì)力學(xué)性能的影響TiAl合金中主要合金化元素TiAl合金中合金化元素的作用TiAl合金中合金化元素的作用TiAl合金中合金化元素的作用合金化元素對(duì)Ti-Al相圖的影響TiAl合金中合金化元素的作用Al當(dāng)量：為了衡量各合金化元素對(duì)凝固過程影響程度的大小。β相穩(wěn)定元素其值為正；α相穩(wěn)定元素則為負(fù)不同合金元素的Al當(dāng)量α相穩(wěn)定元素β相穩(wěn)定元素合金元素CSiCrVNbTaMoReWAl當(dāng)量-4.2-2.8+0.1+0.3+0.3+0.3+0.6+0.8+1.0合金化改善TiAl合金室溫脆性的基本機(jī)制合金化提高TiAl合金強(qiáng)度的基本機(jī)制Nb元素的添加對(duì)TiAl合金的影響Nb元素的添加對(duì)TiAl合金的影響高Nb鈦鋁合金與其他鈦鋁合金的性能比較成分aTi-47Al-1Cr-0.9V-2.6Nb-BFLbTi-48Al-2Cr-2Nb-TMPLcTi-48Al-2Cr-2Nb-FLdTi-46.5Al-2Cr-3Nb-0.2W-TMPLeTi-46.5Al-2Cr-3Nb-0.2W-RFLfTi-46Al-8.5Nb-0.2W-FLgTi-45Al-10Nb-FLNb元素的強(qiáng)化機(jī)制Nb元素對(duì)TiAl其他性能的影響稀土元素對(duì)TiAl合金的作用稀土元素對(duì)TiAl合金的作用稀土Y元素對(duì)TiAl合金的作用Y對(duì)Ti-47Al-2Nb合金枝晶間距的影響Y對(duì)Ti-47Al-2Nb合金壓縮性能的影響稀土Y元素對(duì)TiAl抗氧化性的研究Y含量在0.3%會(huì)有最強(qiáng)的抗氧化性稀土元素對(duì)TiAl合金的作用稀土元素Er和Gd對(duì)TiAl組織的影響合金元素作用Cr1%—3%的添加量將提高雙態(tài)合金的塑性；＞2%可改善熱加工能力及超塑性；＞8%極大的改善抗氧化能力Mn1%—3%可提高雙態(tài)合金的塑性V1%—3%可提高雙態(tài)合金的塑性：降低抗氧化性W明顯改善合金的抗氧化性及抗蠕變性Mo可提高細(xì)晶合金的塑性和強(qiáng)度，改善合金抗氧化性Ta改善合金的抗氧化及抗蠕變性能，但增加合金的熱裂敏感性Si0.5%—1%改善抗蠕變能力及抗氧化；可提高澆注流動(dòng)性并降低熱裂敏感性Fe提高澆注流動(dòng)性及熱裂敏感性B＞0.5%可細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度及熱加工性；B合金化極大改善鑄造性能C明顯改善抗蠕變性能，但對(duì)塑性不利Ni增加流動(dòng)性P降低氧化速率其他合金化元素對(duì)TiAl合金的作用三、TiAl基合金的組織與性能Ti-Al二元相圖TiAl基合金中的基本相單相TiAl合金與雙相TiAl合金雙相TiAl的顯微組織組織類型特征說明等軸近γ組織(NG)等軸γ晶粒+細(xì)小α2相非均勻分布等軸晶粒雙態(tài)組織(DP)γ/α2片層團(tuán)+等軸γ晶粒晶粒尺寸一般較?。?0～40μm）近片層組織(NL)γ/α2片層團(tuán)+少量分布片層團(tuán)間的等軸γ晶粒片成團(tuán)較大（200～500μm）；γ晶粒一般小于20μm全片層組織(FL)γ/α2片層團(tuán)鑄態(tài)晶粒尺寸多在600～1000μm；變形組織一般在50～300μm雙相γ-TiAl的顯微組織成分%（原子）組織狀態(tài)拉伸性能σ0.2/MPaσb/MPaδ/%Ti-46.5Al-2.5V-1.0CrFL3994281.624.6NL4204601.423.0DP4505354.811.0NG3694271.510.8Ti-48Al-2Cr-2NbFL4540.520—30DP4803111—15Ti-46Al-2Cr-3Nb-0.2WFL4734731.220—22DP4624622.811典型TiAl合金組織與性能之間的相互關(guān)系典型TiAl合金組織與性能之間的相互關(guān)系Ti-46.3Al-2.5V-1.0Cr變形合金的組織與性能關(guān)系組織狀態(tài)體積分?jǐn)?shù)/%晶粒尺寸/μmσs/MPaσb/MPaδ/%nLγLγ鑄造態(tài)80204014932.20.085NL7723203514204601.40.048FL10002604074361.90.031DP534753404505354.80.054典型γ-TiAl合金組織與性能之間的相互關(guān)系屈服強(qiáng)度和晶粒尺寸之間滿足Hall-Petch公式屈服強(qiáng)度和片層間距之間滿足Hall-Petch公式典型TiAl合金組織與抗蠕變性能之間的相互關(guān)系具有以下組織特征的TiAl合金的綜合性能較好四、TiAl基合金的成形方法及特點(diǎn)合金鑄錠熱等靜壓均勻化合金鑄錠單質(zhì)粉末合金鑄造熱加工鍛造/擠壓熱等靜壓/熱壓固化坯料近成形軋制（包復(fù)、等溫）成形帶材鑄造近成形熱等靜壓熱處理、機(jī)加工、焊接、涂層變形變形粉末冶金鑄造各種熔煉TiAl合金方法的比較熔煉方法成分調(diào)節(jié)（難易程度）純度（氧含量）成分均勻性每爐熔煉量自耗電弧爐（CAR）難—一般500kg非自耗電弧爐（NAR）容易—一般較小電子束爐（EBM）難大于100wt.ppm一般300kg等離子電弧爐（PAM)難大于300wt.ppm一般5～8kg感應(yīng)凝殼熔煉（ISM）容易小于500wt.ppm好100kg鑄錠冶金技術(shù)TiAl合金熔煉TiAl合金鑄錠熱等靜壓碾磨等溫鍛造平整TiAl合金成型產(chǎn)品鑄錠冶金法工藝流程噴射成型技術(shù)TiAl合金熔化金屬液滴惰性氣體霧化細(xì)小液滴沉積具有不同形狀的TiAl合金噴射成型工藝流程激光氣體合金化技術(shù)氮?dú)釺iAl合金激光表面熔化化學(xué)/冶金反應(yīng)鈦鋁合金改性層快速凝固激光氣體合金化技術(shù)工藝流程粉末注射成型燒結(jié)技術(shù)石蠟基粘結(jié)劑TiAl合金粉末注射混料燒結(jié)脫脂TiAl合金燒結(jié)體粉末注射成型燒結(jié)工藝流程快速冷凝技術(shù)保護(hù)氣體TiAl合金熔體霧化合金微細(xì)液滴細(xì)微合金粉末冷卻快速冷凝技術(shù)工藝流程熱機(jī)械處理技術(shù)純鈦純鋁自耗電爐熔煉兩次TiAl合金熱處理等溫鍛熱變形鑄態(tài)TiAl合金熱機(jī)械處理技術(shù)工藝流程復(fù)合材料技術(shù)TiAl合金粉末真空等離子熔化沉積到纖維表面