TiAl合金的制備及應(yīng)用現(xiàn)狀

劉 娣，張利軍，米 磊，郭 凱，薛祥義

(1.西安西工大超晶科技發(fā)展有限責(zé)任公司，陜西 西安 710010)

(2.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)

0 引言

TiAl合金因密度小、高溫性能優(yōu)異而成為航空航天、汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域備選的新一代材料，近年來(lái)一直是一些高等院校及科研院所的研究熱點(diǎn)。然而由于TiAl合金的室溫塑性、加工性以及高溫抗氧化性較差，阻礙了其應(yīng)用。為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們開(kāi)展了大量研究，其中，添加合金元素尤其是大量Nb元素成為一種有效提高TiAl合金室溫塑性和高溫抗氧化性的方法。而Nb元素由于熔點(diǎn)高使得制備TiAl合金的難度加大，因此制備均質(zhì)無(wú)偏析的TiAl合金，是其獲得高溫應(yīng)用的關(guān)鍵。

1 TiAl合金的特點(diǎn)及發(fā)展

TiAl合金的密度為3.85～4.2 g/cm3，低于純鈦，且不足鎳基高溫合金密度的50%，是一種有望替代鎳基合金的新型高溫結(jié)構(gòu)材料。它具有輕質(zhì)、高比強(qiáng)度、耐磨、抗燃燒、抗氧化等優(yōu)點(diǎn)，并且室溫和高溫力學(xué)性能優(yōu)異，在航空航天、兵器制造以及汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域有望得到工程化應(yīng)用。TiAl合金的主要特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 TiAl合金的主要特點(diǎn)Table 1 The main features of TiAl alloy

20世紀(jì)50年代初，國(guó)外開(kāi)始對(duì)TiAl合金進(jìn)行研究，至今TiAl合金已經(jīng)發(fā)展到第三代(見(jiàn)表2)［1］。

表2 TiAl合金的發(fā)展歷程Table 2 The development process of TiAl alloy

20世紀(jì)50年代初，有人發(fā)現(xiàn)TiAl合金抗氧化及高溫性能優(yōu)良，但因其室溫塑性差，研究進(jìn)展十分緩慢。直到80年代初，第一代TiAl合金，即Ti-48Al-1V-0.3C出現(xiàn)，它是由美國(guó)設(shè)計(jì)的，主要為了改善TiAl合金室溫塑性差、斷裂韌性低的問(wèn)題，但是該合金的綜合性能無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際需求，因此對(duì)它的研究只停留在實(shí)驗(yàn)室階段。第二代以鑄造TiAl合金為主，與第一代TiAl合金相比，優(yōu)點(diǎn)突出表現(xiàn)在760℃時(shí)的比強(qiáng)度、蠕變抗力、抗氧化性等高溫性能的提高，作為結(jié)構(gòu)件有望取代鎳基高溫合金。第二代TiAl合金中具有代表性的是Ti-48Al-2Cr-2Nb鑄造合金，由美國(guó)空軍和GE公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)，該合金通過(guò)添加Cr和Nb元素使得合金的室溫強(qiáng)度、塑性和抗氧化性能均有所提高。目前采用該合金生產(chǎn)的零部件已經(jīng)通過(guò)了發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)試驗(yàn)。另外，Howmet公司開(kāi)發(fā)的Ti-(45～47)Al-2Mn-2Nb-0.8TiB2XD鑄造合金(TiB2含量為體積分?jǐn)?shù))，也是第二代TiAl合金的典型。TiAl合金目前已經(jīng)發(fā)展到第三代，以鍛造TiAl合金為主。在合金成分設(shè)計(jì)方面的考慮更加全面，既要改善合金室溫塑性，又要提高高溫強(qiáng)度、抗氧化性等性能。研究表明，TiAl合金的性能對(duì)其合金成分及組織極其敏感。為了改善TiAl合金的性能，在成分設(shè)計(jì)時(shí)，可以適當(dāng)添加一些合金元素，達(dá)到固溶強(qiáng)化(或置換強(qiáng)化)、減小片層間距、提高合金強(qiáng)度的效果，還可以使晶粒細(xì)化、組織均勻，從而使合金的綜合力學(xué)性能得到提高［2］。因此，在第二代TiAl合金的基礎(chǔ)上，第三代合金在成分設(shè)計(jì)上的突出表現(xiàn)是Nb元素的增加及Al元素的減少，具體變化有:①Nb元素的添加量增加，由2%～3%最大增至10%，研究表明［3］，Nb元素有利于提高TiAl合金的高溫抗氧化性能;②Al元素含量由47%～48%降到45% ～47%，Al含量減少使得α2相含量增加，片層間距減小，從而提高合金的強(qiáng)度;③大量添加Ta、Mo元素，主要通過(guò)置換強(qiáng)化提高合金的強(qiáng)度和蠕變性能;④微量C、Si、N等元素的添加，主要通過(guò)間隙固溶強(qiáng)化使合金蠕變性能得到提高;⑤2%(原子分?jǐn)?shù))的Cr、Mn、V等過(guò)渡金屬元素的添加，能夠改善TiAl合金的塑性［4］;⑥B元素的添加，通?？梢约?xì)化晶粒，使得晶粒細(xì)小，組織均勻，則合金強(qiáng)度提高的同時(shí)塑性也會(huì)提高。

目前，工程用TiAl合金的成分范圍可以合并表示為 Ti-(42～49)Al-(0～4)(Cr，Mn，V)-(1～10)(Nb，Ta，Mo)-(0 ～1)(W，Si，C，B)。按照 Nb元素含量高低可以分為高Nb-TiAl合金(基礎(chǔ)成分為T(mén)i-45Al-(5～10)Nb)和普通TiAl合金(基礎(chǔ)成分為T(mén)i-48Al-(0～5)Nb)。Al含量降低，Nb含量升高，使得合金室溫、高溫強(qiáng)度提高，尤其是合金的抗氧化得到大幅度提高，同時(shí)可以保持室溫塑性不降低，從而使得高Nb-TiAl合金的使用溫度可以達(dá)到900℃以上［5］。因此，Nb元素的大量添加使 TiAl合金的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的階段，尤其是顯著提高了合金在高溫下的抗氧化性，從而提高其使用溫度。

2 TiAl合金的制備及存在的問(wèn)題

TiAl合金易生成脆性相且成分范圍窄，因此，TiAl合金的冶金質(zhì)量是決定其作為結(jié)構(gòu)材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。TiAl合金中各組元的熔點(diǎn)、平衡蒸氣壓及非平衡凝固偏析系數(shù)差異較大，導(dǎo)致鑄錠中常產(chǎn)生成分偏析，尤其是含量較高的Al元素，一般都存在至少2%(原子分?jǐn)?shù))的偏析，且鑄錠規(guī)格越大，這種宏觀偏析現(xiàn)象越嚴(yán)重。這種成分偏析可能形成另一種TiAl合金或金屬間化合物，不能獲得預(yù)期的材料性能。嚴(yán)重時(shí)鑄錠會(huì)產(chǎn)生裂紋等冶金缺陷，無(wú)法進(jìn)行后續(xù)熱加工。同時(shí)，對(duì)于高Nb-TiAl合金而言，由于難熔金屬Nb元素的加入量增加，在熔煉過(guò)程中，電流過(guò)大必然導(dǎo)致Al元素的揮發(fā)，而電流過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致Nb元素夾雜，因此要得到均質(zhì)、無(wú)偏析的高Nb-TiAl合金難度更大。

鈦合金常用的熔煉方法有3種:真空感應(yīng)熔煉(SM)、真空自耗電弧熔煉(VAR)、等離子冷床爐熔煉(PM)［6］。真空感應(yīng)熔煉合金成分均勻性好，但元素?zé)龘p較為嚴(yán)重，且用于熔煉的坩堝材質(zhì)一般為陶瓷或石墨，熔煉時(shí)坩堝中所含的C、Si等元素必然會(huì)導(dǎo)致合金雜質(zhì)含量偏高，影響合金力學(xué)性能。另外高Nb-TiAl合金熔點(diǎn)高，若采用該方法熔煉，則其溶液溫度高，澆注溫度也就高，導(dǎo)致鑄錠產(chǎn)生較大縮孔，無(wú)法進(jìn)行后續(xù)加工。真空自耗電弧熔煉可解決鑄錠宏觀縮孔和疏松問(wèn)題，更為重要的是可以直接利用熔煉鈦合金的設(shè)備，為熔煉TiAl合金的首選方法。但是采用真空自耗熔煉TiAl合金仍然有2個(gè)技術(shù)難點(diǎn):①合金各組元熔點(diǎn)差異大且非平衡凝固偏析系數(shù)不同，由于自耗熔煉是一種順序凝固的方式，通常會(huì)在大尺寸鑄錠中存在不同程度的元素偏析;②元素蒸氣壓差異大，同時(shí)合金元素含量較多時(shí)，為了能夠充分合金化，一般進(jìn)行3次熔煉，這樣會(huì)導(dǎo)致Al元素?fù)]發(fā)較為嚴(yán)重，控制較為困難。感應(yīng)熔煉合金成材率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于自耗電弧熔煉，熔煉高Nb-TiAl合金時(shí)凝殼大小波動(dòng)會(huì)造成成分波動(dòng)，而Al含量卻受凝殼和合金溶液揮發(fā)的共同影響［7］。

目前，通常采用真空自耗熔煉和等離子冷床爐熔煉普通TiAl合金。相關(guān)資料顯示，俄羅斯VSMPO公司已經(jīng)采用真空自耗熔煉方法制備出 φ480～φ960 mm、質(zhì)量200～3000 kg的TiAl合金鑄錠，且沒(méi)有肉眼可見(jiàn)的冶金缺陷，但存在嚴(yán)重的Al元素偏析［8］。由于我國(guó)參與TiAl合金研究的企業(yè)較少，目前采用真空自耗熔煉的TiAl合金鑄錠最大尺寸為φ290 mm，采用等離子冷床爐熔煉的TiAl合金可達(dá)噸級(jí)。對(duì)于高 Nb-TiAl合金，采用真空自耗熔煉φ200 mm以下規(guī)格鑄錠時(shí)，可以得到均質(zhì)、無(wú)偏析及其他冶金缺陷的鑄錠。當(dāng)鑄錠直徑增大時(shí)，采用該方法通常會(huì)產(chǎn)生明顯裂紋，甚至直接發(fā)生鑄錠開(kāi)裂等嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題。圖1a、b分別為采用真空自耗電弧爐進(jìn)行3次熔煉所制備的φ220 mm普通TiAl合金和高Nb-TiAl合金鑄錠的冒口部位，對(duì)比可以看出，同種工藝制備的同種規(guī)格的TiAl合金鑄錠，高Nb-TiAl合金出現(xiàn)明顯裂紋，而普通TiAl合金未見(jiàn)宏觀冶金缺陷。同時(shí)從圖1b還可以看出，這種裂紋一般從縮孔處向四周延伸。高 Nb-TiAl合金鑄錠除了存在宏觀偏析以外，微觀偏析也是一個(gè)很難解決的問(wèn)題，特別是鑄錠尺寸增大后這種微觀偏析更為顯著。無(wú)論采用3種常用熔煉方法中的哪一種進(jìn)行高Nb-TiAl合金熔煉，觀察發(fā)現(xiàn)都存在以下3種微觀偏析［9］:①S偏析，合金凝固過(guò)程中在枝晶間產(chǎn)生，使得枝晶間Al含量偏高而Nb含量偏低;②β偏析，在β→α相區(qū)產(chǎn)生，與S偏析產(chǎn)生的結(jié)果相反，形成了Nb含量偏高Al含量偏低的偏析區(qū);③α偏析，Nb含量達(dá)到10%時(shí)，發(fā)生α→ γ+α2+β相變而產(chǎn)生的高Nb偏析區(qū)。這些微觀偏析會(huì)使合金出現(xiàn)帶狀組織以及殘余相，從而造成合金性能大幅度降低。

圖1 φ220 mm鑄錠冒口形貌Fig.1 Schematic diagrams of φ220 mm ingot casting riser

針對(duì)以上問(wèn)題，首先應(yīng)從原材料上降低熔點(diǎn)差異，將高熔點(diǎn)金屬以中間合金的方式加入，平衡熔點(diǎn)差異的同時(shí)應(yīng)避免高密度夾雜，實(shí)現(xiàn)成分均勻化。另外有研究表明，O、N、H等間隙元素的存在會(huì)增大TiAl合金的脆性［10］，因此應(yīng)選用高純度的原材料。其次，應(yīng)在熔煉工藝方面做如下改進(jìn):①采用多種熔煉方法復(fù)合的工藝［11］，如首先采用真空感應(yīng)凝殼熔煉進(jìn)行充分合金化，并澆注成錠，再將該鑄錠作為自耗電極采用真空自耗熔煉方法進(jìn)行重熔，這種熔煉工藝不僅可以使合金化更加充分，同時(shí)解決了鑄錠的宏觀縮孔問(wèn)題，使鑄錠致密化，在此基礎(chǔ)上已開(kāi)發(fā)的熔煉工藝有VAR+PM、VAR+SM+VAR、PM+PM+VAR等;②熔煉時(shí)，在保證熔化的條件下，選用小電流，優(yōu)化補(bǔ)縮工藝，減少氣孔和縮孔等冶金缺陷，消除偏析，使組織中無(wú)B2相和帶狀組織產(chǎn)生;③通過(guò)其他處理方式來(lái)避免或是減少裂紋的產(chǎn)生，如鑄錠熔煉后直接進(jìn)行去應(yīng)力退火來(lái)消除殘余應(yīng)力。這些措施還得依靠大型企業(yè)的先進(jìn)設(shè)備及豐富的熔煉經(jīng)驗(yàn)，需要高校及科研院所做出理論指導(dǎo)，共同合作進(jìn)行TiAl合金均勻化鑄錠的研制及生產(chǎn)。

3 TiAl合金應(yīng)用情況

TiAl合金應(yīng)用方面，國(guó)外在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域已報(bào)道了10余種TiAl合金零部件，并且完成裝機(jī)地面試驗(yàn)［12］。主要用做航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)葉片和低壓渦輪葉片(見(jiàn)圖2)，減重效果十分明顯。

圖2 TiAl合金制成的航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)和低壓渦輪葉片F(xiàn)ig.2 TiAl alloy high pressure compressor blade and low pressure turbine blade for aircraft engine

波音787和747-8飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上已經(jīng)采用了美國(guó)GE公司研制的TiAl合金葉片，并實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)減重達(dá)72.5 kg［13-14］。而且從2000年開(kāi)始國(guó)外以鍛造代替鑄造制備了TiAl合金葉片，其力學(xué)性能比鑄造葉片的更高，但這種工藝對(duì)設(shè)備要求高，制造成本高。TiAl合金在航空航天領(lǐng)域還可用于制造部分非受力或非轉(zhuǎn)動(dòng)的部件及殼體、翼、蒙皮等。此外，在汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域，日本率先采用高Nb-TiAl合金制作跑車(chē)上的增壓渦輪(見(jiàn)圖3)，另外，諸如排氣閥、連桿等耐高溫部件都可能用到TiAl合金。隨著TiAl合金制備加工技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)不斷擴(kuò)大。

圖3 汽車(chē)用TiAl合金增壓渦輪Fig.3 TiAl alloy turbo for automobile

4 結(jié)語(yǔ)

TiAl合金是新一代高溫結(jié)構(gòu)材料，尤其是具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高Nb-TiAl合金極大地?cái)U(kuò)大了TiAl合金的應(yīng)用范圍，有望在700～900℃條件下取代鎳基高溫合金。目前已經(jīng)進(jìn)行了基礎(chǔ)及應(yīng)用研究，而且在新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)及汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到部分應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)以北京科技大學(xué)為首的一些高校及科研院所在TiAl合金基礎(chǔ)研究方面取得了許多成果，為推動(dòng)TiAl合金的工程化應(yīng)用做出了階段性貢獻(xiàn)［2］，但與國(guó)外相比仍存在很大差距。因此，國(guó)內(nèi)急需企業(yè)參與到TiAl合金的研制與生產(chǎn)中，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，盡快將現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)，使TiAl合金得到應(yīng)用。

從國(guó)內(nèi)外研究來(lái)看，盡管TiAl合金已經(jīng)得到部分應(yīng)用，但是因其合金各組元的熔點(diǎn)差異大、非平衡凝固偏析系數(shù)不同，導(dǎo)致的成分偏析、縮孔、裂紋等冶金缺陷的控制仍然是國(guó)際難題。因此，近期TiAl合金研究的重點(diǎn)是大尺寸鑄錠的均勻化控制。

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