Ti-Al金属间化合物的研究进展

Ti-Al基金属间化合物的研究进展

课程：新型金属结构材料

学院：材料学院

学号：2009200615

姓名：王永福

Ti-Al基金属间化合物的研究进展

摘要: 因密度、比刚度、高温比强度和阻燃性等方面的优势，Ti-Al基金属间化合物被认为是最有应用潜力的新一代航空及高温结构材料。本文在介绍Ti-Al基金属化合物基本性质及组织的基础上，讨论γ-TiAl基金属化合物力学性质与显微组织的关系。指出γ-TiAl基金属化合物存在的室温脆性，高温氧化性不足等问题，并提出合金化，材料复合化等相应的解决方法。

关键词: TiAl, γ-TiAl, 金属间化合物

随着航空航天技术的不断发展，为了提高发动机的热效率和减轻零部件的自重，并满足材料在航空航天中的服役条件，要求使用的材料具有高的高温强度、良好的抗蠕变性和抗氧化性以及低的密度。TiAl基金属间化合物具备以上提出的性能要求，与目前使用的Ni基超合金相比较，除了室温塑性较低之外，TiAl基合金其他方面的力学性能与Ni基超合金相当。然而，TiAl基合金的密度却不及Ni基超合金的一半。与钛合金相比，TiAl基合金的高温性能高出许多[1]。所以TiAl基合金作为高温结构材料的最大优势在于，在具有良好的高温性能的前提下，密度很低。所以TiAl基金属间化合物所具有的特性，使其作为一种理想的、有待开发的新型航空航天用高温结构材料一直倍受研究者的重视。

1 Ti-Al基化合物性质及α2+γ双相合金常见组织特征

1.1 Ti-Al基金属间化合物的基本性质

TiAl基合金密度低，具有高的比强度和比弹性模量，在高温时仍可以保持足够高的强度和刚度，同时它还具有良好的抗蠕变及抗氧化能力。经过第1代TiAl 基合金（Ti48Al4V0.1C）以及第2代TiAl基合金（Ti48Al2(Cr，Mn)2Nb）的发展，在此基础上，近年来，研究者又开发出了第3、4代合金，通过合金化和组织控制使拉伸性能、断裂韧性，蠕变性能以及抗氧化性能等都得到普遍提高[2]。随着对Ti-Al基金属化合物研究的深入，目前得到的大家比较公认的Ti-Al二元相图如图1所示[3]：

图1 Ti-Al二元相图

Fig.1 Ti-Al binary phase diagram

由图1可知：Ti-Al系中的主要金属间化合物相有：Ti3Al相(α2)，γ-TiAl相，δ-TiAl3相。Ti3Al相(α2)具有D019的超点阵结构，密排六方，空间群为P63/mmc α2相具有较宽的成分范围：22-39Al% (Atomic percent) ；γ-TiAl相是典型的Berthollide型化合物，具有很宽的成分范围，从48%（原子）Al到69.5%（原子）Al，在熔点（～1465℃）以下温度一直稳定。γ-TiAl具有L10有序超点阵结构，为正方点阵，Al和Ti交替地排列在(002)面上，c/a约为1.02；δ-TiAl3相具有较低的熔点（1340℃），并具有非常窄的成分范围。因其具有更高的Al 含量，密度更低，抗氧化性能更好。它们的晶胞结构如图2所示：

（a）（b）（c）

图2 Ti3Al(a),TiAl(b),TiAl3(c)的单胞及主要的滑移位错矢量

TiAl基金属间化合物中，δ-TiA13基合金曾经引起人们的兴趣，然而这些合金在室温拉伸时很脆，到目前为止尚无改善的办法。α2-Ti3Al基合金和其复合材料曾经是一类有希望的高温结构材料，但是它们仍然存在着结构不稳定以及在恶劣环境和循环载荷下开裂的问题。γ-TiA1基合金性能比α2-Ti3Al基合金性能更优越，这是由于该合金具有更高的高温强度、高温抗氧化性及更低的材料密度[4]。因此，目前钛铝化合物的研究焦点放在γ-TiAl基化合物的研究和开发上。这类合金成分为Ti-(45～50)%（原子）Al- (1～10)%（原子）M，M为V, Cr, Mn, Nb, Ta, W和Mo等。

1.2 α2+γ双相合金组织特征

富铝的单相合金几乎没有室温塑性，Huang等提出，在TiAl基合金的显微组织中，如果含有一定量的α2-Ti3Al相，其室温塑性明显的提高[8]。通过控制合金成分，引入少量α2相，形成双相TiAl基合金，以此来提高塑性。因此，具有实用化前景的TiAl基合金是由α2和γ两相组成的合金。然而，TiAl基合金在实用化过程中面临的室温塑性低是其主要的缺陷，TiA1基合金的室温力学性能受其显微组织的影响显著，得到细小、均匀的显微组织是获得较好室温力学性能特别是较高室温延性的前提条件[5]。

含铝46~50的TiAl基合金缓冷态接近平衡的组织为γ+(α2/γ)双相复合组织。将铸态和热加工态的铝含量在46％~48％范围内的TiAl基合金作为当前重点研究的内容在不同温度区间进行热处理，可得到4种典型的室温双相显微组织（如图3）。它们分别为：①等轴γ单相组织(singleγ-phase)；②双态组织(duplexmicrostructure)；③近层片状组织(near-lamellar microstructure)；④全层片状组织(full-1amellar microstructure)[6]。与单相合金相比，几种双相组织的室温塑性都有不同程度的提高。

图3 γ -TiAI基合金经不同热处理所得的四种典型的显微组织[6-8]

(a)等轴γ单相组织;(b)双态组织;(c)近全层片组织;(d)全层片组织

4种典型的显微组织中，其中双态组织有最好的塑性，但由于γ相的解理能低，抗裂纹扩展能力差，造成合金表现出较低的室温断裂韧性和蠕变抗力较差；近全片层组织合金有最好的强度，并有一定的塑性，但塑性与双态组织相比要低得多；由γ-TiAl板条和α2-Ti3Al板条组成的全层片晶团组织由于存在大量γ/α2相界面，能有效地阻碍裂纹的扩展，使合金有较高的断裂韧性，但其粗大的晶粒及层片组织力学性能各向异性将导致合金室温延性差；而等轴γ相组织晶粒大，无层片组织，因而塑性、断裂韧性等各方面综合性能都较差。

2 粉末冶金制备TiAl基合金材料

目前TiAl合金的制备方法主要有：1)铸造；2)铸锭冶金；3)粉末冶金。图4

为这几种加工方法的工艺过程示意图。