高温合金讲义
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向关系(和表示平行和反向平行)：
(A)的情况下，两个有序畴之间或者没有界面，或者形成一
个平移有序层错畴界。(B)和(C)是等价的，其界面是120旋
转有序层错畴界。相邻两个有序畴的c轴互相垂直。(a)的情
况是相当两相邻畴具有{111}<112>关系，是一种真孪晶关
系。(b)和(c)是等价的，是一种伪孪晶关系，下图给出了伪
尽管国内外进行了十多年努力，立方结构的TiAl3基合金仍 然太脆，加上它的高温强度也不高，因而无法实际应用。
➢ Ti3Al ：后面讲 ➢ TiAl ：后面讲
DO22结构
-TiAl及其合金
-TiAl的特点
➢密度低，3.7-3.9g/cm3，仅及Ni基高温合金的一半， Ni基合金的比重为7.9-9.5g/cm3。对航空航天发动机 高温零件减轻重量十分有利。
➢比刚性高，较航空发动机其他常用结构材料(包括高 温合金)高50％。高刚性有利于要求低间隙的部件， 如箱体、构件以及支撑件等。同时可以将噪声震动 移至较高频率而提高叶片等部件的寿命。
➢ 600-700℃良好的抗蠕变性能，比强度高，可能替换 某些Ni基高温合金部件，如涡轮盘、涡轮叶片等， 重量还可以减轻一半。
➢ TiAl合金具有良好的阻燃能力，可替代一些昂贵的阻燃 Ti合金。
缺点：较低的抗损伤能力，其较低的室温塑性、断裂韧性 和高的裂纹扩展速率增加了失效的可能性。
-TiAl合金的应用
航空发动机应用
1993年，美国GE 发动机公司开始将 Howmat公司铸造的 Ti-47Al-2Cr-2Nb合 金低压压气机叶片 装在CF6－80C2做 1000个模拟飞行周 次考核，台架试车， 结果叶片完整无损， TiAl合金的延伸率 仅0.5%左右。
1. 相凝固
多数TiAl基合金含Al量为46－47％，由液相冷却时将首先 形成相，并择优沿其C轴生长，形成柱状晶组织，在随后 冷两者却保过持程确中定，位从向柱关状系晶：中析出相，形成＋2板条组织：
(0001)2 //{111}和11202 // 110
相相之共间析的反位应向分关解系也，是所形有成的2＋板条相将板垂条直组于织。相由的于c轴相方和向 (柱状晶的生长方向)，最终得到的铸态组织有明显的各向 异性特征。当铸造具有复杂的形状TiAl部件时，这种柱状 晶织构将导致铸件不同部位性能的差异。
➢ Ti2Al相
研究较少，而且它周围相区的情况还不十分确定。
➢ TiAl3相
即相c/a在畴=具2L.有界2132D获。超O点得22超阵。点结T阵i构A结l的3 的构(0点，01可阵)面看常引作数入是a位=L0移1.23超矢84点量8n阵为m的，1/2派c<=1生01.80结5>9的构6 ，，反
*熔点较低，1340℃
1996年，NASA的“AITP”计划，作GE－90发动机5级 和6级低压压气机叶片，取代Rene 77叶片，降低总重量 80kg。
此外，TiAl合金作为机匣、涡轮盘、支撑架、导梁等 应用也在逐步展开。
➢汽车应用 日本京都大学和川崎重工株式会社新开发的Ti-47Al-Fe-
B合金用作汽车用废气增压涡轮，外径80mm，代替镍基 高温合金重量减轻一半，台架试车结果表明，以TiAl合金 增压的发动机加速响应时间显著减少。这对于改善车用 发动机的加速瞬态响应特性，减少燃烧不充分造成废气 污染具有重要意义。
*密度低，3.4g/cm3
*抗氧化性能好，Al含量为75％，是Ti-Al系中唯一能在空气 中生成Al2O3氧化膜的金属间化合物。 *比强度，比模量高
TiAl3 TiAl Ti3Al Ti Al E/ 0.63 0.47 0.28 0.27 0.26
*作为新型高温轻质材料一直受到关注 缺点：室温下很脆
孪晶关系的原子排列和电子衍射图。双相TiAl合金中的2Ti3Al和-TiAl的结晶学关系为：
(0001)
2
//
(111)
1120
2
//
1
1
0
两相TiAl合金2与wenku.baidu.com结晶学关系：
(0001)
2
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(111)
1120
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//
1
1
0
相应也有六种变体，见表13-4。
-TiAl的形成及其基本的固态相变
➢从液态TiAl冷却时可以有三种完全不同的凝固路线
孪晶：TiAl L10结构有两种孪晶： ➢真孪晶：所有原子的种类和位置都是孪晶对称的。第一 原理计算的真孪晶界为50-60J/mol。 ➢伪孪晶：原子的位置是严格的孪晶对称的，原子种类不 符合严格的孪晶对称要求，因此存在APB，伪孪晶界能 高达530mJ/mol。
有序畴的位向关系： TiAl L10结构中{111}上两个相邻的有序畴可能有6种位
➢滑移系：滑移面为{111}，滑移方向有<110]、<101]和 <112]。{111}面上的位错有1/2<110]和1/2<112]普通位错， 以及<011]超位错。1/2 <110] 的柏氏矢量最短，<011]超 位错可分解为两个1/2<011]偏位错夹一片反相畴(APB)。
➢原子沿三个不同位移矢量，即沿bA(1/2<101])、bc(1/b <211])和bs(1/6<112])运动就分别产生反相畴(APB)、复杂 层错(CSF)和内禀层错(SISF)。
改善塑性的努力
➢微合金化：用微合金化来促进DO22结构TiAl3的{111}<112] 孪生或(001)<110]滑移，从而改善塑性，但未获成功。
➢宏合金化：加入第三元素，改变四方的DO22结构，使其 成为L12，从立方晶体所具有的独立滑移系数目来看，对 TiAl3变形性能的改善是十分有利的。
事实上，TiAl3中加入第四周期中从Cr到Zn以及某些第五、 第六周期元素，都能实现结构转变，在室温下都有相当 程度的压缩塑性。
-TiAl的基本特性 -TiAl的晶体结构及基本特性
➢晶体结构：L10结构， 空间群为P4/mmm，它是由[001] 方向上只有Al原子或者只有Ti原子组成的原子面交替重叠 排列而成，每个晶胞有4个原子，2个Ti原子，2个Al原子。 [100]、[010]方向上的点阵常数与[001]方向上的不同。TiAl晶体是一种面心四方结构，a=0.398nm，c=0.404nm， c/a=1.015，随Al含量增加在1.01-1.03之间变化。
(A)的情况下，两个有序畴之间或者没有界面，或者形成一
个平移有序层错畴界。(B)和(C)是等价的，其界面是120旋
转有序层错畴界。相邻两个有序畴的c轴互相垂直。(a)的情
况是相当两相邻畴具有{111}<112>关系，是一种真孪晶关
系。(b)和(c)是等价的，是一种伪孪晶关系，下图给出了伪
尽管国内外进行了十多年努力，立方结构的TiAl3基合金仍 然太脆，加上它的高温强度也不高，因而无法实际应用。
➢ Ti3Al ：后面讲 ➢ TiAl ：后面讲
DO22结构
-TiAl及其合金
-TiAl的特点
➢密度低，3.7-3.9g/cm3，仅及Ni基高温合金的一半， Ni基合金的比重为7.9-9.5g/cm3。对航空航天发动机 高温零件减轻重量十分有利。
➢比刚性高，较航空发动机其他常用结构材料(包括高 温合金)高50％。高刚性有利于要求低间隙的部件， 如箱体、构件以及支撑件等。同时可以将噪声震动 移至较高频率而提高叶片等部件的寿命。
➢ 600-700℃良好的抗蠕变性能，比强度高，可能替换 某些Ni基高温合金部件，如涡轮盘、涡轮叶片等， 重量还可以减轻一半。
➢ TiAl合金具有良好的阻燃能力，可替代一些昂贵的阻燃 Ti合金。
缺点：较低的抗损伤能力，其较低的室温塑性、断裂韧性 和高的裂纹扩展速率增加了失效的可能性。
-TiAl合金的应用
航空发动机应用
1993年，美国GE 发动机公司开始将 Howmat公司铸造的 Ti-47Al-2Cr-2Nb合 金低压压气机叶片 装在CF6－80C2做 1000个模拟飞行周 次考核，台架试车， 结果叶片完整无损， TiAl合金的延伸率 仅0.5%左右。
1. 相凝固
多数TiAl基合金含Al量为46－47％，由液相冷却时将首先 形成相，并择优沿其C轴生长，形成柱状晶组织，在随后 冷两者却保过持程确中定，位从向柱关状系晶：中析出相，形成＋2板条组织：
(0001)2 //{111}和11202 // 110
相相之共间析的反位应向分关解系也，是所形有成的2＋板条相将板垂条直组于织。相由的于c轴相方和向 (柱状晶的生长方向)，最终得到的铸态组织有明显的各向 异性特征。当铸造具有复杂的形状TiAl部件时，这种柱状 晶织构将导致铸件不同部位性能的差异。
➢ Ti2Al相
研究较少，而且它周围相区的情况还不十分确定。
➢ TiAl3相
即相c/a在畴=具2L.有界2132D获。超O点得22超阵。点结T阵i构A结l的3 的构(0点，01可阵)面看常引作数入是a位=L0移1.23超矢84点量8n阵为m的，1/2派c<=1生01.80结5>9的构6 ，，反
*熔点较低，1340℃
1996年，NASA的“AITP”计划，作GE－90发动机5级 和6级低压压气机叶片，取代Rene 77叶片，降低总重量 80kg。
此外，TiAl合金作为机匣、涡轮盘、支撑架、导梁等 应用也在逐步展开。
➢汽车应用 日本京都大学和川崎重工株式会社新开发的Ti-47Al-Fe-
B合金用作汽车用废气增压涡轮，外径80mm，代替镍基 高温合金重量减轻一半，台架试车结果表明，以TiAl合金 增压的发动机加速响应时间显著减少。这对于改善车用 发动机的加速瞬态响应特性，减少燃烧不充分造成废气 污染具有重要意义。
*密度低，3.4g/cm3
*抗氧化性能好，Al含量为75％，是Ti-Al系中唯一能在空气 中生成Al2O3氧化膜的金属间化合物。 *比强度，比模量高
TiAl3 TiAl Ti3Al Ti Al E/ 0.63 0.47 0.28 0.27 0.26
*作为新型高温轻质材料一直受到关注 缺点：室温下很脆
孪晶关系的原子排列和电子衍射图。双相TiAl合金中的2Ti3Al和-TiAl的结晶学关系为：
(0001)
2
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(111)
1120
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两相TiAl合金2与wenku.baidu.com结晶学关系：
(0001)
2
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(111)
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相应也有六种变体，见表13-4。
-TiAl的形成及其基本的固态相变
➢从液态TiAl冷却时可以有三种完全不同的凝固路线
孪晶：TiAl L10结构有两种孪晶： ➢真孪晶：所有原子的种类和位置都是孪晶对称的。第一 原理计算的真孪晶界为50-60J/mol。 ➢伪孪晶：原子的位置是严格的孪晶对称的，原子种类不 符合严格的孪晶对称要求，因此存在APB，伪孪晶界能 高达530mJ/mol。
有序畴的位向关系： TiAl L10结构中{111}上两个相邻的有序畴可能有6种位
➢滑移系：滑移面为{111}，滑移方向有<110]、<101]和 <112]。{111}面上的位错有1/2<110]和1/2<112]普通位错， 以及<011]超位错。1/2 <110] 的柏氏矢量最短，<011]超 位错可分解为两个1/2<011]偏位错夹一片反相畴(APB)。
➢原子沿三个不同位移矢量，即沿bA(1/2<101])、bc(1/b <211])和bs(1/6<112])运动就分别产生反相畴(APB)、复杂 层错(CSF)和内禀层错(SISF)。
改善塑性的努力
➢微合金化：用微合金化来促进DO22结构TiAl3的{111}<112] 孪生或(001)<110]滑移，从而改善塑性，但未获成功。
➢宏合金化：加入第三元素，改变四方的DO22结构，使其 成为L12，从立方晶体所具有的独立滑移系数目来看，对 TiAl3变形性能的改善是十分有利的。
事实上，TiAl3中加入第四周期中从Cr到Zn以及某些第五、 第六周期元素，都能实现结构转变，在室温下都有相当 程度的压缩塑性。
-TiAl的基本特性 -TiAl的晶体结构及基本特性
➢晶体结构：L10结构， 空间群为P4/mmm，它是由[001] 方向上只有Al原子或者只有Ti原子组成的原子面交替重叠 排列而成，每个晶胞有4个原子，2个Ti原子，2个Al原子。 [100]、[010]方向上的点阵常数与[001]方向上的不同。TiAl晶体是一种面心四方结构，a=0.398nm，c=0.404nm， c/a=1.015，随Al含量增加在1.01-1.03之间变化。