TiAl基合金的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用
——訪中南大學(xué)粉末冶金研究院賀躍輝教授

本刊記者 玲 犀

賀躍輝HE Yuehui

長江學(xué)者特聘教授

Chang Jiang Scholar

國家杰出青年科學(xué)基金獲得者

Winner of the National Science Fund for Distinguished Young Scientists

教授，博士生導(dǎo)師，國務(wù)院政府特殊津貼獲得者?，F(xiàn)任中國鎢業(yè)協(xié)會理事會技術(shù)顧問，中國材料學(xué)會理事，中國材料學(xué)會超硬材料及制品分會副主任，中國材料學(xué)金屬間化合物與非晶合金分會副主任，國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心、中國核燃料及材料國家國防重點實驗室客座教授。曾主持完成國家“863”、“973”、國家自然科學(xué)基金及國防重點項目等多個項目的研究工作，獲國家科技進(jìn)步獎一等獎、國家教育委員會科技進(jìn)步獎二等獎等多項榮譽。主要研究方向為金屬間化合物多孔材料/多孔膜，金屬陶瓷材料，金屬間化合物/超硬材料制品，粉末冶金高速鋼便捷制造，納米材料，濕法冶金金屬間化合物惰性陽極材料等。

：您針對TiAl基合金的研究取得了系列成果，針對難熱加工塑性變形材料，提出了“包套鍛準(zhǔn)等靜壓快速變形”方法；建立起包括Ti-Al、Fe-Al和Ni-Al 3大類組成的整個Al系金屬間化合物多孔材料體系框架等，請簡單介紹一下您的主要研究項目，您認(rèn)為TiAl基合金近幾年的研究熱點有哪些？

賀躍輝：本人開展金屬間化合物的研究工作多年，早期主要是針對TiAl基合金難熱加工變形性問題開展了包套鍛熱機(jī)械復(fù)合處理新技術(shù)研究，實現(xiàn)了在普通油壓機(jī)上對加熱的包套處理TiAl基合金坯進(jìn)行鍛壓熱加工，具體成果為：

（1）用簡單方法實現(xiàn)了難熱加工的TiAl基合金鑄坯的熱加工變形，打破了原來的TiAl基合金開坯必須等溫鍛造的禁錮。

（2）包套處理為TiAl基合金鍛坯構(gòu)筑了一個準(zhǔn)等靜壓環(huán)境，有效地降低鍛坯的最大剪應(yīng)力。同時，鋼包套起到了有效隔熱保溫效果，由此，獲得80%變形量的完整鍛坯。

（3）實現(xiàn)了TiAl基合金在1×10-1S-1下順利變形，有效地抑制了動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，儲存的變形能為后續(xù)的熱處理獲得細(xì)小均勻組織、自主調(diào)節(jié)顯微組織提供了基礎(chǔ)。

同時，基于Al系金屬間化合物兼?zhèn)浣饘偌疤沾刹牧系膬?yōu)點，具有主成分元素之間大的擴(kuò)散系數(shù)差異的特質(zhì)，提出通過元素混合粉KirKendall效應(yīng)自主控制，制備Al系金屬間化合物多孔材料/多孔膜，解決極端環(huán)境下氣/固、液/固分離、凈化的多孔材料亟需的難題。完成TiAl基合金、NiAl基合金、FeAl基合金、Ti-Si系金屬間化合物、Ti-Si-C系金屬陶瓷等一系列金屬間化合物及金屬陶瓷多孔材料/多孔膜的制備技術(shù)研究，實現(xiàn)其孔結(jié)構(gòu)自主可控及大尺寸形狀復(fù)雜制品的近凈成形，進(jìn)一步發(fā)揮金屬間化合物的金屬鍵和共價鍵共存的混鍵結(jié)構(gòu)特性，開發(fā)金屬間化合物粘結(jié)劑新型超硬材料制品，解決超硬材料制品長期未解的開刃鋒利和保型壽命這一對矛盾；研究耐強(qiáng)酸腐蝕，抗大電流電化學(xué)腐蝕及新鮮氧原子氧化的金屬間化合物，解決溶液電解Pb陽極替代材料亟需的問題。

由于TiAl 基合金具有高的比強(qiáng)度、比剛度，以及較好的高溫抗蠕變、耐腐蝕性能，是一種非常有潛力的輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料，所以，近些年來，TiAl 基合金一直是一些高等院校和科研院所的研究熱點。研究方向主要集中在以下幾方面。

（1）高Nb合金化TiAl基合金。通過較高含量Nb的添加，進(jìn)一步提高TiAl基合金的高溫強(qiáng)度、抗氧化性、抗蠕變強(qiáng)度。需要解決的主要問題有：熔煉、鑄造合金的成分均勻性；難熱加工變形性和成形性。

（2）大尺寸類單晶制備，特別是結(jié)構(gòu)均勻、位向一致可控的類單晶材料及制件。

（3）無鑄造缺陷TiAl基合金鑄件的制造。

（4）TiAl基合金服役條件評價及安全設(shè)計。

（5）TiAl基合金多孔材料及多孔膜的制備及應(yīng)用，解決酸性、含Cl、含鹽、高溫等極端服役環(huán)境的分離、提取和凈化等孔分離材料亟需額技術(shù)難題。

（6）表面涂層材料。添加N、C、Cr、Si、Ta等合金化元素，形成高抗氧化、熱屏障、高潤滑、高耐磨的刀具、工具表面涂層材料。

（7）高品質(zhì)粉末冶金TiAl基合金制品的制造技術(shù)路線的打通。

：我國在TiAl基合金的研究方面，已有近30年的積累，直到目前，TiAl合金仍沒有得到廣泛的工程化應(yīng)用，是什么制約了TiAl基合金的應(yīng)用？如果將其推廣應(yīng)用，在基礎(chǔ)研究、成形工藝以及其他各方面還需攻克哪些關(guān)鍵技術(shù)？

賀躍輝：目前，世界上的主要航空發(fā)動機(jī)公司（如GE、Rolls-Royce和P&W）都致力于TiAl基合金的工程化應(yīng)用開發(fā)，并主要集中在低壓渦輪的最后一級或兩級的工作葉片開發(fā)。中國科學(xué)院金屬研究所參與了Rolls-Royce所開發(fā)的TiAl基合金低壓渦輪葉片的精密鑄造工藝的試驗研究，我國也具有一定的TiAl基合金工程化應(yīng)用的實力和經(jīng)驗。

經(jīng)過多年的研究，雖然TiAl基合金在性能改善方面取得了很大的進(jìn)步，并在航空航天和汽車工業(yè)等領(lǐng)域得到了一些應(yīng)用，但是距大規(guī)模的工程化應(yīng)用還有很大的差距，其主要原因包括：（1）本征室溫脆性未能得到解決；（2）加工成形難的問題；（3）高溫抗蠕變強(qiáng)度不足及抗高溫氧化能力不足等問題。

如果將其推廣應(yīng)用，國內(nèi)還需要掌握實現(xiàn)TiAl基合金工程化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，特別是加強(qiáng)TiAl基合金成形和加工方面的相關(guān)基礎(chǔ)研究。

（1）新的服役要求評價和材料設(shè)計思想的提出，在原來的強(qiáng)度、韌性設(shè)計基礎(chǔ)上，發(fā)展損傷容限等設(shè)計方法。

（2）提高材料制備技術(shù)水平，特別是大尺寸TiAl基合金鑄錠成分均勻性的保障，鑄錠的應(yīng)力控制及消除。

（3）金屬間化合物功能化和功能、結(jié)構(gòu)一體化應(yīng)用的發(fā)展。

（4）針對TiAl基合金實用化的實現(xiàn)，原創(chuàng)性思想的提出。

（5）堅持不懈地開展TiAl基合金應(yīng)用面臨的室溫塑性低，難熱加工變形、成形，高溫抗氧化性不足的3大問題研究。

：增材制造工藝能夠適應(yīng)各種尺寸，不同復(fù)雜程度構(gòu)件，各種難熔、高強(qiáng)度金屬材料的直接成形制造。請問增材制造技術(shù)在TiAl基合金的加工成形中發(fā)揮了怎樣的作用？能否解決TiAl基合金加工難度大、成形困難的難題？還存在哪些無法解決的問題？

賀躍輝：增材制造成為當(dāng)今材料領(lǐng)域熱點方向，解決了傳統(tǒng)制造很多技術(shù)難題。TiAl基合金屬于難加工成形材料，在采用增材制造制備時需要考慮一些特殊技術(shù)問題：

（1）TiAl粉末制備難題，需要發(fā)展無坩堝污染熔煉技術(shù)；

（2）TiAl合金粉末的防氧化問題，TiAl合金粉末表面氧化形成的TiO2和Al2O3屬于高化學(xué)穩(wěn)定性的氧化物，會造成粉末冶金材料的原始顆粒形成的內(nèi)界面非冶金結(jié)合；

（3） TiAl基合金屬于低塑性材料，其塑性對合金含氧量十分敏感；

（4） TiAl基合金的主要元素Ti、Al蒸汽壓差別較大，受電子束或激光束能量高集中度加熱，成分準(zhǔn)確控制問題。