第8章TiAl系金属间化合物
TiAl系金属间化合物球型预合金粉末制备及粉末冶金工艺研究
TiAl系金属间化合物球型预合金粉末制备及粉末冶金工艺研究
TiAl系金属间化合物球型预合金粉末制备及粉末冶金工艺研究
成功制备了Ti-46Al-2Cr-2Nb-0.2B-0.1W(原子分数)球型预合金粉末,并对粉末的特性进行了研究.在随后的粉末冶金技术研究中,运用热等静压技术得到了组织细小、均匀的粉末TiAl系金属间化合物,但材料的伸长率很低.经热处理后,材料的伸长率达到了2.5%.
作者：郎泽保崔玉友王亮徐磊张绪虎 Lang Zebao Cui Yuyou Wang Liang Xu Lei Zhang Xuhu 作者单位：郎泽保,王亮,张绪虎,Lang Zebao,Wang Liang,Zhang Xuhu(航天材料及工艺研究所,北京,100076)
崔玉友,徐磊,Cui Yuyou,Xu Lei(中国科学院金属研究所,沈阳,110016)
刊名：宇航材料工艺ISTIC PKU英文刊名：AEROSPACE MATERIALS & TECHNOLOGY 年，卷(期)：2007 37(6) 分类号：V4 关键词：TiAl金属间化合物球型预合金粉末粉末冶金。
TiAl基金属间化合物的发展
３２中国材料进展第２８卷Ｂ合金化，可进一步提高高温强度，细化晶粒¨ｄ１。
在过去的年代里，全世界范围内发展了很多不同的ＴｉＡＩ合金。
一般来讲，工程用＾ｙ—ＴｉＡＩ合金的成分范围可以合并一起表示为Ｔｉ一４５（４５—４８）Ａｌ一（０～２）（Ｃｒ，Ｍｎ）一（１～８）Ｎｂ—ｘＢ—ｙｃ—ｚＳｉ。
在发展过程中Ａｌ含量逐渐降低，而Ｎｂ含量则逐渐升高，这反映在使用温度的不断提高上。
硼元素的添加逐渐变得普遍，作为一种晶粒细化的途径，硼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。
低Ｎｂ合金化的ＴｉＡＩ合金中有时添加少量碳或硅元素来提高合金的蠕变抗力‘“。
目前工程用ＴｉＡＩ合金已形成两个不同使用温度的级别，高温ＴｉＡＩ合金（高Ｎｂ—ＴｉＡＩ合金）和普通ＴｉＡｌ合金，基础合金成分主要差别是在Ｎｂ含量上：Ｔｉ一４８ＡＩ一２Ｎｂ为普通Ｔｉｍ合金；Ｔｉ一４５Ａ１一（５—１０）Ｎｂ为高Ｎｂ—ＴｉＡＩ合金。
１９８７年，在国家８６３计划的支持下，北京科技大学陈国良等选择Ｔｉ—ＡＩ—Ｎｂ系中的高Ｎｂ—ＴｉＡｌ合金相区进行了大量基础研究。
在１９９１年得到国家发明专利＂１。
１９９０年开始在国内外召开的国际会议上发表研究成果，特别是１９９０年和１９９２年两次在美国召开的国际会议上做了系统的介绍，产生较大影响∞。
７１。
１９９５年第一届国际ＴｉＭ金属问化合物合金会议主席美国ＫｉｍＹＭ博士在大会报告中提出要发展高温高性能ＴｉＡＩ合金，并指出高Ｎｂ—ＴｉＡｌ合金是发展高温高性能合金的“首例”，提出这是非常值得进行的工作１８１。
高Ｎｂ合金化使Ｔｉ舢合金发展进入新阶段，室温屈服强度可达８００ＭＰａ，高温强度（７６０℃）可达５５０ＭＰａ，同时保持原有室温拉伸延伸率不降，特别是大幅度提高了合金的抗氧化性。
目前，高Ｎｂ—ＴｉＡＩ合金的研究在国内外已经很广泛，成为发展高性能合金的重要途径。
２高Ｎｂ．ＴｉＡｌ合金的基础研究高Ｎｂ—ＴｉＡＩ合金相关的基础研究工作主要包括：Ｔｉ—Ａｌ—Ｎｂ三元系相图一““、成分一力性图、成分一抗氧化性图等¨２’１引；高Ｎｂ—ＴｉＡＩ合金中形变诱导界面结构变化‘ｔｓ－２０３、形变诱导微区有序变化和诱导相变的高分辨研究心“２２１；形变孪晶和孪晶交截研究ｍ１；Ｔｉ—Ａｌ＋Ｎｂ系中原子分布的计算和实验研究、工程合金的发展等Ⅲ’。
TiAl金属间化合物的研究进展
αT i A l金属间化合物的研究进展3周怀营 湛永钟(广西大学材料科学研究所,南宁,530004;第一作者42岁,男,教授)摘要 综述了T i A l金属间化合物的研究进展.介绍T i A l合金室温脆性的解决办法,对其制备和加工的新工艺进行分类评述,并从基础理论研究、制备与加工新技术、类单晶T i A l及T i A l 基复合材料的研制等方面指出其今后的研究与开发动向.关键词 T i A l;金属间化合物;室温脆性分类号 T G13213+2许多金属间化合物由于具有比重轻、强度高、高温力学性能和抗氧化性优异等特点,而被认为是一种理想的待开发的航空航天用高温结构材料[1].与其他金属间化合物相比,T i A l系由于铝化合物本身所具有的极高的抗氧化性、较高的比熔点、较低的密度以及钛极高的比熔点,而成为近年来人们研究开发的焦点,目前正在研究开发的主要有T i3A l(Α2),T i A l(Χ)和T i A l3(Σ).室温脆性和难加工成形性是其实用化进程上的主要障碍[2].人们经过对T i3A l合金比较全面系统的研究,可以期望它最先接近实用化;T i A l3则由于室温塑性更差,目前只限于在日本、美国和中国等少数国家进行基础性研究.目前,研究的重点主要集中在T i A l合金上,试图通过合金化及热加工等手段来改善其室温脆性问题.1 T i A l金属间化合物室温脆性问题的解决办法T i A l是典型的Betho llide型化合物,任何温度下均呈有序状态.根据A l含量的高低,T i A l合金可分为Χ单相合金(≥49at%A l)和Χ+Α2双相合金(<49at%A l),而Χ+Α2双相合金按组织形态又可分为4类:(1)全片层组织(FL),由较大的层片块组成;(2)近片层组织(NL),由较大的层片块及较细的Χ+Α2等轴晶组成;(3)近Χ组织(N G),由粗大的Χ等轴晶及较细的Χ+Α2混合组成;(4)双态组织(D up lex),为细小的层片块和细小的Χ+Α2等轴晶的混合组织.由于T i A l晶体为面心四方结构(L10型),晶胞c a比值为1102,晶体对称性低,滑移系少,且共价键成分大,电子云分布不均匀,因此室温时呈脆性.目前用于改善T i A l合金室温脆性的方法可归纳为合金化法和热加工法[3].111 合金化法通过合金化来改善ΧT i A l金属间化合物室温脆性,是近年来T i A l合金研究的一个重要方向.目前发展的T i A l基合金的成分为T i(46～52)at%A l(1～10)at%M,其中M为C r,M n,V,M o,T a 等元素中的一种或几种.合金化法改善T i A l合金室温脆性的基本机制为:(1)细化晶粒,以提高合金的延展性;(2)调控合金显微组织,获得具有较大体积百分量的细小的全片层组织,以均衡提高T i A l合金室温拉伸性能和断裂韧性[4];净化合金,降低氧、氮等间隙式杂质元素的含量.近年来,通过添加C r来改善T i A l金属间化合物室温脆性的研究取得了显著的成果.添加C r后,可取代T i A l中的A l,有助于获得低A l的Χ相;同时降低了Α2相的稳定性,使片层Α2相变成粒状,形成了新生的细小的Χ+Α2晶体,因而可显著细化Χ+Α2两相合金铸态组织.K i m[5]认为,同时加入N b和C r对提高T i A l合金性能最为有效.曹名洲等人[6]的研究表明,在T i A l合金中添加M n后,使Χ相晶格a和c轴都减小,并使c a值接近1.M n促使Χ相中孪晶的形成,提高了T i A l合金的室温塑性.B lackburn等人[7]发现适量的V能有效地提高T i A l合金的塑性,并可降低韧脆转变温度.贺连龙[8]的研究表明,T i A l金1999年12月Journal of Guangx iU n iversity(N at Sci Ed)D ec.1999 α3国家自然科学基金(29771009)和广西自然科学基金(9824017)资助项目收稿日期:19990802属间化合物中加入少量Si 可使其电子云对称化,从而提高室温延性.计算结果表明,Si 比M n 的合金化效果更好.最近,有关T i A l 金属间化合物通过添加稀土元素改善室温脆性的研究也取得了长足的进展.刘昌明等人[9]发现N d 可明显增加铸锭柱状晶的长度和减小柱晶直径,同时细化了铸锭中心区的等轴晶粒.添加011at %N d 后,铸锭的平均晶粒尺寸由1400Λm 减小为450Λm .V asudevan 等人[10]在合金中加入014at %E r 后,发现由于形成E r 2O 3弥散粒子,降低了基体中杂质氧的含量,使塑性得以改善.陈仕奇等人[11]发现添加L a 也具有类似的效果.112 热加工法解决T i A l 室温脆性的另一重要途径是通过控制热加工工艺参数来达到的.这一方法的基本原理可归纳为:(1)获得细晶组织,减少滑移长度、增加非滑移系,从而提高塑性;(2)控制工艺参数,减少成分偏析和晶粒大小不均匀性.显微组织是影响T i A l 合金力学性能的重要因素.双态组织有利于提高合金的室温延性,但其高温抗蠕变强度低;而较粗大的全片层状组织具有优良的抗蠕变能力,但室温延性低.因而,为能在保证T i A l 基合金优良的高温力学性能的前提下解决其室温脆性的问题,细化其粗大全片层结构成为了近年来研究者追求的目标[9].K i m [12]报道了用等温热锻工艺可使T i A l 合金晶粒尺寸减小到500～1000Λm ;而采用复合热机械工艺破碎粗大片层组织,可使晶粒尺寸下降到20～30Λm ,从而获得性能优异的细晶组织,极大地改善了T i A l 合金室温塑性.H all 等人[13]研究发现,通过适当的热机械处理可获得具有层片状T i A l (Χ)+T i 3A l (Α2)组织的双相T i A l 合金,其室温塑性比单相T i A l 合金有明显改善.H ana m ura 等人[14]利用快速凝固技术研究了T i A l 基合金的显微组织.结果表明,在104～105K s 的冷却速度下可获得直径为1～3Λm 的细小晶粒,从而使该工艺成为一种解决T i A l 合金室温脆性的可能途径之一.在此基础上,曹名洲等人[15]采用气体雾化法制备了T i A l 合金的微晶粉末,其快冷态主要由Α2相和少量Χ.经900℃,2h 真空退火后,大部分Α2相转变成Χ相,使原来的组织更加细化.此外,蒲忠杰等[16]在同时加入C r 和V 的情况下,将T i A l 合金经1250℃再结晶处理,并适当控制冷却速度,获得了418%的室温延性.2 金属间化合物制备与加工新工艺目前,T i A l 合金尚未进入实用化阶段,但有关其制备技术的研究早已展开.除熔铸、粉末冶金等常规方法外,人们还根据材料自身的特点开发了许多种新的材料成型加工技术.(1)快速凝固法:该法将快速凝固技术与粉末冶金相结合,采用旋转盘雾化法,等离子旋转电极法或气体雾化法制得预合金粉末,而后装入钛合金包套中,经干燥,抽空和密封,再加热挤压成型[1].该法不但明显增加了B ,Si ,V 等溶质原子在基体中的固溶度极限,获得很好的固溶强化和沉淀强化效果,而且通过细化晶粒及第二相粒子,减少成分偏析,提高了强度和塑性.(2)机械合金化反应烧结:通过高能球磨使元素粉末在室温下通过固态反应生成合金粉末,甚至使互不相容的元素形成假合金.通过球磨,使成分分布均匀,晶粒及弥散颗粒比采用快速凝固法更不易长大,获得具有超塑性能的超细晶粒,有利于T i A l 合金室温脆性的改善.机械合金化处理后,T i A l 合金的室温延展性可达5%[17].(3)自蔓燃反应合成法(SH S ):该法利用物质反应热的自传导作用维持燃烧波的传播,使不同物质间发生化学反应,在极短时间内形成化合物.由于以单一金属粉末为原料,不必将材料全部熔化即可合成化合物,克服了金属间化合物制造上的困难.目前采用该法合成的T i A l 金属间化合物经H IP 可以制出致密的烧结坯,且性能和成本均达到了应用要求.(4)超塑性成形技术:超塑性成形技术是利用材料在一定温度和应变速率范围内表现出的超塑性进行材料成形的,其关键是要具有超细晶粒并选择合适的变形速率和变形温度.T i A l 合金超塑性的发现为解决其成形问题提供了广阔的前景.在5×10-5s -1的应变速率下,T i A l 合金晶粒尺寸可达2Λm ,而最大塑性超过了230%[1].3 研究及开发动向(1)基础理论研究.广泛测定T i A l X 系相图,寻找新的合金元素,确定合金的最优成分与组362第4期周怀营等:T i A l 金属间化合物的研究进展462广西大学学报(自然科学版)第24卷 织,以全面提高T i A l合金的综合性能;深入研究合金的塑性变形机理,掌握T i A l金属间化合物的超塑性变形机制,并寻求其实际应用途径;发展一套关于T i A l合金的系统的成分—组织—性能的理论体系.(2)开发制备与加工的新工艺.开发无污染熔炼、制粉工艺,降低氧、氮等杂质元素的有害作用;研究T i A l合金领域热等静压的条件、方式对压块的影响;确定合理的热处理工艺参数,改善合金微观组织,解决其室温脆性问题;利用冲击波、电、磁等手段解决成形问题.(3)类单晶T i A l合金及T i A l基复合材料的研制.研究类单晶T i A l的变形和断裂特征,利用其良好的塑性和高强度、高断裂韧性,在较短时间内能作为高温结构材料获得实际应用.寻找新的高质、价廉的共容增强颗粒,解决与T i A l基体间的相容性问题;加强T i A l基复合材料的优化设计,开发新的复合材料制备技术,为T i A l合金的广泛应用开拓更广阔的前景.参考文献1 曹 阳,李国俊.金属间化合物高温结构材料的研究动向.材料导报,1994,(4):14～182 N obuk iM,H ash i m o to K,T suji m o to K,et al.D efom ati on of T i A l in ter m etallic compound at elevated te mperatures.J Jpn In st M et,1986,50(9):840～8443 刘志坚,曲选辉,黄伯云.粉末冶金法制备T i A l合金的进展.材料导报,1995,(2):23～284 张继,张志宏,邹敦叙,等.T i A l合金细小全片层组织断裂机理.金属学报,1996,32A(10):1044～10485 K i m Y W.O rdered In ter m etallic A ll oys III.Gamm a T itan ium A lum in ides.JOM,1994,49(7):30～396 曹名洲,韩东,周敬,等.含M n的T i A l基合金的组织和性能.金属学报,1990,26(3):A223～A2277 B lackburn M J,S m ith M P.T itan ium A ll oys of the T i A l T ype.U S Pat,4294615.197907258 贺连龙,叶恒强,徐仁根,等.T i A l-V-Si合金中T i5Si3析出相与基体相的取向关系.金属学报,1994,30(4):A145～A1499 刘昌明,李华基,何乃军,等.钕对T i-44A l合金组织和晶粒尺寸的影响.材料工程,1998,(11):20～2310 V asudevan V K,Court S A,Kurath P,et al.Effect of purity on the defo r m ati on m echan is m in the in ter m etallic compound T i A l.Scri p ta M etall,1989,23(6):907～91211 陈仕奇,曲选辉,雷长明,等.T i A l+L a有序合金的室温力学性能.金属学报,1994,30(1):A20～A2412 K i m Y W.Effects of m icro structure on the defo r m ati on and fracture ofΧT i A l all oys.M ater Sci Eng,1995,A192-A193:519～53313 H all E L,H uang S C.Sto ich i om etry effects on the defo r m ati on of binary T i A l all oys.J M ater R es,1989,4(3):595～60214 H anam ura H,Sugai T,T an ino M.R ap idly Q uenched in ter m etallic compounds.T i A l and A l3T i.In:N i ppon Steel,ed.Sin tering′87.Tokyo:E lsevier A pp lied Science Poblishers,1988.617～62815 曹名洲,韩东,张涛,等.快速凝固T i A l基合金微晶的显微组织.金属学报,1992,28(10):A426～A42916 蒲忠杰,石建东,邹敦叙,等.T i A l基合金组织对拉伸性能的影响.金属学报,1993,29(8):A363～A36917 Suryanarayana C,F roes F H.M echan ical all oying of titan ium base all oys.A dv M ater,1993,5(2):96～106D evelop men t of Studi es on Ti A l I n ter metall i csZhou H uaiying Zhan Yongzhong(In stitute of M aterial Science ,Guangx iU n iversity,N ann ing,530004)Abstract T h is paper describes the status quo of studies on the T i A l in ter m etallic compound and in troduces the s o luti on s to its room brittle.It als o revie w s the ne w p roducti on and p rocesses by classificati on s. Further research directi on s,such as theo retical research,ne w p rocessing techno l ogies and single crystal like T i A l etc.is po in ted out.Keywords T i A l;in ter m etallic compound;room brittle(责任编辑 唐汉民)。
TiAl系金属间化合物球型预合金粉末制备及粉末冶金工艺研究_郎泽保
收稿日期:2007-09-30作者简介:郎泽保,1975年出生,硕士,主要从事粉末冶金的研究T iA l 系金属间化合物球型预合金粉末制备及粉末冶金工艺研究郎泽保1崔玉友2王 亮1徐 磊2张绪虎1(1 航天材料及工艺研究所,北京 100076)(2 中国科学院金属研究所,沈阳 110016)文 摘 成功制备了T i-46A l-2Cr-2Nb-0.2B -0.1W (原子分数)球型预合金粉末,并对粉末的特性进行了研究。
在随后的粉末冶金技术研究中,运用热等静压技术得到了组织细小、均匀的粉末T i A l 系金属间化合物,但材料的伸长率很低。
经热处理后,材料的伸长率达到了2.5%。
关键词 T i A l 金属间化合物,球型预合金粉末,粉末冶金Production of Pre -A lloyed Ga mma T itani u m A lu m i ni deSpherical Po wder and P /M Processi ngLang Zebao 1Cui Yuyou 2W ang L iang 1Xu Lei 2Zhang Xuhu1(1 A erospace R esearch Institute o fM ater i a ls&P rocessi ng T echno l ogy ,Be iji ng 100076)(2Institute ofM e tal R esearch Ch i nese A cademy o f Science ,Shenyang 110016)Abst ract Pre -alloyed ga mm a titaniu m alu m inide spherical po w ders w ith co m position T i-46A l-2Cr-2Nb-0.2B-0.1W (a%t )have been successfully produced by PI G A.The characteristics of prealloyed ga mm a titan i u m alum i n i d e po w ders have been investigated .I n t h e further P /M processi n g ,ga mm a titani u m alum i n i d e co m pact w ith fi n e and ho m ogeneous m icrostr ucture has been obta i n ed by H I P ,alt h ough elongati o n of the co m pact is poor .A fter heat treat m en,t the elongati o n of the co m pact has reached 2.5%.K ey w ords T itan i u m alum i n i d e ,Spherical pre -all o yed po w ders ,P /M 1 前言T i A l 系金属间化合物具有轻质、高强,900 下抗氧化性能好等特点,因此被认为是研制超音速飞行器中最合适的备选材料之一[1~3]。
金属间化合物要点
以密排六方结构为 基的长程有序结构 长周期超点阵 laves相 σ相 χ相 Cr3Si（β-W）相 μ 相等
Cu3Au型（L12型） CuPt型（L11型） CuAuⅠ型（L10型）等 CuZn型（B2型） Fe3Al型（D03型） Cu2MnAl型（L21型）等
Mg3Cd型（D019型）等
CuPt型（L11型）
2.2.1几何密排相特点
以面心立方结构为基 的长程有序结构
➢ CuAuⅠ型（L10型）
化学式为AB。原 面心立方（001）面 被仅由Cu原子组成的 原子面及仅由Au原子 组成的原子面交替重 叠堆垛而成。典型的 例子有
➢ 定义：由不规则的四面体填充空间的密堆结构 。 ➢ 类型：laves相，σ相，χ相，β-W相等。 ➢ 特点：晶体中的间隙完全由不规则的四面体间隙
组成，没有八面体间隙，配位数＞12，致密度＞ 0.74；原子间距极短 ，原子间电子交互作用强烈， 对称性低，滑移系少，塑性差。
2.2.1几何密排相特点
以面心立方结构为基 的长程有序结构
金属间化合物
晶体结构、结构稳定性 及电子理论
1定义
金属间化合物是指由两个或更多的金属组元或 类金属组元按比例组成的具有金属基本特性和不同 于其组元的长程有序晶体结构的化合物。
TiAl(L10)
2晶体结构分类
几何密排相 拓扑密排相
几何密排相
金属 间化 合物
拓扑密排相
以面心立方结构为 基的长程有序结构
MgZn2结构 原子半径小的Zn原子
形成四面体，原子半径大 的Mg原子占据四面体间隙 之中，本身构成一个四面 体骨架。每个Zn原子与6 个Mg原子和6个Zn原子相 邻，Zn原子的配位数为12； 每个Mg原子与4个Zn原子 和12个Mg原子相邻，Mg 原子的配位数为16。
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。
钛铝金属间化合物
Ti-Al44-Nb4-Mo0.5-Cr1.5-B0.1-Y0.1(wt%)
• Effect of Al 49.4% [13]
44.6%
45-49%Al (peritectic alloys) Solidify via the hexagonal α-phase: L+β α (form columnar grains along the C axis[0001] growth direction with dendrite side arms along <1010>, not depend on the direction of β ) show anisotropic microstructures as well as significant texture and segregation.
Ti-48Al-2Cr ; Ti-46Al-1Cr-0.2Si(developed by Frommeyer et al. ) γ-TAB (Ti-47Al-4(Nb, Cr, Mn, Si, B)) from GKSS Plansee -MET (Ti-46.5Al-4(Nb, Cr, Ta, B))
Ti-Al44-Nb4-Mo0.5-Cr1.5-B0.1-Y0.1(wt%)
• Effect of Al[11]
Conventional Alloys: Ti-48Al-2Cr-2Nb(by General Electric);
All contain a relatively high aluminum content compared to more modern alloys.
Effect of selected alloying elements on mechanical properties of Ti Al[5]
金属间化合物TiAl(W,Si,B)合白的组织稳定性及其蠕变性能
Ｃ ｒｅｐ ｎ ｅ ｔ ＨＯＵ Ｌ ｎｈ ｎ ， ｓｏｉｔ ｐｏｅｓｒ Ｔ ｌ ０４２９１１， ａ ：（ ４２８１２ ｏｒｓ ｏ ｄ ｎ：Ｚ ａ ｚ ａ ｇ ａｓｃａｅ ｒｆｓｏ ， ｅ ：（２）３ ７９ Ｆ ｘ ０ ）３９ ０ １ ２ ３
Ｅ． ａ ｌ ｍ ｉ：ｈｚ ｍ ｒ ａ ．ｎ ￣ｉ ． ｃ ｃ
Ｍ ａ ｓ ｒ ｐｔ ｒ ｃ ｉ ｄ ０ —０ —１ ｎｕ ｃ ｉ ｅ ｅ ｖｅ ２０ ２ ４ ７．ｉ ｅ ｓ ｄ ｆ ｍ ００ — —２７ ｎ ｒ ｖｉｅ ０ｒ ２ ２ ０７
Ａ Ｂ ＳＴ Ｒ Ａ Ｃ Ｔ Ｍ ｉｒ ｓ ｒ ｔ ｅ ｔ ｒ ａ ｔ ｂｉ ｔ ｎｄ ｃ ｅ ｐ ｐｒ ｐｅ ｔｅ ｆｃ ｓ ｎ ｅ ｍ ｅ ａｌｃ Ｔｉ ５ ｌ ｃ ｏ ｔ ｕｃ ｕｒ ｈｅ ｍ ｌｓ ａ ｌ ｙ ａ ｒ ｅ ｏ ｒ ｉｓ ｏ ａ ｔｉ ｔ ｒ ｔ ｌｉ ４ Ａ ｉ
２ 相转 变 为 Ｂ２ 相 ，针 状 Ｂ２相 球 化 和 长 大 ， 等轴 品 的 生 成 以 及 片 层 间距 的 增 加 ． ＡＢＢ一 ３ 合金 的 热 稳 定性 优 ２
于 无 Ｂ 的 ＡＢＢ ２ 合 金 ，表 明添 加 Ｂ 有 利 于 提 高 合 金 的 热 稳 定性 ． ＡＢＢ一 ３ 合 金 在 ７ Ｏ ８ Ｏ ℃范 围 内的 抗 蠕 变 能 力 超 过 ２ Ｏ一 Ｏ
ａ ０ ℃ ． ｍ ｉｒ ｓ ｒ ｔ ａｌ ｎｓ ａ ｉｉｉｓｏ ｃ ｎ ｔ ＢＢ一 ３ ａ ｌ ｙ ｉ ｃ ｕ ｎ ｅ ｋｉ ｎｄ ｍ ｅ ｇ ｎ ｅ ｎｄ ９ ０ ｃ ｏ ｔ ｕｃ ｕｒ ｔ ｂ ｌｔｅ ｃ ｕｒｉ ｈｅＡ ｉ ２ ｌｏ ， ｎ ｌ ｄｉ ｇ ｂｒ ａ ｎｇ ａ ｒ ｅ ｃ
Ａ
文章 编号
０ １ — ９ １２０）１ １７ — ６ ４２ １６（０ ２１ — １５ ０
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断裂韧性与层片间距的Hall-Petch关系
研究表明，TiA1基合金断裂韧性K1C、Kmax与层片间距也 满足Hall-Petch关系，具体如下：
K1C (or Kmax ) K0 k 1/ 2
式中K0可定义为内禀K1C，k是Hall-Petch常数。 断裂韧性随层片间距的降低而增加被认为是由于穿过
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Al含量对二元TiAl合金性能的影响
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微合金化及合金化元素的作用
（1）V、Mn、Cr、Mo、B、Sn、Ni、Y，这类合金元素可 以提高合金的塑性。
V、Mn、Cr占据钛铝相中铝的亚点阵，可提高钛原子电 子云分布的对称性，降低TiAl单胞体积有利于提高合金塑性， 但对抗氧化性有害；Mo可提高细晶合金的塑性；B元素对合 金组织有显著的细化作用；Sn除有细化组织作用外，还可以 使片层尺寸均匀、减小晶胞体积；Ni改变变形亚结构，可提 高单相γ合金的塑性；C也可提高单相γ合金的塑性，但却会 降低双相合金的塑性。
Ti-47Al-1Cr-1Mn-2Ta Ti-47Al-2Nb-1Cr-1W-1B Ti-46Al-5Nb-1W-1B Ti-44Al-5Nb-1W-1B Ti-46Al-8Nb-1B Ti-44Al-8Nb-1B
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铸态TiAl基合金的晶粒尺寸
Alloys Ti-50Al-2Cr-2Nb-1B Ti-49Al-2Cr-2Nb-1B Ti-48Al-2Cr-2Nb-1B Ti-47Al-2Cr-2Nb-1B
Ti-47Al-2Cr-2Mn-0.8 vol.%TiB2 (XD) Ti-45Al-2Cr-2Mn-0.8 vol.%TiB2 (XD)
金属间化合物新材料
孔凡涛 材料科学与工程学院
哈尔滨工业大学
1
第八章 Ti-Al系金属间化合物
2
1、绪论
Ti和A1由于具有低密度和良好的机械性能，是航 空航天广泛使用的材料。早在上世纪50年代，钛 的铝化物就得到了广泛的重视。
在Ti-A1二元系中主要有Ti3A1、TiA1、 TiA12、 TiA13四个金属间化合物相。其中有三个化合物得 到了广泛的研究和重视：Ti3A1、TiA1、TiA13。
（1）控制合金成分，使Al含量在46at%-49at%范围内，引 入少量α2-Ti3Al相，形成双相TiAl合金组织。
富铝的单相合金几乎没有室温塑性，因此控制合金成 分，引入少量α2相，形成富钛的双相TiAl合金，以此来提 高塑性。当铝含量控制在46-49at%左右时，双相TiAl合金 具有较好的塑性变形能力。
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合金成分的影响
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(2) 细化合金的晶粒尺寸，获得亚微米级或者纳米级 的晶粒，从而获得较好的室温塑性；
Elongation, %
6
5
● Ti-47Al-1Cr-2.5Nb-1V
■ Ti-48Al-2Cr-2Nb
4
3
2
1
0
0
500
1000
1500
2000
Grain or colony size, μm
TiA1基合金成为航天、航空及汽车用发动机耐热结构件极 具竞争力的材料，因此，TiA1基合金的发展一直受到世界各国 研究者的关注和重视。
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在应用方面具体主要体现在三个方面： ➢ TiAl合金具有高弹性模量，用TiAl合金制成的高温结构
件能够承受更高频率的振动； ➢ TiAl合金比重小，600℃-800℃具有良好的高温强度和
（6）通过添加V、Cr、Mn等合金元素，减小γ相的单胞体积 或轴比。
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（7）降低环境脆性。TiAl合金的环境脆性是由于试样表 面的Ti原子或Al原子与环境（大气）中的水汽发生以下反 应：
xM+yH2O→MxOy+2yH (M=Ti，Al) 反应生成的原子氢通过扩散渗到裂纹尖端，促进裂纹 扩展造成的，其实质是环境氢脆。TiAl合金环境脆性可以 通过添加合金元素以及控制α2相含量等方法得到改善。
1500 ● Ti-44Al ■ Ti-42Al
1000
500
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1/vc, (K/s)-1
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热处理对显微组织的影响
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TiA1合金显微组织-性能的关系
TiAl基合金的力学性能对微观组织结构非常敏感：
➢ 典型的TiAl基合金显微组织中双态组织有最好的塑性，但 断裂韧性和蠕变抗力较差；
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TiAl基合金显微组织取决于合金成分、冷却速度及 加工方法。 通常，铸态TiAl基合金的凝固组织为粗大的柱状晶。 将铸态和热加工态的铝含量在46-48at%Al范围内 TiAl基合金在不同温度区间进行热处理，可得到四 种典型的室温显微组织：
➢全层片状组织(FL)； ➢近层片状组织(NL)； ➢双态组织(DP)； ➢近γ相组织(NG)。
（8）在基体中加入塑性粒子或塑性纤维。 在TiA1基合金基体中加入塑性粒子或塑性纤维，发展
以TiA1合金为基的复合材料，以此来提高室温塑性。
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屈服强度与晶粒尺寸及层片间距的Hall-Petch关系
屈服强度与晶粒尺寸一般满足如下关系 ：
y 0 kgbd 1/2
屈服强度与层片间距的关系近似为：
通过优化合金组织，具有以下组织特征的合金有较好的 综合性能 ：
➢ 组织类型为全片层组织； ➢ α2/γ的平均体积分数在0.05-0.25之间； ➢ 晶粒尺寸（GS）在50-250μm范围内； ➢ 层片间距（λ）在0.05μm -0.5μm范围内； ➢ 具有锯齿状晶界。
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TiA1合金高温性能
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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； ➢ TiAl合金具有很好的阻燃性能和抗氧化性能，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。
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存在的问题
➢ 室温塑性低； ➢ 成形性差； ➢ 难以加工成结构部件； ➢ 对于1000℃以上使用的高温部件具有相对较低的高温强度； ➢ 拉伸强度、塑性与断裂/蠕变抗力具有反常关系； ➢ 800℃以上的抗氧化性能不足。
机械 加工（TMP）； （3） 采用粉末冶金、机械合金化等技术； （4） 采用特殊热处理技术，如循环热处理； （5）添加β相稳定元素，通过热处理时β相钉扎在α相
界上来抑制α晶粒生长，如K5合金（Ti-46.5Al-2Cr-3Nb0.2W）；
（6）控制合金元素组成，如降低TiAl基合金的铝含量， 添加B、TiB2、C、N、稀土（RE）等添加晶粒细化剂； 18
Grain size, μm
270 240 200 120 100 50 220 210 300 40 150 60
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层片间距细化
TiAl基合金层片间距大小主要依赖于铝含量、合金组成 和冷却速度。由下图可以看出层片间距随冷却速度增加而降 低，随Al含量增加而增加。
λ ,nm
2500
▼ Ti-48Al 2000 ▲ Ti-46Al
上述缺点是限制和阻碍TiAl基合金发展和应用的瓶颈之一。 为了解决这些关键技术难题，必须相应的研究一系列的基础理论 及加工技术问题。
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目前主要发展的几代TiAl合金
Class
Composition (at%)
1st Generation
Ti-(46~48)Al-2(Cr,Mn)-(0~2)Nb-(xB)
层片的滑移-孪生所需应力增加而引起的。 但当TiA1基合金的晶粒尺寸小于裂尖塑变区尺寸时，
晶界对断裂韧性的影响将超过层片间距的作用，这时断裂韧 性与层片间距的Hall-Petch关系不再存在。
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TiA1合金性能的平衡
TiAl基合金拉伸强度、室温塑性与断裂韧性/蠕变抗力具 有相反关系，提高塑性和强度，会降低断裂韧性及蠕变性能， 从而不能获得性能的平衡。
TiAl基合金晶粒尺寸与室温塑性的关系
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（3）控制等轴γ相、α2相及层片组织的含量。 研究双相TiAl合金组织中层片体积百分数对塑性影响
的规律表明，当层片体积L与块状γ相体积Lγ间的比值 （L/Lγ）为0.3-0.4时，可以获得最佳的塑性。
另外，双相合金中的α2相与γ的体积比应控制在5%20%范围内，若α2相过多（﹥20vol%）将导致合金塑性降 低，这是由于α2相与γ相相比更脆造成的。
• 常规的高温合金不仅密度高，其使用温度也已接近目前先进 航空发动机各主要零部件的使用极限。迫切需要发展高比强、 高比模和综合性能良好的轻质高温结构材料。
• TiAl、Ti3Al、Ti2AlNb基金属间化合物合金正是顺应此种需 求而快速发展起来的。
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美国NASA在研航天飞机X37
美国NASA在研航天飞机X33
2st Generation
Ti-(46~47)Al-(0~2)Cr-2Nb-xMn-(0~0.2)B-(0~0.2)C
K5 Alloys Ti-(45.5~46)Al-(0~2)Cr-3Nb-0.2W-(0.1~0.3)B-(0~0.4)C-(0~0.2)Si
Emerging
Ti-45Al-(5~10)Nb-(0~0.2)B-(0~0.2)C-(0~0.2)Si
➢ 近片层组织有最好的强度，并有一定的塑性； ➢ 全片层组织晶粒大，强度低，塑性差，但有优良断裂韧性
和蠕变抗力； ➢ 近γ相组织由于各方面性能都较低，已很少有专门研究。
目前，通过微观组织结构控制达到改善TiAl基合金各项性 能的研究已经成为研究重点。
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改善TiA1合金室温塑性的方法
通过组织控制来改善TiAl基合金的室温塑性的途径有: