粉末冶金TiAl基合金的研究進展

梁興華，姜 荃，梁均全

廣西大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西南寧 530000

0 引言

作為高溫結(jié)構(gòu)材料,TiAl 基合金正受到業(yè)內(nèi)界人士的越來越高度關(guān)注，良好的抗氧化性能，低密度，耐高溫性能等，讓其比之鎳基合金和鈦基合金更具優(yōu)越性[1]，因此成為航空，國防，軍工等高科技領(lǐng)域極具吸引力的材料。然而，室溫塑性低，高溫屈服應(yīng)力高和加工成形性差等，使得TiAl 合金廣泛應(yīng)用受到嚴重的制約。因此,研究和開發(fā)針對TiAl 合金合理高效的制備與成形技術(shù),是科技工作者的一個重要課題。常規(guī)制備TiAl 基合金的方法主要有粉末冶金，鑄造，鑄錠冶金等。其中粉末冶金方法有其顯著獨特優(yōu)點∶克服了鑄造缺陷，如疏松縮孔等;加入合金元素來制備復(fù)合材料變得容易;材料成分均勻,顯微組織細小，力學(xué)性能優(yōu)異;復(fù)雜零件易于實現(xiàn)近凈成形。

1 預(yù)合金粉末制備工藝

采用預(yù)合金粉末成型工藝制備TiAl 基合金首先要制備γ-TiAl 預(yù)合金粉末，之后經(jīng)過模壓成型與燒結(jié)反應(yīng)而制得所需制件的工藝。此工藝的成本有些昂貴，因為，Ti 熔點高且活性比較大，需要在制備過程中嚴格控制工藝，故難度也較大。現(xiàn)階段，發(fā)展出來很多方法制備γ-TiAl 預(yù)合金粉，其中主要被采用的有：霧化法、機械合金化法(MA)、自蔓延高溫合成法(SHS)等。此工藝所獲材料其晶粒大小，相分布以及合金元素分布的均勻性與相應(yīng)的鍛件相比，都得到顯著提高。用預(yù)合金法，德國姆波公司制造出大型客機連接臂，和直升機葉片連桿接頭，產(chǎn)品相比于鍛件，材料和成本分別節(jié)省40%和34%[2]。隨后美國坩堝公司又開發(fā)出，可以制備全致密，形狀復(fù)雜的鈦合金近形產(chǎn)品的陶瓷模熱等靜壓技術(shù)，使得合金材料的力學(xué)性能得到進一步提升。

2 元素粉末法

元素粉末法是對Ti、Al 和Nb、Cr、Mo 等外加元素預(yù)壓成形，在高溫下反應(yīng)合成之后進行致密化來制備TiAl 基合金材料的，制品組織細小、成分均勻。此法優(yōu)點是成本比較低，工藝設(shè)備簡單而且容易添加各種高熔點合金元素，通過均勻化混合和高溫反應(yīng)能避免成分偏析。元素粉末法制備TiAl 基合金，已經(jīng)得到了廣泛研究，所制備出來的材料性能可與鑄造TiAl 基合金媲美。元素粉末法制備TiAl 合金時Ti，Al 元素會發(fā)生擴散反應(yīng)，基本反應(yīng)過程為[3]：6Ti+6Al →4Ti+2TiAl3, 4Ti+2TiAl3→Ti3Al+TiAl+2TiAl2，Ti3Al+2TiAl2+TiAl → 6TiAl。

3 成型工藝

預(yù)合金粉末屬硬脆粉末，不便直接模壓成形，所以采用擠壓方式進行成形。有冷擠壓和熱擠壓兩種方式。此工藝讓粉末晶粒得到了細化，組織均勻性和粉末間的高溫擴散能力得到提高。對于元素粉末擠壓可以消除壓坯膨脹開裂，而對于預(yù)合金粉末，擠壓也提高了粉末變形能力。隨著科技的進步，出現(xiàn)了很多新技術(shù)如：溫壓技術(shù)，流動溫壓技術(shù)，模壁潤滑技術(shù)，爆炸壓制技術(shù)，高速壓制技術(shù)等。這使得粉末冶金成形技術(shù)正向高性能化，高致密化方向發(fā)展。

4 燒結(jié)反應(yīng)工藝

以下是對目前出現(xiàn)的幾種TiAl 合金粉末冶金燒結(jié)工藝簡單介紹。

4. 1 熱壓和熱等靜壓

熱壓和熱等靜壓是目前兩種很可行的制備鈦鋁基合金的工藝。在壓制的過程粉末的受力比較均勻，所得制件的致密度很高，力學(xué)性能很優(yōu)異。經(jīng)文獻和實踐所知，在1100℃～1300℃,壓力大于100MPa 時，將霧化TiAl 預(yù)合金粉末，直接進行熱等靜壓效果為最好。劉詠等人用此熱等靜壓的工藝方法所制得的鈦鋁基合金制件，致密度高，顯微組織細小，結(jié)果很是成功[4]。

4.2 自蔓延高溫合成工藝

自蔓延高溫合成（也被稱為燃燒合成方法），是利用化學(xué)反應(yīng)過程所生成的熱量和產(chǎn)生的高溫，而使自身反應(yīng)持續(xù)下去，進而獲得所需材料或制品的方法。該工藝簡單，高效節(jié)能，成本低且制品質(zhì)量高,自問世后在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的研發(fā)與應(yīng)用。其中開發(fā)出來的SHS 制備粉體，燒結(jié)，致密化技術(shù)，能夠制備出常規(guī)方法難以制備出的TiAl 化合物，且產(chǎn)物形狀復(fù)雜，致密度高，目前SHS 粉末技術(shù)已成功應(yīng)用與工業(yè)生產(chǎn)且技術(shù)越發(fā)成熟。

4.3 放電等離子燒結(jié)

放電等離子體燒結(jié)亦叫作等離子體活化燒結(jié),最早源于20世紀30 年代年美國人的脈沖電流燒結(jié)原理,但此快速燒結(jié)工藝真正發(fā)展成熟是90 年代從日本開始的，此后才得到廣泛的關(guān)注與研發(fā)。在裝有粉末的模具上聯(lián)通瞬間，斷續(xù)，高能脈沖電流，粉末顆粒間就能產(chǎn)生等離子放電現(xiàn)象，產(chǎn)生的高活性離子化的電導(dǎo)氣體,迅速消除粉末粒表面的雜質(zhì)和氣體, 并加快粉末的凈、活、均化等效應(yīng)[5]。SPS 藝有其獨特優(yōu)勢：加熱均勻,燒結(jié)溫度低且升溫速度快,產(chǎn)品組織細小均勻且致密度高。研究表明，用MA 技術(shù)與SPS 技術(shù)結(jié)合制備出的TiAl 合金，組織均勻，性能優(yōu)良。

4.4 粉末注射成形工藝

此技術(shù)是把塑料注射成形工藝和傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)相互結(jié)合，而發(fā)展成為一種新型的近凈成形的工藝。主要步驟為：混合粉末與粘結(jié)劑，注射成形，脫模，燒結(jié)。此工藝制備的制件致密度高，組織均勻，性能優(yōu)越，能夠制備質(zhì)量要求高且精密復(fù)雜的制品，而且成本低，自動化程度高，材料利用率幾近百分百。因此該工藝在國際上很熱門，很受歡迎。采用PIM 工藝制備出的TiAl 合金組織細小均勻，相對密度高，性能優(yōu)良，而且成本與傳統(tǒng)工藝比大大降低，當然此方面的研究還有廣闊空間。

5 粉末冶金TiAl 基合金的力學(xué)性能

作為高溫結(jié)構(gòu)材料，TiAl 合金因為低的密度，高強度系數(shù)，良好的抗氧化性能和抗蠕變性能等，而備受關(guān)注與歡迎。然而因低室溫延展性，難加工性，使其被廣泛應(yīng)用受到制約[6]。如何使其強度和延展性相平衡是一個很大挑戰(zhàn)，有關(guān)此方面的研究工作一直在進行。研究表明，TiAl 合金中增加Nb 能改善TiAl 合金高溫抗氧化性能，適量Cr 可以提高延性，B 可以細化晶粒, 提高抗蠕變性能。經(jīng)過不斷地改進和完善，粉末冶金TiAl 合金的一些力學(xué)性能已得到了顯著的提高。近期研究發(fā)現(xiàn)，合金添加Mo，V 和Ag 能改善顯微組織，在1350 度燒結(jié)能提高其致密度能達到96%，而抗壓縮強度可達到1782MPa。然而,孔隙的難以徹底消除，間隙元素難于控制等問題，還需要不斷地克服。

6 結(jié)論

TiAl 合金因其獨特的性能在軍工，航空等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)占有重要地位，采用粉末冶金工藝制備TiAl 基合金，優(yōu)勢明顯，能夠制備得精密度很高的制件。在TiAl 合金制備技術(shù)中，極富吸引力，進而脫穎而出。然而，粉末冶金法制備TiAl 基合金技術(shù)并不是完美至極的，還有一些工作需要進一步研究和拓展：控制間隙元素和雜質(zhì)的污染；合金元素的合理選擇與添加，改善TiAl 合金的性能；進一步完善致密化技術(shù)，讓顯微組織更加均勻細化，消除孔隙缺陷等；進一步研發(fā)讓生產(chǎn)低成本，高效率，規(guī)模化，不但為軍用而且為民所用，促進經(jīng)濟的發(fā)展。粉末冶金鈦鋁合金技術(shù)有其獨特的優(yōu)勢和地位，若得到進一步改進和完善，對我國的經(jīng)濟發(fā)展，國力的提升，具有重大意義。

[1]Q.Liu，P.Nash. The effect of Ruthenium addition on the microstructure and mechanical properties of TiAl alloys[J]. Intermetallics 2011(19)：1282-1290.

[2]趙瑤，賀躍輝.粉末冶金Ti6Al4合金的研制進展[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程，2008，13(2).

[3]Wang G X，Dahms M.PMI，1992，24(4)：219-225.

[4]劉詠，黃伯云，周科朝，等.熱等靜壓對粉末冶金TiAl合金顯微組織和相成分的影響[J].粉末冶金技術(shù)，2001，19 (3)：1651-1653.

[5]X.F.Ding，J.P.Lin，L.Q.Zhang.Materials and Design[J].Microstructures and mechanical properties of directionally solidified Ti-45Al-8Nb-(W, B, Y) alloys.201(32)：395-400.