高温合金讲义第十一章

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1、第十一章Ti-Al系金属间化合物11.1Ti-Al系中主要金属间化合物相Ti-Al二元系中有4个金属间化合物，Ti3Al、TiAl、TiAl2和TiAl3。Ti2Al相研究较少，而且它周围相区的情况还不十分确定。TiAl3相具有DO22超点阵结构，可看作是L12超点阵的派生结构，即在L12超点阵结构的(001)面引入位移矢量为1/2<110>的反相畴界获得。TiAl3的点阵常数a=0.3848nm，c=0.8596，c/a=2.23。*熔点较低，1340℃*密度低，3.4g/cm3*抗氧化性能好，Al含量为75％，是

2、Ti-Al系中唯一能在空气中生成Al2O3氧化膜的金属间化合物。*比强度，比模量高TiAl3TiAlTi3AlTiAlE/0.630.470.280.270.26*作为新型高温轻质材料一直受到关注缺点：室温下很脆改善塑性的努力微合金化：用微合金化来促进DO22结构TiAl3的{111}<112]孪生或(001)<110]滑移，从而改善塑性，但未获成功。宏合金化：加入第三元素，改变四方的DO22结构，使其成为L12，从立方晶体所具有的独立滑移系数目来看，对TiAl3变形性能的改善是十分有利的。事实上，TiAl3中加

3、入第四周期中从Cr到Zn以及某些第五、第六周期元素，都能实现结构转变，在室温下都有相当程度的压缩塑性。尽管国内外进行了十多年努力，立方结构的TiAl3基合金仍然太脆，加上它的高温强度也不高，因而无法实际应用。Ti3Al：后面讲TiAl：后面讲DO22结构-TiAl及其合金-TiAl的特点密度低，3.7-3.9g/cm3，仅及Ni基高温合金的一半，Ni基合金的比重为7.9-9.5g/cm3。对航空航天发动机高温零件减轻重量十分有利。比刚性高，较航空发动机其他常用结构材料(包括高温合金)高50％。高刚性有利于要求

4、低间隙的部件，如箱体、构件以及支撑件等。同时可以将噪声震动移至较高频率而提高叶片等部件的寿命。600-700℃良好的抗蠕变性能，比强度高，可能替换某些Ni基高温合金部件，如涡轮盘、涡轮叶片等，重量还可以减轻一半。TiAl合金具有良好的阻燃能力，可替代一些昂贵的阻燃Ti合金。缺点：较低的抗损伤能力，其较低的室温塑性、断裂韧性和高的裂纹扩展速率增加了失效的可能性。-TiAl合金的应用航空发动机应用1993年，美国GE发动机公司开始将Howmat公司铸造的Ti-47Al-2Cr-2Nb合金低压压气机叶片装在CF6－80C2

5、做1000个模拟飞行周次考核，台架试车，结果叶片完整无损，TiAl合金的延伸率仅0.5%左右。1996年，NASA的“AITP”计划，作GE－90发动机5级和6级低压压气机叶片，取代Rene77叶片，降低总重量80kg。此外，TiAl合金作为机匣、涡轮盘、支撑架、导梁等应用也在逐步展开。汽车应用日本京都大学和川崎重工株式会社新开发的Ti-47Al-Fe-B合金用作汽车用废气增压涡轮，外径80mm，代替镍基高温合金重量减轻一半，台架试车结果表明，以TiAl合金增压的发动机加速响应时间显著减少。这对于改善车用发动机的加速瞬

6、态响应特性，减少燃烧不充分造成废气污染具有重要意义。-TiAl的基本特性-TiAl的晶体结构及基本特性晶体结构：L10结构，空间群为P4/mmm，它是由[001]方向上只有Al原子或者只有Ti原子组成的原子面交替重叠排列而成，每个晶胞有4个原子，2个Ti原子，2个Al原子。[100]、[010]方向上的点阵常数与[001]方向上的不同。-TiAl晶体是一种面心四方结构，a=0.398nm，c=0.404nm，c/a=1.015，随Al含量增加在1.01-1.03之间变化。滑移系：滑移面为{111}，滑移方向有<

7、110]、<101]和<112]。{111}面上的位错有1/2<110]和1/2<112]普通位错，以及<011]超位错。1/2<110]的柏氏矢量最短，<011]超位错可分解为两个1/2<011]偏位错夹一片反相畴(APB)。原子沿三个不同位移矢量，即沿bA(1/2<101])、bc(1/b<211])和bs(1/6<112])运动就分别产生反相畴(APB)、复杂层错(CSF)和内禀层错(SISF)。孪晶：TiAlL10结构有两种孪晶：真孪晶：所有原子的种类和位置都是孪晶对称的。第一原理计算的真孪晶界为50-60J

8、/mol。伪孪晶：原子的位置是严格的孪晶对称的，原子种类不符合严格的孪晶对称要求，因此存在APB，伪孪晶界能高达530mJ/mol。有序畴的位向关系：TiAlL10结构中{111}上两个相邻的有序畴可能有6种位向关系(和表示平行和反向平行)：(A)的情况下，两个有序畴之间或者没有界面，或者形成一个平移有序层