TiAl基金屬間化合物的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

李金山,張鐵邦,常 輝,寇宏超,周 廉,2

(1.西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710072)(2.西北有色金屬研究院,陜西 西安 710016)

TiAl基金屬間化合物的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

李金山1,張鐵邦1,常 輝1,寇宏超1,周 廉1,2

(1.西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710072)
(2.西北有色金屬研究院,陜西 西安 710016)

系統(tǒng)地總結(jié)了TiAl基金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料的研究現(xiàn)狀、存在的問(wèn)題以及在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用情況。對(duì)TiAl基金屬間化合物的組織控制與性能研究、冶金熔煉、成形加工等進(jìn)行了歸納,結(jié)合TiAl基金屬間化合物材料與應(yīng)用研究取得的新進(jìn)展,預(yù)測(cè)了TiAl基金屬間化合物輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料在今后一段時(shí)期的發(fā)展趨勢(shì)。

TiAl;金屬間化合物;冶金;超塑性;研究進(jìn)展;發(fā)展趨勢(shì)

前 言

金屬間化合物由于其原子的長(zhǎng)程有序排列和原子間金屬鍵與共價(jià)鍵的共存性,使其可能同時(shí)兼顧金屬的塑性和陶瓷的高溫強(qiáng)度,T iAl基金屬間化合物因其優(yōu)異的高溫力學(xué)性能與低的密度而在航空航天等方面受到高度重視。TiAl基金屬間化合物的彈性模量、抗蠕變性能等均比鈦合金好得多,與Ni基高溫合金相當(dāng),但密度還不到Ni基合金的1/2,使用溫度可望達(dá)到900℃以上,室溫模量可達(dá)176 GPa,且隨溫度升高而緩慢下降,可以填補(bǔ)高溫鈦合金和Ni基高溫合金的使用空白,有望用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪等航空航天、汽車工業(yè)的耐高溫部件以及超高速飛行器的翼、殼體等,被認(rèn)為是最有應(yīng)用潛力的新一代輕質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)材料[1-4]。GE公司近期宣布,用于波音787和747-8民航客機(jī)的GENX發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪后兩級(jí)葉片將采用T iAl基金屬間化合物,減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量約200 kg,這是該體系合金作為結(jié)構(gòu)材料首次在航空工業(yè)領(lǐng)域批量應(yīng)用,對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的減重意義重大,推動(dòng)了全球TiAl基金屬間化合物的研究熱潮[5]。

TiAl基金屬間化合物所獨(dú)有的輕質(zhì)高強(qiáng)等特性,使其作為新型航空航天用高溫結(jié)構(gòu)材料受到研究者的重視。但是,由于其具有明顯的室溫脆性,拉伸過(guò)程中延伸率不足1%即會(huì)斷裂,并且在熱加工過(guò)程中晶粒會(huì)急劇長(zhǎng)大,導(dǎo)致進(jìn)一步脆化,可加工性很差,而使其應(yīng)用遇到困難。目前T iAl基金屬間化合物應(yīng)用存在的主要問(wèn)題:①性能對(duì)成分高度敏感,加工溫區(qū)太窄;②中低溫強(qiáng)度低,而且依靠加工硬化來(lái)提高強(qiáng)度幾乎不可能;③無(wú)Cr的TiAl基金屬間化合物在500～900℃的耐腐蝕性能差;④元素熔點(diǎn)差異大,熔鑄高質(zhì)量合金錠比較困難并且成本很高[6]。

具有本征脆性的TiAl基金屬間化合物能否作為高溫結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用,其強(qiáng)韌化改性和相關(guān)物化性能的研究是基礎(chǔ),先進(jìn)的成形加工技術(shù)是關(guān)鍵,冶金熔煉技術(shù)是必不可少的支撐。TiAl基金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)涉及物理冶金、材料工藝及成形加工等多個(gè)學(xué)科方向。

基金屬間化合物的組織控制與性能研究

有序基金屬間化合物普遍存在脆性問(wèn)題,T iAl也不例外。為了解決由于對(duì)稱性低、滑移系少、共價(jià)鍵電子數(shù)在總價(jià)電子數(shù)比例高等因素造成的TiAl基金屬間化合物脆性,近年來(lái)在該體系的研究方面開(kāi)始轉(zhuǎn)向雙相T iAl基金屬間化合物,利用Al和其它合金元素的含量來(lái)控制延展性相對(duì)較好的α2-Ti3Al相與γ-T iAl脆性相的含量百分比,從而達(dá)到降低TiAl基金屬間化合物脆性[7]的目的。借助合金化[7-12]、工藝控制[13-16],以及顆?；蚶w維增強(qiáng)制成復(fù)合材料[17-20]等,可以實(shí)現(xiàn)部分改善TiAl基金屬間化合物塑性、韌性和高溫抗氧化性的目的。近年在TiAl基金屬間化合物性能改善方面取得了較為顯著的成效。

大量研究結(jié)果表明,TiAl基金屬間化合物的力學(xué)性能對(duì)合金成分和組織極其敏感,通過(guò)添加第三組元固溶或沉淀強(qiáng)化、控制組織形態(tài)和晶粒大小等方法能夠改善T iAl基金屬間化合物的力學(xué)性能和高溫抗氧化性。各國(guó)研究人員圍繞TiAl基金屬間化合物的成分設(shè)計(jì)、組織控制及合金的構(gòu)效關(guān)系等方面做了許多卓有成效的工作,使TiAl基金屬間化合物的部分力學(xué)性能得到明顯提高。根據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果,TiAl基金屬間化合物Al含量的減少通常能提高合金的強(qiáng)度,但同時(shí)也在一定程度上降低了合金的延展性和高溫抗氧化性;2%(原子分?jǐn)?shù))的Cr,Mn,V等過(guò)渡金屬元素的添加能改善T iAl基金屬間化合物的塑性;Nb的添加有利于提高T iAl基金屬間化合物的高溫抗氧化性能;少量W,Mo,Si,C等元素的添加對(duì)改善合金的抗蠕變能力有所幫助;B的添加通常能細(xì)化晶粒并能穩(wěn)定合金在高溫環(huán)境中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[7]。T iAl基金屬間化合物的室溫塑性還與顯微組織形態(tài)、晶粒大小密切相關(guān),顯微組織越均勻,合金的室溫延伸率就越高[16]。文獻(xiàn)[21]的研究結(jié)果表明,TiAl基金屬間化合物中片層組織含量的增加會(huì)提高雙態(tài)組織T iAl基金屬間化合物的屈服強(qiáng)度,但同時(shí)會(huì)降低合金的室溫塑性。TiAl基金屬間化合物材料研究領(lǐng)域知名專家Kim指出:該合金體系中的拉伸塑性和斷裂韌性是反向關(guān)聯(lián)的,并且認(rèn)為這種反向關(guān)聯(lián)來(lái)自這些參數(shù)對(duì)晶粒尺寸的相反依賴性[9]。合金元素的添加在起到固溶強(qiáng)化或時(shí)效強(qiáng)化的同時(shí),通常也能細(xì)化晶粒,改變片層間距,進(jìn)而對(duì)合金的性能產(chǎn)生影響。

在大氣環(huán)境中,溫度高于800℃時(shí),TiAl基金屬間化合物通常會(huì)被氧化,形成不具有保護(hù)性的T iO2或TiO2/Al2O3的混合氧化膜,最終導(dǎo)致T iAl高溫抗氧化性能急劇下降[22]。對(duì)TiAl基金屬間化合物高溫抗氧化性的研究也是該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一,目前主要集中在離子注入、熱噴涂、激光熔覆等表面改性技術(shù)。等溫氧化研究結(jié)果表明,在表面涂覆約8μm的TiAl3涂層,可以使TiAl金屬間化合物在1 000℃空氣環(huán)境中不被嚴(yán)重氧化。這是由于表層TiAl3中的Al元素在氧化過(guò)程中迅速與大氣和基體T iAl反應(yīng)生成具有保護(hù)作用的TiAl2和Al2O3膜,進(jìn)而提高TiAl基金屬間化合物的高溫抗氧化能力[23]。

要想在較寬的溫度范圍內(nèi)與高溫合金競(jìng)爭(zhēng),TiAl基金屬間化合物除須改善塑性指標(biāo)外,還必須具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、斷裂韌性和高溫抗氧化性等。目前TiAl基金屬間化合物在綜合力學(xué)性能平衡等方面尚有不少技術(shù)難題亟待突破,距實(shí)際工程應(yīng)用仍有相當(dāng)大的差距。調(diào)整成分、控制組織等對(duì)TiAl力學(xué)性能的改善作用是有限的,改善T iAl基金屬間化合物某一性能通常會(huì)部分損失其它相關(guān)性能,綜合力學(xué)性能難以平衡。如何在提高強(qiáng)度的同時(shí)不降低塑性和韌性,是當(dāng)前TiAl基金屬間化合物研究所面臨的最大挑戰(zhàn);合金元素對(duì)TiAl基金屬間化合物性能的影響機(jī)制目前尚無(wú)明確認(rèn)識(shí),仍需深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究;TiAl基金屬間化合物高溫抗氧化性改善方面的研究主要集中在表面改性方面,一旦表面改性層在高溫下被破壞,合金的抗氧化性能則會(huì)急劇下降,尚不能從本質(zhì)上解決TiAl基金屬間化合物高溫抗氧化問(wèn)題。

基金屬間化合物的冶金熔煉

金屬材料的冶金質(zhì)量對(duì)其綜合服役性能通常起著決定性的作用。曾發(fā)生過(guò)多起因低密度夾雜、縮孔疏松等冶金缺陷造成飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件失效而導(dǎo)致飛行事件。具有本征脆性的TiAl基金屬間化合物的裂紋擴(kuò)展速度極快,其性能對(duì)冶金缺陷極度敏感,能否作為結(jié)構(gòu)材料在航空航天領(lǐng)域得到工程化應(yīng)用,其關(guān)鍵在于熔煉過(guò)程中成分偏析、夾雜等缺陷是否得到控制,TiAl基金屬間化合物純凈化、均質(zhì)化的冶金質(zhì)量控制,將是當(dāng)前及今后一段時(shí)期內(nèi)工程化應(yīng)用基礎(chǔ)研究的重要方向之一。

由于T iAl基金屬間化合物的組成元素的熔點(diǎn)和密度的差異及非平衡凝固偏析系數(shù)不同,其大型鑄錠不可避免的會(huì)存在成分偏析,以Al元素為例通常有約2%(原子分?jǐn)?shù))的宏觀偏析。TiAl基金屬間化合物鑄錠中的冶金缺陷、成分偏析會(huì)使后續(xù)熱機(jī)械加工不可控并且得不到均勻組織,嚴(yán)重影響其綜合力學(xué)性能和高溫抗氧化性[13]。北京科技大學(xué)陳國(guó)良院士團(tuán)隊(duì)近期的研究結(jié)果表明,真空自耗電弧爐或等離子體冷床爐熔煉的高Nb-TiAl基金屬間化合物,當(dāng)鑄錠尺寸較小時(shí)(小于160～200 mm),能得到成分和組織相對(duì)均勻的鑄錠,但仍存在大量的枝晶及組織的宏觀偏析和高Nb造成的微觀偏析;當(dāng)鑄錠尺寸較大時(shí),通常會(huì)存在明顯裂紋甚至直接發(fā)生鑄錠開(kāi)裂等嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題[14]。俄羅斯的VS MPO公司采用真空自耗電弧熔煉制備出直徑480～960 mm、質(zhì)量200～3 500 kg的T iAl基金屬間化合物大尺寸鑄錠,鑄錠中未觀察到明顯的宏觀冶金缺陷,但Al元素的偏析現(xiàn)象仍較為嚴(yán)重[15]。文獻(xiàn)[24-25]的作者使用陶瓷坩堝或涂層保護(hù)的石墨坩堝,采用感應(yīng)加熱,熔煉TiAl基金屬間化合物,在成分均勻性方面有所改進(jìn),但引入了較多的涂層和坩堝中所包含的C,Si等元素,影響其力學(xué)性能。從現(xiàn)有研究結(jié)果來(lái)看,真空自耗電弧熔煉仍不失為TiAl基金屬間化合物適宜的熔煉方式,更為重要的是可以直接利用鈦合金的生產(chǎn)設(shè)備,進(jìn)行工程化應(yīng)用。T iAl基金屬間化合物的自耗電弧熔煉存在兩個(gè)亟待解決的主要問(wèn)題:其一,由于元素熔點(diǎn)、密度及非平衡凝固偏析系數(shù)的差異,通常會(huì)在大錠中導(dǎo)致不同程度的元素偏析,影響其力學(xué)性能;其二,海綿鈦或中間合金中常見(jiàn)的低密度和高密度夾雜物的熔點(diǎn)很高,在TiAl熔體中如果不經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的停留一般是無(wú)法得到充分溶解和擴(kuò)散的,有時(shí)即使采用3次熔煉也不能完全消除。

圍繞TiAl基金屬間化合物大尺寸鑄錠的熔煉,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在自耗電弧熔煉工藝改進(jìn)、缺陷控制、熔煉過(guò)程模擬等方面做了較多的工作。西北工業(yè)大學(xué)開(kāi)展了鈦合金及TiAl基金屬間化合物熔煉過(guò)程模擬的相關(guān)研究,以熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)對(duì)鑄錠的冶金過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算,建立對(duì)熱量、溶質(zhì)及動(dòng)量傳輸描述的計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)[26-27]。結(jié)合工藝驗(yàn)證,初步掌握高Ti及T iAl冶金和凝固過(guò)程中的成分分布規(guī)律、異質(zhì)夾雜的遷移和分離行為、缺陷形成機(jī)制及其控制方法,發(fā)展了高性能TiAl基金屬間化合物的高均質(zhì)化及凝固缺陷控制技術(shù),在T iAl基金屬間化合物冶金過(guò)程中純凈化、均質(zhì)化機(jī)理及調(diào)控方法的研究方面取得了積極進(jìn)展。

基金屬間化合物的先進(jìn)成形加工技術(shù)

T iAl基金屬間化合物工程檢驗(yàn)階段的研究成果預(yù)示著一場(chǎng)高溫結(jié)構(gòu)材料的革命即將到來(lái),然而,要真正實(shí)現(xiàn)這場(chǎng)變革,TiAl基金屬間化合物成形技術(shù)這一瓶頸問(wèn)題亟待解決。在設(shè)計(jì)與性能研究的基礎(chǔ)上,T iAl基金屬間化合物成形技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)也逐漸成為其應(yīng)用研究的熱點(diǎn)之一[28-35]。

超塑性成形技術(shù)是利用材料在一定溫度和應(yīng)變速率范圍內(nèi)表現(xiàn)出的超塑性行為而進(jìn)行材料加工成形的一種技術(shù)。迄今為止,人們已經(jīng)在近γ組織、雙態(tài)組織和含有亞穩(wěn)β相組織的TiAl基金屬間化合物中發(fā)現(xiàn)了超塑性現(xiàn)象。近γ組織由γ+α2雙相組織組成,是TiAl基金屬間化合物的最常見(jiàn)組織,具有優(yōu)良的超塑性,超塑性溫度一般為800～1 050℃[33-35]。現(xiàn)有研究結(jié)果表明,TiAl基金屬間化合物的超塑性主要受成分、顯微組織、晶粒尺寸和變形溫度等因素的影響[28-36]。早在1992年, Imayev等人利用粉末冶金制備技術(shù),制備出TiAl基金屬間化合物,經(jīng)鍛造和熱處理后獲得平均晶粒尺寸約為5μm的均勻等軸晶組織,在1 025℃時(shí)的延伸率高達(dá)200%～250%。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸減小至亞微米時(shí),呈現(xiàn)超塑性時(shí)的溫度顯著降低,當(dāng)平均晶粒尺寸約為0.4μm時(shí),在800℃即表現(xiàn)出超塑性,延伸率為225%[36]。由此可見(jiàn),適當(dāng)?shù)某煞衷O(shè)計(jì)、工藝處理可以使TiAl基金屬間化合物具有顯著的超塑性,超塑成形有望成為解決TiAl基金屬間化合物成形難題的有效方法之一[37]?，F(xiàn)已報(bào)道利用超塑性成形技術(shù)可以成功制備出TiAl基金屬間化合物排氣尾噴管、側(cè)翼等[38]。近期,西北工業(yè)大學(xué)重點(diǎn)在T iAl基金屬間化合物的超塑性成形工藝研究方面做了較為系統(tǒng)的探索性研究工作,并聯(lián)合相關(guān)科研機(jī)構(gòu)共同設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了適用于TiAl基金屬間化合物的630T超塑成形實(shí)驗(yàn)設(shè)備,試制出TiAl超塑成形試驗(yàn)件,同時(shí)在超塑性基礎(chǔ)研究和成形過(guò)程模擬方面也積極開(kāi)展了工作,取得了階段性成果,可以初步預(yù)測(cè)TiAl基金屬間化合物在超塑性成形過(guò)程的顯微組織、板材厚度、應(yīng)力分布等變化規(guī)律,為超塑成形提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。

結(jié) 語(yǔ)

TiAl基金屬間化合物工程化應(yīng)用的關(guān)鍵在于材料綜合力學(xué)性能的突破、大錠熔煉工藝控制和開(kāi)發(fā)切實(shí)可行的成形技術(shù)等。北京科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、鋼鐵研究總院等單位在TiAl基金屬間化合物材料性能研究和成形技術(shù)開(kāi)發(fā)等方面取得了可喜的進(jìn)展,為推動(dòng)該合金體系的工程化應(yīng)用做出了階段性的貢獻(xiàn)。隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展,為提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率和減輕零部件的自重,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)用TiAl基輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的性能提出了更高的要求,從現(xiàn)有研究結(jié)果來(lái)看,提高TiAl基金屬間化合物的抗拉強(qiáng)度、延伸率或抗氧化性等單一性能指標(biāo)相對(duì)較容易,但其綜合力學(xué)性能難以平衡,造成材料的可加工性降低且難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求;由于T iAl基金屬間化合物的組成元素的熔點(diǎn)和密度的差異及非平衡凝固偏析系數(shù)不同,工程化放大生產(chǎn)時(shí),成分偏析等冶金缺陷的控制對(duì)其綜合力學(xué)性能至關(guān)重要,TiAl大錠的熔煉和缺陷控制將會(huì)成為今后一段時(shí)期該合金體系工程化應(yīng)用基礎(chǔ)研究的熱點(diǎn);從現(xiàn)有結(jié)果及發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,短期內(nèi),常規(guī)金屬材料成形方式在解決TiAl基金屬間化合物材料的成形問(wèn)題上難有大的突破,超塑成形技術(shù)有望成為TiAl基金屬間化合物制品加工的有效方式之一,并會(huì)受到越來(lái)越多的關(guān)注。

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Recent Achievements and Future Directions of TiAl-Based Inter metallic Compounds

LI Jinshan1,ZHANG Tiebang1,CHANG Hui1,KOU Hongchao1,ZHOU Lian1,2

(1.State Key Laboratory of Solidification Processing,Northwestern Polytechnical University,Xi′an 710072,China)
(2.Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xi′an 710016,China)

The recent achievements,main problems and applications of T iAl-based inter metallic compounds are reviewed in this paper.The mechanical properties,metallurgy and deforming technology of TiAl-based alloys are systemic summarized.Combine the up to date fruits,the possible near future developing directions of light-weight TiAl-based inter metallic compounds for high temperature structural applications are forecasted.

T iAl;inter metallic compounds;metallurgy;superplastic;recent achievements;future directions

TG146.2

A

1674-3962(2010)03-0001-05

2009-11-30

李金山,男,1966年生,博士,博士生導(dǎo)師