TiAl金属间化合物的合金设计及研究现状

TiAl金属间化合物的合金设计及研究现状

摘要：介绍了TiAl合金的研究背景与应用前景；论述了该类台金的成分设计与组织设计，指出和金元素的加入对其性能的影响；分析了该类合金的几种常用成形方法，并指出了各自的优点和缺点。

关键词：TiAl合金合金设计相图计算成形技术

1、前言

高温结构材料的研究、发展和应用是和航空、航天工业的发展息息相关的，也是21世纪航空航天推进系统实现革命性变革和发展的关键因素。对于航空发动机而言，发动机的温度和空气压缩比与燃料消耗速率和发动机的推力直接相关，提高工作温度和减轻发动机部件的质量足改善现有发动机的性能、研究高推重比新型发动机的两项主要措施。TiAl合金有金属键和共价键共存，使之兼有金属与陶瓷的性能，如高熔点、低密度、高弹性模量、好的高温强度（700~900℃）、好的阻燃能力、好的抗氧化性等优点，是一种很具应用前景的新型轻质耐高温结构材料。这主要体现在三个方面：第一，TiAl合金具有高弹性模量，比目前应用的结构材料高约50%，用TiAl合金制成的高温结构件能够承受更高频率的振动；第二，合金在600~800℃具有良好的抗蠕变能力，有潜力替代密度大的Ni基超合金作为一些部件的材料；第三，TiAl合金具有很好的阻燃性能，与Ni基超合金相当，可以替代价格昂贵的阻燃性Ti基合金部件。TiAl合金主要应用于航空航天及汽车领域，如发动机用高压压缩机叶片、低压涡轮、过渡导管梁、排气阀、喷嘴等［1,2］。

适宜的合金成分和组织结构是获得好性能的前提，合理的成形技术是获得较好性能产品的必要手段。近年来，通过成分优化、组织控制以及改善加工工艺等方法，使TiAl合金的室温塑性、强度、断裂韧性、蠕变性能以及抗氧化性能等都得到普遍提高［3,4］。本文综述了TiAl合金成分结构设计、相图方法设计和成形技术，并提出其应用的研究现状。

2、TiAl合金成分设计

工程应用的TiAl合金主要由大量的γ-TiAl（L10型结构）和少量的α2-TiAl （DO19型结构）组成。两相的晶体结构如图1所示。γ-TiAl晶胞的轴比为c/a=1.02，发生了轻微的畸变，在［001］晶向上分别由纯Ti原子平面和纯Al原子平面交替组成。

图1 γ-TiAl和α2-TiAl的晶体结构

TiAl基合金的组织和性能极大地依赖第三合金元素。添加合金元素会影响合金中的γ-TiAl和α2-TiAl的晶格常数及稳定性，影响合金的电子密度及键络，影响相体积分数及形貌、晶粒尺寸、层片间距及合金变形机制，因此可以通过合金化及微合金化手段改善合金。研究合金元素对晶格参数、显微组织的影响对理解合金的性能有很大的帮助。人们向Ti-Al合金中添加的元素大致可分为4类[5~7]：1）Cr．V和Mn等可改善延性，但却使抗氧化性降低；

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等可提高强度；

4）Sl，C，B，N，P．Se，Fe，Nj，Ca，Sb，Mo和Fe等可改善延性。

2.1 合金元素对晶体结构的影响

合金元素对性能的影响与添加元素在TiAl合金中的原子占位及对晶格参数的影响有关。添加的合金元素一般会占据γ-TiAl点阵结构的Ti位或Al位，根据Ti-Al-X三元相图中单相区的走向，可以判断有3类合金元素（表1）［8~11］。

表1 γ-TiAl中合金元素的原子占位情况[8~11]

由于原子特征参数不同，添加合金元素会在一定程度上引起γ相的晶格畸变，对γ-TiAl点阵常数产生影响。另外，晶格参数还受到材料的纯度，制备工艺，热处理状态等因素的影响，因此不同的研究者测定的结果不总是一致。一般来说，γ-TiAl晶胞的轴比c/a=1.01~1.03 ，随着Al含量的升高，a降低，c升高，c/a升高，认为其原因与形成换位缺陷有关。降低c/a和单胞体积能够提高合金的塑性。c/a值减小能增强晶体的各向同性，降低普通位错1/2<110]与超位错<101]之间的可动性差异，有利于塑性改善。单胞体积降低能增强Ti-Al原子间的相互作用，可有效地减弱共价键性，达到改善塑性的目的。表2总结了合金元素对TiAl合金γ相晶格参数的影响。

研究[12]表明，V，Cr和Mn元素的添加会导致合金电子浓度的提高，使成键电子云的球形化程度增大，增强了金属键，从而达到了改善合金塑性的作用。Nb加入后对Ti-Nb键影响很大，其共价电子对数比原Ti-Ti键的高，但是降低了Al-Al及Ti-Al键的共价键性。因此，Nb的加入提高了晶胞中键的强度，因而可以提高TiAl合金的强度，但不能提高或降低塑性。

表2 合金元素对TiAl合金中γ相点阵常数的影响

2.2 合金元素对组织及性能的影响

Al含量的变化影响着TiAl合金的凝固方式和显微组织，因而对性能影响较大。工程用TiAl合金的铝含量一般控制在42%~48%之间，通过合理控制Al含量引入适量的α2相（体积百分含量在5%~20%之间），可以使TiAl合金获得较好的综合性能。随着Al含量的降低，Al元素偏析程度降低，晶粒尺寸和层片间距降低，α 2相体积分数增加。

Mo，Ta和W能稳定TiAl合金中的β相，而Al元素是稳定α相元素，因此，合理控制Al含量和合金元素添加对于优化TiAl合金的相组成和显微组织很重要Cr，Mo，W和Nb等元素能扩大β区到高铝区，缩小α相区，出现三相共存区或者双相区。双相组织有很好的塑性，这对于TiAl合金的高温变形加工很有意义。

为增加γ-TiAl高温性能，目前的合金开发主要集中在高Nb合金上[13~15]。高Nb合金能降低层错能和有利于机械孪晶，导致相对高的断裂应变。另外，高Nb

含量可减少扩散过程，降低攀移位错速率，有利于蠕变稳定和热稳定，减慢相变和再结晶的动力。Nb能大大提高TiAl合金的抗氧化能力，这是因为Nb促进在底层上形成一个富Al层，阻碍外界氧的侵入。

细晶组织一般具有较好的性能，添加B，C，N和Y等元素可以形成稳定的沉淀相，从而细化TiAl合金组织及改善性能。图2表示了C，N和Y对TiAl合金晶粒尺寸的影响。TiC和TiN在高温下稳定存在，在合金凝固过程中领先析出作为异质形核位置细化晶粒，在随后的冷却过程中转变成Ti2AlC和Ti2AlN。稀土元素（Y，Ce等）对TiAl合金晶粒尺寸和层间距也有较强的细化作用。添加1.0%B能细化TiAl合金晶粒到60um左右。

图2 元素含量对TiAl合金晶粒尺寸的影响

3、相图计算在TiAl合金结构设计中的应用

采用传统的试验法来选定和设计TiAl合金成分和热处理工艺时，由于缺乏基础数据，会使得工作量非常大。单凭实验来构筑多元体系平衡及亚稳相图时间冗长、耗资巨大，而且提供的信息也非常有限。因此，利用相图热力学计算的方法建立TiAl体系的相平衡图，预测其在热处理过程中的相转变和微观结构，指导其具体的热处理制度设计，达到通过理论与计算来预测新材料的组分、结构与性能来设计性能的新的TiAl合金的目的。

由图3所示的Ti-Al二元体系相图可知，随着成分、温度的改变，γ有序相可以分别与无序固溶体α或其有序相α2共存，且在适当的成分和温度条件下，α