i-al系金屬間化合物在高溫合金中的應(yīng)用

i-al系金屬間化合物在高溫合金中的應(yīng)用

1ti-al系金屬間化合物隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，動力系統(tǒng)對材料的性能要求越來越高。目前，廣泛使用的高溫銅基合金不能滿足性能要求。為了增加航空航天飛行器的助力的同時也節(jié)省燃料,提高發(fā)動機的工作溫度和減輕機器自身的重量很有必要,材料的選擇成了重中之重。Ti-Al系金屬間化合物在一定溫度范圍內(nèi),強度隨溫度升高而增強,使其在高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面具有極大的潛在優(yōu)勢。Ti-Al系金屬間化合物有著一系列優(yōu)異的性能,如熔點高、密度低、比剛度高、比強度高以及高的抗高溫蠕變性等,使其成為新一代高溫結(jié)構(gòu)材料,早在上個世紀(jì)就得到廣泛關(guān)注。然而,Ti-Al系金屬間化合物存在室溫脆性和變形、加工困難等缺點,限制了其實際應(yīng)用。優(yōu)良的制備技術(shù)是解決Ti-Al系金屬間化合物存在問題的前提,為使Ti-Al系金屬間化合物不但在航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,更廣泛應(yīng)用于民用工業(yè),制備技術(shù)的發(fā)展和改進是推動其應(yīng)用和發(fā)展的關(guān)鍵。2tial3合金的研究歷史Ti-Al系金屬間化合物與鎳基合金相比,重量較輕、且有更高的抗高溫蠕變性能;與其他鈦合金相比有著更好的綜合性能,是航空航天、汽車領(lǐng)域以及渦輪發(fā)動機的首選材料。TiAl系金屬間化合物主要有Ti3Al(α2)、TiAl(γ)和TiAl3(δ)三類。表1為Ti-Al系金屬間化合物與鈦合金和鎳基合金性能參數(shù)。圖1為Ti-Al系金屬間化合物的二元相圖,可以看出,Ti-Al系金屬間化合物有著優(yōu)良的高溫性能。Ti3Al合金的成分范圍為22%~39%Al,在1180℃時為α2相,為密排六方結(jié)構(gòu);在高溫下則為體心立方結(jié)構(gòu)的β相。在高溫下,由于Ti3Al中有α2+β兩相,這使其強度提高以及具有更好的抗氧化性。但是常溫下的Ti3Al只有α2相,密排六方結(jié)構(gòu)的α2相使其表現(xiàn)出很大的脆性。TiAl合金在48.5%~66%Al范圍內(nèi)都是穩(wěn)定的。γ相為面心四方結(jié)構(gòu),密度低,抗氧化性好,高溫強度高。TiAl3合金是含Al最多的Ti-Al系金屬間化合物,密度最低,為3.36g/cm3,比強度最高、高溫抗氧化性能也最好,但體積模量與切變模量的比值較小,故有更為強烈的脆性傾向。目前,Ti-Al系金屬間化合物中最受關(guān)注的是TiAl合金和Ti3Al合金,TiAl3合金由于室溫極脆,而且并無行之有效的改善辦法,所以關(guān)注比較少,目前只是在美國、日本、中國等少數(shù)國家進行基礎(chǔ)性研究。對于TiAl合金和Ti3Al合金的研究,早在1956年,美國Mcandrew就報導(dǎo),TiAl合金在950℃時具有良好的抗蠕變能力。由于TiAl合金極大的室溫脆性,在當(dāng)時并未得到人們的重視。直到70年代初期,美國Wright-Patterson空軍基地航空航天材料研究室和PrattandWhitney公司幾乎同時立項研究TiAl合金的各種力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)和制備工藝。1981年,Wrightpatterson空軍基地航空航天材料研究室的技術(shù)人員通過添加少量的釩,使TiAl合金的室溫延伸率提高到1.5%。20世紀(jì)70年代初期到80年代末期,美國空軍實驗室研發(fā)了Ti-24Al-11Nb和Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo。在1984年,美國國家材料咨詢局(NMAB)向美國政府遞交了一篇長達109頁的報告,詳細(xì)闡述了Ti-Al系金屬間化合物的性質(zhì)、研究現(xiàn)狀和未來的應(yīng)用,特別是在國防工業(yè)的應(yīng)用潛力。報告公開后立即得到世界各國的關(guān)注,日本鈦學(xué)會設(shè)立專門部門研究和開發(fā)TiAl合金。我國對于Ti-Al系金屬間化合物的研究起步比較晚,于1988年將TiAl有序合金列入國家863高新技術(shù)新材料發(fā)展計劃。十幾年前是仿制,之后就是既創(chuàng)新又仿制,直到最近幾年,主要以創(chuàng)新為主。北京航空材料研究院在20世紀(jì)90年代初研制了Ti-24.5Al-10Nb-3V-1Mo。在高溫TiAl合金方面,北京科技大學(xué)發(fā)展了Ti45Al-10Nb和Ti-48Al-18Nb兩個合金,其強度遠高于普通Ti-Al系金屬間化合物。3ti-al是金屬之間的化合物的制備工藝主要介紹Ti-Al系金屬間化合物的四種制備方法:鑄造技術(shù)、快速冷凝法、粉末冶金以及鋁熱還原法。3.1生成齒輪發(fā)動機葉片鑄造是將液體金屬澆鑄到與零件形狀相適應(yīng)的鑄造空腔中,待其冷卻凝固后,以獲得零件或毛坯的方法。鑄造技術(shù)制備Ti-Al系金屬間化合物成本低,容易近凈成形,但是晶粒粗大,有明顯的鑄造織構(gòu),需要有后續(xù)的熱處理和熱加工工藝來改善其性能。鑄造工藝分為四種,即熔模鑄造、重力金屬型模鑄造、離心鑄造和低壓反重力鑄造。其中熔模鑄造是使用最為廣泛的一種工藝。美國Timet公司采用熔鑄法已能生產(chǎn)重達4500kg的Ti3Al化合物鑄錠,鑄錠加工成棒坯后,便可采用與常規(guī)的α+β鈦合金相同的方法進行加工。美國通用電氣公司用熔模精鑄法制造出Ti48Al2Cr2Nb合金低壓渦輪葉片,應(yīng)用于波音787飛機。熔模鑄件尺寸精度較高,可鑄造復(fù)雜的高溫合金鑄件,尤其是在制備渦輪發(fā)動機葉片時,不僅可以做到批量生產(chǎn),保證了鑄件的一致性,而且避免了機械加工后產(chǎn)生的應(yīng)力集中。但熔模鑄造工藝過程較復(fù)雜,且不易控制,使用和消耗的材料較貴。3.2噴射成形法快速冷凝法是指合金熔體以105~106K/s的速度快速冷卻,其非均質(zhì)形核被抑制,合金在很大的過冷度下發(fā)生高生長速率的凝固。Ti-Al系金屬間化合物鑄造性能和熱加工性能比較差,鑄造材料脆性大,因此成型性能不佳。傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)易帶來雜質(zhì),且工藝較為復(fù)雜。而快速凝固制備Ti-Al系金屬間化合物有以下優(yōu)點:1)細(xì)化β晶粒;2)改善合金組織;3)擴大溶質(zhì)在鈦中的固溶度?？焖倮淠夹g(shù)與粉末冶金技術(shù)相結(jié)合,可得到微細(xì)的合金組織、較大范圍調(diào)整合金的成分和組織結(jié)構(gòu),實現(xiàn)近終成型。噴射成形是用高壓惰性氣體將合金液流霧化成細(xì)小熔滴,在高速氣流下飛行并冷卻,在尚未完全凝固前沉積成坯件的一種工藝。包括熔化、霧化和沉積三個工藝過程。其原理如圖2所示,先將熔融的金屬液體用氬氣霧化為細(xì)小液滴,凝固為粉前直接噴射沉積成預(yù)形坯,其相對密度可達96%以上,經(jīng)后續(xù)熱加工(鍛、軋、擠或熱等靜壓)成全致密產(chǎn)品。EnriqueJ.Lavernia用噴射成形法制備了細(xì)小的層片組織的Ti-47%Al合金。由于快速凝固的作用,所獲金屬材料成分均勻、組織細(xì)化、無宏觀偏析,且含氧量低。與傳統(tǒng)的鑄一鍛工藝和粉末冶金工藝相比較,它流程短、工序簡化、沉積效率高。它幾乎具有粉末冶金制品的優(yōu)點,但可省去制粉、篩分、壓制和燒結(jié)等工序,降低了生產(chǎn)成本。但是快速冷凝過程中會產(chǎn)生ω相,ω相為一種脆硬相,對合金的力學(xué)性能有很大影響。3.3ti-al系金屬間化合物的制備粉末冶金法制備Ti-Al系金屬間化合物是采用常規(guī)塑性加工方法將元素粉末或預(yù)合金粉末固結(jié)成形,再通過燒結(jié)實現(xiàn)致密化的過程。用粉末冶金法制備的Ti-Al系金屬間化合物組織均勻細(xì)小、近凈成型,可避免Ti-Al系金屬間化合物的后續(xù)加工過程中產(chǎn)生的加工應(yīng)力等不利影響。粉末冶金制備Ti-Al系金屬間化合物分為預(yù)合金粉末法和元素粉末法。其中預(yù)合金粉末法制備的Ti-Al系金屬間化合物成分均勻、力學(xué)性能好,但工藝復(fù)雜、成本高,不利用應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn);元素粉末法成本低,且可通過均勻化成分和高溫下的反應(yīng)避免成分偏析,但雜質(zhì)含量較高。粉末冶金制備Ti-Al系金屬間化合物的方法主要有:機械合金化、反應(yīng)燒結(jié)、自蔓延高溫合成法、爆炸合成、等離子噴射成形等。在制備過程中,往往是兩種或兩種以上方法結(jié)合使用。3.3.1霧化法預(yù)合金粉末法是以部分合金化或完全合金化的Ti-Al系金屬間化合物粉末作為原料,經(jīng)壓制成形與燒結(jié)而獲得Ti-Al系金屬間化合物制件的方法。目前,Ti-Al系金屬間化合物粉末的制備方法主要有惰性氣體霧化法和等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法。霧化粉末顆粒的顯微組織與粉末顆粒度有關(guān),不同顆粒大小的相組成不同,相組成的不同有可能會引起致密化后顯微組織的微觀偏析。惰性氣體霧化法是原料Ti/Al在坩堝內(nèi)熔化,然后再通過坩堝底部的噴嘴用高速氣體將產(chǎn)生的金屬溶液噴射出,冷凝成金屬粉末。1985年,美國CrucibleResearchCenter用水冷銅坩堝熔化鈦原料,通過氬氣霧化制取鈦及鈦合金粉末,并于1988年建立了生產(chǎn)11t的氣體霧化裝置。等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法是將Ti-Al系金屬間化合物制成自耗電極,其端面受電弧加熱而熔融為液體,通過電極高速旋轉(zhuǎn)的離心力將液態(tài)合金甩出并霧化而形成粉末的金屬粉末制備工藝。西安寶德粉末冶金公司用等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法生產(chǎn)出47~381μm的鈦及其他合金粉末。3.3.2ti、al反應(yīng)過程元素粉末法是將元素粉末Ti、Al和合金化元素粉末混合均勻,經(jīng)預(yù)壓成形,再進一步致密化制備相應(yīng)的材料。元素粉末Ti、Al反應(yīng)是一個由擴散控制,包括TiAl3和TiAl2中間相生成的過程。反應(yīng)過程可見圖3。Ti、Al在粉末低于Al熔點溫度下會發(fā)生擴散反應(yīng),在Ti與Al顆粒界面上形成TiAl3相;在低于Al的熔點溫度時,TiAl3為唯一的中間相。隨著反應(yīng)的進行,TiAl3中的Al繼續(xù)向Ti顆粒擴散,在界面上形成Ti3Al、TiAl和TiAl2。反應(yīng)過程由以下三個公式可描述。在反應(yīng)合成過程中,Ti、Al粉末的體積有明顯的膨脹,很難獲得全致密的材料,通常需要后續(xù)的熱等靜壓處理。粉末冶金在消除成分偏析、縮孔等缺陷和制備組織均勻、結(jié)構(gòu)小而簡單的構(gòu)件、近凈成型方面獨具優(yōu)勢,但工藝復(fù)雜,成本較高。3.4防止鈦的氧化鋁熱還原法即以高鈦渣或金紅石為原料,以鋁粉為還原劑進行鋁熱還原反應(yīng),得到Ti-Al溶液,然后在真空電弧爐中精煉,可得到Ti-Al中間合金,并且反應(yīng)生成的高鋁渣可制成耐火材料。鋁熱還原法能夠減少合金偏析、不受溫度限制、并且能在一定程度上防止鈦的氧化。李軍等以鈦白粉為原料,利用鋁熱還原法制備出了主要物相組成為Ti3.3Al的Ti-Al系中間合金。鋁熱還原法制備Ti-Al系金屬間化合物作為一種低成本制備方法時,有很大的應(yīng)用潛力。鋁熱還原法的最大的優(yōu)勢就是不用先提煉純金屬鈦,大大降低了生產(chǎn)成本;而且在攀枝花豐富的鈦資源條件下,尤其是大量的高鈦渣并沒有得到很好的利用,鋁熱還原法能在一定程度上促進攀枝花鈦資源的綜合利用。鋁熱法制備的Ti-Al系中間合金易被氧化,需要進一步精煉,這無疑在增加成本的同時也增加了制備時間。作者認(rèn)為如果在反應(yīng)時加入氬氣保護,會避免氧氣進入,并且由于氣體壓力的存在,合金凝固時會更加致密。4鈦鋁基合金缺陷的解決對策1)無論在國