高铌TiAl高温合金的研究现状与展望

收稿日期： ２００７－ ０６－ ２８ 作者简介： 张 伟， 男， １９７９ 年生， 博士研究生， 中南大学 粉末冶金国家重点实验室， 电话： ０７３１－ ８８３０４０６，
Ｅｍａｉｌ： ｃｓｕ＿ｚｈａｎｇｗｅｉ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ
综合评述
２
Ｖｏｌ． ２６， Ｎｏ． ８， ２００７
表 １ ＴｉＡｌ 合金的发展历程 Ｔａｂｌｅ １ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｃｏｕｒｓ ｅ ｏｆ ＴｉＡｌ ａｌｌｏｙｓ
２００７ 年 ２６ 卷第 ８ 期
稀有金属快报 ３
的变化过程， 不仅改变了相区， 同时也改变了相的 有相同最小蠕变速率的蠕变试验温度分别比高铌
体积分数。Ｎｂ 的含量从 ２％提高到 １０％， γ／γ＋α２ 和 α２／γ相界都会发生改变， 同时合金成分和各个相中 的 成 分 都 会 被 改 变 。 β相 由 于 体 积 分 数 比 较 小 而 不
子就会占据 Ｔｉ 原子的一些位置从而引起强度的一点
变化。这需要进一步测定相界并且测量含有相界成分
的 ＴｉＡｌ， Ｔｉ－ Ａｌ－ Ｎｂ 合金的强度水平来证实。α２／γ相 体积分数的作用可能在很大程度上依赖于成分改变。
但 是 ， Ｐａｕｌ 等 人 ［１６］ 却 认 为 ， 高 铌 ＴｉＡｌ 高 温 合 金的强化是由于 Ａｌ 含量的降低造成的， 也 就 是 说降低 Ａｌ 含量的强化作用比高 Ｎｂ 的强化作用大。 然而， 他们实验所用试样具有不同的显微组织， 低 Ａｌ 合金（ Ｔｉ－ ４５Ａｌ， Ｔｉ－ ４５Ａｌ－ １０Ｎｂ） 的组织是全片 组织， 片间距很小， 为 ０．１ μｍ； 高 Ａｌ 合金（ Ｔｉ－ ４９Ａｌ， Ｔｉ－ ４８Ａｌ－ １０Ｎｂ） 的组织却是双态或近 γ组织。这 种 显 微 组 织 上 的 不 同 就 可 能 混 淆 了 Ｎｂ 和 Ａｌ 的 合 金 化作用。
困 难［２１， ２２］。
其中的一部分 Ｎｂ 原子还有可能取代 Ａｌ 原子［１２］。这
些加入元素的原子大小和 Ａｌ 原子大小相差很小， 推
测它们的强化机理是 Ｎｂ 原子在 γ相中取代了 Ａｌ 原
子的占位， 而引起的错配 ， 强 化 了γ相［１９］。 α２／γ相 界几乎没 有 改 变 ， 在 这 样的情况下， 加入的 Ｎｂ 原
低压涡轮机叶片、 阀门等
Ｔｉ－（ ４５， ４７） Ａｌ－ ２Ｎｂ－ ２Ｍｎ－ ０．８ＴｉＢ２ Ｔｉ－ ４７Ａｌ－ １．５Ｎｂ－ １Ｍｎ－ １Ｃｒ－ ０．７（ Ｓｉ， Ｂ）
叶片、阀门等 高压压气机叶片
Ｔｉ－ ４７Ａｌ－ ２Ｗ－ ０．５Ｓｉ
涡轮机叶片
Ｔｉ－ ４５．５Ａｌ－ ４（ Ｃｒ， Ｎｂ， Ｔａ， Ｂ）
８４０￣９００
ＧＨ３３Ａ ２０ ℃ ８００ ℃ ＞７３５ ＞５９１ ＞１６ ＞１０
＜７５０
ＧＨ１６９ ２０ ℃ ８００ ℃ ＞１ ０３０ ＞６１０ ＞１２ ＞２６
＜７００
ＧＨ６９８ ２０ ℃ ８００ ℃ ＞７０６ ＞５８５ ＞１７ ＞３３
７５０￣８００
ＧＨ２２０ ２０ ℃ ８００ ℃ ＞８１４ ＞７２６ ＞１３ ＞９
迁移， 影响组成相的相对体积分数（ α２ 和 γ） ， α２／γ 力关系的指数数值， 位错亚结构分析和近断口的变 体积比的少量增加也会显著提高合金的强度。随着 形组织观察， ７６０～８１５ ℃温度区间和 １４０～４００ ＭＰａ
γ／γ＋α２ 相界向 Ｔｉ 的方向偏移（ 偏离 Ａｌ 的方向） ， 降 低了在 γ相和 α２ 相中的 Ａｌ 含量。伴随着这些相中 Ａｌ 含量的降低， Ｔｉ 原子会占据 Ａｌ 原子原先的位置，
中图法分类号： ＴＧ１１
文献标识码： Ａ
文章编号： １００８－ ５９３９（ ２００７） ０８－ ００１－ ０６
１引言
ＴｉＡｌ 合 金 的 研 究 始 于 ２０ 世 纪 ５０ 年 代 ， 经 过 多年的研究， 取得了大量的研究成果， 目前已经 进入实用化阶段。现在已可以生产 ＴｉＡｌ 合金铸锭、 锻件、挤压件和薄板材， 是一种具有巨大应用潜 力的轻质高温结构材料， 有望用于制作旋转件 或摆动零部件 。 如 航 空 航 天 器 发 动 机 叶 片［１， ２］以 及 车 用 发 动 机 的 排 气 阀［３， ４］和 增 压 器 涡 轮 转 子 ［５， ６］ 等 。 ＴｉＡｌ 合 金的一般特性包括［７， ８］： ① 密度低， 仅 为 ４ ｇ／ｃｍ３； ② 刚度高， ２０ ℃时， Ｅ＝１７５ ＧＰａ（ 钛基合金 为 １２０ ＧＰａ， 镍 基 合 金 为２００ ＧＰａ） ； ③ 在 ７５０ ℃下 具有高的高温强度和优良的耐氧化性； ④ 低的线 膨 胀 系 数 和 高 的 热 传 导 性 。 然 而 ， 常 规 的 ＴｉＡｌ 合 金 尚 不 能 满 足 在 ７６０ ～８００ ℃高 温 下 的 使 用 要 求 。 ＴｉＡｌ 合金的高温强度非常敏感于应变速率， 其位错 的滑动和攀移、孪晶的开动具有强烈的热激活特 性［７， ８］， 所以开发使用温度更高的新型超强金属间化 合物已经成为金属间化合物的发展方向。高铌 ＴｉＡｌ 合金体系利用高熔点组元 Ｎｂ 提高合金的熔点和有序 化 温 度［９， １０］， 从 而 提 高 合 金 的 使 用 温 度 至 ８５０ ℃以 上， 同时兼有密 度 小（ ４．３２￣４．７２ ｇ／ｃｍ３） 、 晶 体 结 构
高 温 合 金 的 设 计 成 分 范 围 为 ［１１］Ｔｉ － Ａｌ４５ ￣４６ － Ｎｂ ６￣９－（ Ｗ， Ｍｎ， Ｈｆ） ｘ －（ Ｃ， Ｂ） ｙ －（ Ｙ， ＲＥ） ｚ。 目 前 ， 合 金 成 分 的 优
合金成分
工业用途
化研究尚没有完善， 仍需要做大量的工作［１８］。
Ｔｉ－ ４８Ａｌ－ ２Ｎｂ－ ２Ｃｒ
板 材 、叶 片
要的。高铌合金中存 在 大 量 的 孪 晶 ， 被 认 为 是 Ｎｂ 的加入 改 变了层错能 的 缘 故 ［１６］。 可 以 推 测 ， 在 含 Ｎｂ合金中 孪 晶 活 动 的 增 加 有 益 于 材 料 在 低 温 下 的 塑 性 变 形 ， 因 为 这 弥 补了 ＴｉＡｌ 合金在 相 应 的 应 力 下缺乏独立滑移体系的 缺 陷［１７］。Ｂ 作为一种益于晶 粒细化和减少凝固偏析的合金元素， 在锻造合金 中的添加量要稍微少于在铸造合金中的添加量。 Ｗ 通过固溶强化， 而 Ｃ 通过沉淀强化， 都可显著 提 高 高 温 强 度 和 蠕 变 变形抗力。据此， 高铌 ＴｉＡｌ
ＴｉＡｌ 合金的工程应用。文章首先综述了高铌 ＴｉＡｌ 合金的性能特点 和 应 用 前 景 ， 并 简 单 介 绍 了 该 合 金 的 最 新 基 础 研
究情况， 随后介绍了制备高源自文库 ＴｉＡｌ 合金的基本工艺。最后论述了国内外高铌 ＴｉＡｌ 高温合金的发展历史和趋势。
关键词： 高铌 ＴｉＡｌ 合金； 高温强度； 强化机制； 蠕变性能
由表 １ 可以看出， 随着 ＴｉＡｌ 合金朝着多组元化 方向发展， 合金中 Ａｌ 含量逐渐降低， 而 Ｎｂ 的含量则 逐渐升高， 最终发展到Ｔｉ－ Ａｌ－ Ｎｂ 三元体系。Ｃｈｅｎ Ｇ．Ｌ． 等人研究表明［１３］， 当Ｎｂ 含量高于５％（ 摩尔分数） 时， 强 化 效 果 十 分 明 显 。 Ｔｉ 与 Ｎｂ 的 原 子 尺 寸 相 差 很 小 ， 仅 为 ０．２％ 。 用 原 子 定 位 沟 道 增 强 显 微 分 析 （ ＡＬＣＨＥＭＩ） 确定原子占位， 其结果表明， Ｎｂ 单独占 据了 Ｔｉ 的亚点阵［１４］。 Ｎｂ 的 加 入 降 低 了β／α相 转 变 温 度 ， 缩小了 α相 区 ， 这 对 ＴｉＡｌ 系 合 金 是 很 重 要 的。这种相稳定性的改变使材料的组织发生明显 细 化 ， 这 点 已 经 从 电 子 显 微 镜 的 观 察 得 以 证 实［１５］。 材料组织的细化对提高材料的屈服强度是非常重
简单和易于通过组织控制改善性能的优点。研究高 温下强度高、抗氧化性能好的高铌 ＴｉＡｌ 合金已经成 为 新 型 超 强 金 属 间 化 合 物 的 重 要 发 展 方 向 之 一［１１ ］ 。
２ 高铌 ＴｉＡｌ 高温合金
２．１ 合金设计
近年来， 随着航空航天和汽车工业的发展， ＴｉＡｌ 合金得到了迅速发展， 设计出了很多适合于航 空航天和汽车工业应用的的合金。表 １ 按照 ＴｉＡｌ 合 金研制的年代顺序列出了一些具有代表性的合金［１２］。
表 ２ 高 Ｎｂ 钛铝合金与镍基高温合金的性能比较 Ｔａｂｌｅ ２ Ｃｏｍｐａｒｉｓ ｏｎ ｏｆ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈ Ｎｂ ＴｉＡｌ ａｌｌｏｙｓ ａｎｄ ｎｉｃｋｅｌ ｂａｓ ｅｄ ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ ａｌｌｏｙｓ
ＲＰ／ＭＰａ ε／％ 使用温度／℃
Ｈｉｇｈ Ｎｂ－ ＴｉＡｌ ２０ ℃ ８１５℃ １ １４０ ５９０ ０．２４ ６．３６
２００７ 年 ２６ 卷第 ８ 期
稀有金属快报 １
高铌 ＴｉＡｌ 高温合金的研究现状与展望
张 伟， 刘 咏， 黄劲松， 刘 彬， 贺跃辉
（ 中南大学 粉末冶金国家重点实验室， 湖南 长沙 ４１００８３）
摘 要 ： 高 铌 ＴｉＡｌ 高 温 合 金 是 一 种 具 有 发 展 前 途 的 新 一 代 高 温 结 构 材 料 ， 合 金 化 元 素 铌 的 添 加 能 够 显 著 提 高 γ－
应力区间的蠕变机制为位错攀移回复蠕变机制。 高的蠕变强度是由于高 Ｎｂ 合金化提高了结合能和 有序能， 降低层错能和扩散能力， 并改善了高温
而 Ｎｂ 原子则占据 Ｔｉ 原子的位置， 随之带来了由于 组 织 稳 定 性 。 这 些 重 要 作 用 都 使 得 位 错 攀 移 更 加
Ｔｉ 原 子 受 到 Ｎｂ 原 子 排 斥 而 形 成 的 γ相 固 溶 强 化 ，
＜９５０
２．３ 强化机制
如前 所 述 ， 高 铌 ＴｉＡｌ 合 金 相 对 于 传 统 ＴｉＡｌ 合 金强度水平提高许多。认为这是由于 Ｎｂ 元素的加 入后取代了 Ａｌ 而不是 Ｔｉ 的原子占位， 从而起 到 固
溶强化的作用［１９］， 但是 Ｔｉ 和 Ｎｂ 的原子尺寸相差很 小， 由此引起了争议。新的观点认为， 结构的细 化， 比如大量孪晶的出现， 也被认为是造成强化的 原因［２０］。但这样的解释忽略了合金从低 Ｎｂ 到高 Ｎｂ
板材
Ｔｉ－ ４６Ａｌ－ ４（ Ｃｒ， Ｎｂ， Ｍｏ） － ｘ（ Ｂ， Ｃ）
高压压气机轮盘
Ｔｉ－ ４６Ａｌ－ ３Ｎｂ－ ２Ｃｒ－ ０．３Ｗ－ ０．２Ｂ－ ０．４（ Ｃ， Ｓｉ） 轮盘、阀门
Ｔｉ－ ４６Ａｌ－ ６．５Ｎｂ－ ０．６Ｃｒ－ ０．２Ｎｉ
涡轮增压机
２．２ 力学性能
图 １ 为高铌 ＴｉＡｌ 合金与其它 ＴｉＡｌ 合金的力学性 能比较。从图 １ 可以看出， 高铌 ＴｉＡｌ 合金的力学性 能明显高于其他 ＴｉＡｌ 合金。表 ２ 是高铌 ＴｉＡｌ 合金与 变形镍基高温合金的性能对比。由表 ２ 可见， 高铌 ＴｉＡｌ 合金的力学性能与现行变形轮盘用高温合金相 当， 而密度仅为高温合金的 ５０％左右。但是， 高铌 ＴｉＡｌ 合金的抗氧化性比其他 ＴｉＡｌ 合金低一个数量级。
ＴｉＡｌ 合 金 的 试 验 温 度 低 ６０ ℃和 １００ ℃。 类 似 的 对 比 分 析 指 出 ， 高 温 ＴｉＡｌ 合 金 的 蠕 变 强 度 比 普 通 ＴｉＡｌ 合金高 ５０～１５０ ＭＰａ。高温 ＴｉＡｌ 合金的 蠕 变 机
会影响强化行为。Ａｌ 含量降低， 相界也会随之发生 制与普通 ＴｉＡｌ 合金相似。根据测定的蠕变速率与应
Ｔｉ－ ４５Ａｌ－ ５Ｎｂ－ ｘＢ－ ｙＣ
阀 门 、板 材 、叶 片
Ｔｉ－ ４４Ａｌ－ ５Ｎｂ－ ｘＷ－ ｘＢ
阀门
Ｔｉ－ ４５Ａｌ－ ｘＮｂ－ ｙ（ Ｗ， Ｈｆ， Ｍｏ） － ｚ（ Ｂ， Ｃ， Ｓｉ） 阀门、叶片
Ｔｉ－ ４５Ａｌ－ １０Ｎｂ／ Ｔｉ－ ４８Ａｌ－ １８Ｎｂ
板 材 、叶 片
Ｔｉ－ ４５Ａｌ－ ７Ｎｂ－ ０．４５（ Ｂ， Ｗ）
图 １ 高 Ｎｂ 钛铝合金与其他钛铝合金的性能比较 Ｆｉｇ．１ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈ Ｎｂ ＴｉＡｌ ａｌｌｏｙｓ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ
ＴｉＡｌ ａｌｌｏｙｓ： （ ａ） Ｔｉ － ４７Ａ１ － １Ｃｒ － ０．９Ｖ－ ２．６Ｎｂ－ ＢＦＬ，（ ｂ） Ｔｉ－ ４８Ａｌ－ ２Ｃｒ－ ２Ｎｂ－ ＴＭＰＬ，（ ｃ） Ｔｉ－ ４８Ａｌ－ ２Ｃｒ－ ２Ｎｂ－ ＦＬ，（ ｄ） Ｔｉ－ ４６．５Ａｌ－ ２Ｃｒ－ ３Ｎｂ－ ０．２Ｗ－ ＴＭＰＬ，（ ｅ） Ｔｉ－ ４６．５Ａｌ－ ２Ｃｒ － ３Ｎｂ－ ０．２Ｗ－ ＲＦＬ，（ ｆ） Ｔｉ－ ４６Ａｌ－ ８．５Ｎｂ－ ０．２Ｗ－ ＦＬ， ａｎｄ（ ｇ） Ｔｉ－ ４５Ａｌ－ １０Ｎｂ－ ＦＬ