tial金属间化合物的合金设计及研究现状

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1、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

2、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

3、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

4、］晶向上分别由纯Ti原子平面和纯Al原子平面交替组成。图1γ-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，N

5、b，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1γ-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

6、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

7、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