TiAl合金研究進展

陳志遠，方斌，張原斌，郭增輝

（齊魯工業(yè)大學（山東省科學院）機械工程學部，濟南 250353）

0 引言

航空航天工業(yè)的發(fā)展對于具有高強度、良好耐熱性和抗氧化性、低密度的高性能材料需求越來越高。TiAl合金是一種新型、輕質耐高溫結構材料，應用前景廣闊，具有很大的發(fā)展?jié)摿1]。TiAl合金具有高熔點、低密度、高彈性模量、優(yōu)異的高溫強度（700～900 ℃）、較強的阻燃能力，可用于高溫等極端環(huán)境。TiAl合金的密度僅為鎳基高溫合金的一半左右，是鎳基高溫合金的代替材料，用于制備航空發(fā)動機的渦輪葉片、部分航空航天結構件及地面發(fā)動機動力系統(tǒng)中轉動或往復運動的高溫部件[2-3]。TiAl合金制備有鑄造、鑄錠冶金和粉末冶金等方法。但是，在鑄造過程中TiAl合金內部易形成孔隙和成分偏析現(xiàn)象，導致鑄態(tài)TiAl合金的室溫脆性較高、可加工性較差。粉末冶金先制備初始合金粉末、再進行材料燒結成型的方法可解決鑄造材料的疏松、多孔問題，并顯著提高材料高溫強度及力學性能，同時明顯改善TiAl合金的熱加工性能，粉末冶金是現(xiàn)在制備TiAl合金材料的主要方法[4]。同時，通過向TiAl基合金中加入β合金元素、改善合金微觀組織結構，以及使材料合金化等方法可有效提高TiAl合金室溫可塑性和高溫抗氧化能力，從而改善TiAl合金的綜合性能。本文綜述了TiAl初始粉末制備方法、TiAl合金材料的制備及存在問題，分析了改進TiAl合金材料力學性能的方法，探討了TiAl合金材料發(fā)展趨勢。

1 氣霧化法制備TiAl合金粉末

目前，制備金屬合金粉末的方法主要有機械合金化、自蔓延高溫合成、氣霧化、水霧化、離心霧化和等離子霧化法等。由于氣體霧化生產的粉末具有最佳的成本和形狀，因此TiAl合金粉末一般用氣霧化法制備。氣霧化法是把高速流動的氣體（多為惰性氣體，比如氬氣）作為霧化介質沖擊高溫的熔融金屬液滴，使熔融金屬液滴在氣液兩相的交互作用中破碎成細小顆粒，再冷卻、凝固成粉。TiAl合金粉末的生產過程中，熔體、霧化液滴和熱粉末顆粒易吸收氧、氮和碳元素，合金熔化溫度很高（約1450 ℃），熔體的腐蝕性強且與現(xiàn)有所有坩堝材料發(fā)生反應，所以TiAl合金粉末只能采用無干鍋[5-6]、冷銅坩堝等技術制備[7]。

隨著對霧化器研究的進展，如今新型霧化法成為了生產粉體的主要方式，根據(jù)設備加熱元件不同，氣體霧化法有等離子熔煉感應氣體霧化法（Plasma Melting Induction Guiding Gas Atomization，PIGA）、電極感應熔化氣體霧化法（Electrode Induction Melting Gas Atomization，EIGA法）、真空感應熔煉惰性氣體霧化法（Vacuum Induction Melting Gas Atomization，VIGA）和等離子旋轉電極霧化法（Plasma Rotating Electrode Atomization，PREP）。圖1所示為4種氣體霧化法工作原理示意圖。

圖1 4種氣體霧化法工作原理示意圖

1.1 等離子熔煉感應氣體霧化法（PIGA）

圖1（a）是等離子熔煉感應氣體霧化法（PIGA）示意圖，該方法采用等離子熱源，調節(jié)等離子炬的高度在水冷銅坩堝中形成熔池，細熔體流通過感應加熱水冷銅漏斗被引導到氣體噴嘴的中心，被惰性氣體霧化為粉末顆粒。

PIGA法的優(yōu)勢為采用等離子熱源提高了加熱源的穩(wěn)定性和效能；采用水冷銅坩堝，避免金屬液流與銅坩堝壁的直接接觸，減小了合金粉末中的雜質[11]。然而，熔池的形成和感應引導需要相當大的電能，能耗高；且由于漏斗內液體液面較高，為了防止液體溢出漏斗，則需要良好的保護措施。

1.2 電極感應熔煉惰性氣體霧化法（EIGA）

圖1（b）是無坩堝電極感應熔化氣體霧化法（EIGA）示意圖，該法是將合金棒料作為電極，通過控制感應熔煉線圈和送料速度，將旋轉的棒料電極熔化并霧化成粉末顆粒的過程[8,12]。

該霧化技術的優(yōu)勢在于不使用陶瓷坩堝，所需功率較小，合金粉末雜質少。但是，合金棒材比合金錠料的成本高。棒材熔化速率較難控制，金屬液流成分不均勻，影響粉末的綜合性能。

Wegmann等[13]通過比較不同方案制備的粉末粒徑（如圖2）發(fā)現(xiàn)，在產量較小的情況下，PIGA和EIGA法比傳統(tǒng)離心方案所制備的粉末孔隙率更低，粉末顆粒也越小。并且，該產量下PIGA要比EIGA所制備的粉末孔隙率更小。但是在相同產率并且產量較大的情況下EIGA法則擁有明顯優(yōu)勢，Gerling等[8]通過研究EIGA和PIGA制備Ti-46Al-9Nb的粉末粒徑大?。ㄈ鐖D3）發(fā)現(xiàn)，EIGA法制備的粉末粒徑明顯低于PIGA法制備的粉末粒徑。如果采用金屬注射成型工藝制備材料，要求使用較細的合金粉末，采用EIGA法生產合金粉末更有利于提高材料性能。

圖3 用EIGA和PIGA技術霧化的Ti-46Al-9Nb合金粉末的粒度分布[8]

1.3 真空感應熔煉惰性氣體霧化法（VIGA）

圖1（c）是真空感應熔煉惰性氣體霧化法（VIGA），該方法是以合金棒材作為電極，通過電磁感應線圈對旋轉的合金棒材進行熔煉。通過控制熔煉速度使熔體形成金屬液流，并連續(xù)垂直向下流動穿過導流管。進入霧化室后，噴嘴噴射高速氣流將熔體霧化成金屬液滴，隨后凝固成粉末顆粒。

在VIGA法制備的金屬粉末中，熔融金屬液流不會接觸到坩堝和導流管，減少了金屬熔煉過程中的雜質引入，有效提高了粉末的純凈度[14]。

1.4 等離子旋轉電極霧化法（PREP）

如圖1（d）所示，PREP法是以合金棒材作為自耗旋轉電極，通過等離子槍所產生的轉移弧作熱源逐步熔化高速旋轉電極，隨后產生的金屬液流通過離心力作用甩出后形成細小液滴，在表面張力作用及惰性氣體保護的環(huán)境中冷卻固化為粉末顆粒[10]。PREP技術分為轉移弧型等離子旋轉電極霧化技術和非轉移弧型等離子旋轉電極霧化技術，前者是由美國率先研究，而后者則是蘇聯(lián)首次開發(fā)。與非轉移弧型相比，轉移弧型具有等離子槍功率、能量密度、熱效率高的優(yōu)勢，但是兩種制備工藝都需要進行后續(xù)的粉末除雜處理[15]。

圖4和圖5分別是VIGA法和PREP法制備的粉末。VIGA法制備的粉末多以球形為主，球形度高，表面光潔，粉末表面附有衛(wèi)星粉。PREP法制備的粉末表面主要為細枝晶組織，沒有衛(wèi)星粉，粉末球形度更高，表面光潔，粒徑分布均勻，表面質量優(yōu)于VIGA法[16]。與傳統(tǒng)氣霧化法制備的粉末具有形狀不規(guī)則、顆粒破損、大尺寸薄片狀金屬等現(xiàn)象相比，采用VIGA和PREP法制得的粉末球形度更高、流動性更好[17]。

圖4 VIGA法制備TiAl粉顯微形貌和截面形貌[17]

圖5 PREP法制備TiAl粉顯微形貌和截面形貌[17]

氣體霧化法（EIGA、PIGA）能提高鈦合金的細粉率，但粉末的球形度不如旋轉霧化法（VAGA、PREP）制備的粉末好。通過所制備的粉末對比發(fā)現(xiàn)，旋轉霧化法所制備粉末具有粒徑分布均勻、表面光潔度和球形度高、流動性好、雜質含量少、無衛(wèi)星粉等特點，粉末質量更高。

2 TiAl合金材料制備方法

2.1 熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，HIP）制備TiAl合金材料

熱等靜壓工藝是目前制備TiAl合金常用的燒結工藝。該工藝的關鍵環(huán)節(jié)包括包套的設計與加工、包套封裝、包套去除、真空熱處理和質量檢驗等工序[18]。

Yolton等[19]研究了HIP燒結溫度、保溫時間及熱處理工藝對TiAl合金材料的顯微組織和孔隙率的影響，發(fā)現(xiàn)在溫度1100～1300 ℃，壓力大于100 MPa的條件下進行熱等靜壓燒結效果最好。傳統(tǒng)熱等靜壓工藝制備的TiAl合金屈服強度和拉伸延展性偏低。熱等靜壓與其他工藝相結合的方法可以明顯改善TiAl合金的力學性能。Yu等[20]將元素粉末混合物球磨后進行熱等靜壓，制備出成分為Ti-45Al-2Cr-2Nb-1B-0.5Ta的TiAl合金超細晶材料，合金材料雖然具有相對較低的拉伸強度，但是具有70%～130%的高拉伸伸長率，有利于后續(xù)改善材料的拉伸強度。劉詠等[21]采用高溫熱壓和熱等靜壓相結合的方法合成了TiAl-2Cr-2Nb合金。兩種工藝的結合提高了材料的致密度，促進了材料內合金元素的均勻化擴散。Chen等[22]分別采用離散式和集成連續(xù)式的熱等靜壓和真空熱處理方法制備了TiAl合金，制備工藝如圖6所示。其中，傳統(tǒng)離散制備方法（SHH）是在1533 K、160 MPa條件下熱等靜壓4 h，然后在1633 K和1553 K下分別進行0.5 h 和4 h 的 真空熱處理（如圖6（a）），集成連續(xù)制備方 法（IHH）是在1533 K、160 MPa條件下熱等靜壓結束后立即進行熱處理（如圖6（b））。

圖6 熱等靜壓法制備TiAl[22]

圖7是分別采用SHH和IHH制備TiAl材料的微觀組織，由圖7（a）和圖7（b）可以看出，傳統(tǒng)離散方法制備的TiAl材料具有微裂紋缺陷，導致材料力學性能較低；由圖7（c）和圖7（d）可以看出，使用集成連續(xù)方法制備TiAl材料組織結 構 均勻，沒有明顯裂紋缺陷，明顯提高了材料的力學性能[22]。

圖7 采用SHH和IHH制備TiAl材料的微觀組織[22]

TiAl合金熱等靜壓工藝通過與不同生產工藝的結合能夠優(yōu)化產品質量，提高生產效率。但是熱等靜壓過程中，TiAl合金粉末和鋼制包套交界處會發(fā)生強烈互擴散行為，使合金基體內孔隙率增高，構件的表面質量降低，還造成了局部尺寸的不確定性。同時，因制備工藝參數(shù)的影響，熱等靜壓件內部可能存在組織缺陷，降低材料力學性能。因此，未來熱等靜壓工藝的研究應著重于控制TiAl合金粉末與包套的擴散反應，以及開展粉末熱等靜壓技術與材料制備工藝結合應用研究。

2.2 放電等離子（Spark Plasma Sintering，SPS）制備TiAl合金材料

放電等離子燒結是通過脈沖放電及瞬時高溫場實現(xiàn)材料致密化的快速燒結技術。與傳統(tǒng)的熱等靜壓技術（HIP）和熱壓燒結等方法相比，其升溫速度快、燒結時間短、制備成本低，并且能夠通過自調節(jié)機制提高材料的力學性能[23-24]。

目前，關于TiAl合金燒結的大部分研究主要集中在優(yōu)化SPS燒結溫度、燒結壓力、加熱速率、脈沖電流等工藝參數(shù)以及向合金粉末中添加增強相。楊鑫等[25]通過使用SPS技術分別在1150 ℃、1200 ℃和1250 ℃下進行燒結實驗，并且發(fā)現(xiàn)在燒結溫度在1200 ℃時可以制備出具有相對密度99.2%的致密燒結體，且燒結體顯微組織呈現(xiàn)均勻一致。宋曉艷等[26]通過SPS加壓實驗發(fā)現(xiàn)，隨著燒結壓力的增大，合金會產生塑性變形，并且孔隙中的空氣被大量排出，致密度大幅增加。但壓力超過一定值時，燒結體的致密度出現(xiàn)降低的情況。趙海峰等[27]通過實驗發(fā)現(xiàn)SPS特殊的脈沖電流能夠促進合金內的物質遷移，低溫快燒可以有效抑制晶粒的長大和促進合金組織均勻化。Martins等[28]發(fā)現(xiàn)通過SPS燒結制備TiAl合金時，燒結溫度高于1200 ℃后，表面TiC層的存在抑制了合金微觀結構的蠕變應變速率，從而抑制了合金組織的均勻化。

陳鈺青等[29]在SPS燒結TiAl合金時，通過添加不同含量TiB2降低了合金快速致密化的起始溫度。如圖8所示，合金粉末在1200 ℃、40 MPa、10 min條件下燒結，當TiB2添加量為0.2%時，其顯微組織呈現(xiàn)較高均勻化且晶粒細小，合金室溫強度較高。但是，當TiB2含量增加至0.7%時，燒結體出現(xiàn)了明顯的裂紋。

圖8 不同TiB2含量γ-TiAl基合金粉末在1200℃燒結后截面形貌[29]（BSE）（10 min，40 MPa）

由上述研究可以看出，通過優(yōu)化燒結壓力、燒結溫度可以一定程度提高TiAl合金粉末燒結致密化。通過添加適量的第二相粉末也顯著改善合金性能，但含量過高會導致其發(fā)生組織轉變和晶粒粗化的現(xiàn)象，不利于合金性能的提高。

2.3 金屬粉末注射成形（Metal Powder Injection Molding，MIM）制備TiAl合金材料

金屬粉末注射成形是在加熱狀態(tài)下將混合粉末與有機黏結劑均勻混合并用注射成形機將其注入模腔內冷凝成形，然后用化學溶解或熱分解的方法將成形坯中的黏結劑脫除，最后經燒結致密化而獲得制品[30]。該工藝具有設計自由度大、成形能力好、材料性能優(yōu)良、制品表面光滑、適用材料廣泛及生產成本低等優(yōu)勢[30-31]。

Kim等[32]通過MIM制備了相對密度為98.8%的Ti-48Al合金，由于原料粉末含氧量較高及黏結劑與TiAl基體之間的反應，導致合金室溫延展性較差。Gerling等[33]發(fā)現(xiàn)MIM制備TiAl合金時，合金明顯吸收了氧、碳、氮元素。與粉末顆粒相比，鑄態(tài)合金中氧元素含量增加了1000 μg/g，當合金材料中氧含量超過1600 μg/g時，會導致材料明顯脆性行為，以及殘留孔隙的嵌套現(xiàn)象。因此，MIM技術對于黏結劑的選取、燒結參數(shù)及其他元素含量的確定都有著較高的要求。并且，MIM工藝在脫脂和燒結過程中，合金極易產生缺陷，所以MIM制備TiAl合金的工藝還需要進一步改進[34]。

Zhang等[35]采用MIM工藝制備了成分為Ti-45Al-8.5Nb-0.2W-0.2B-0.02Y的高鈮TiAl合金零件，發(fā)現(xiàn)最佳燒結參數(shù)為溫度1480 ℃，保溫2 h。燒結溫度過高、時間過長都會造成合金性能缺陷。張晨銘等[36]將E型三元乙丙橡膠作為改性劑加入石蠟-油-聚丙烯黏結劑體系中，使得生坯抗沖擊能力提高，并且溶劑脫脂時間縮短至3 h，有效地改善了MIM工藝。

MIM技術制備TiAl合金材料存在主要問題包括：1）MIM技術需要大量的黏結劑，所需成本太高；2）大尺寸構件注射成形所需要的時間增長，對黏結劑的流變特殊性能的要求較高[37-38]；3）MIM工藝存在原始合金粉末在原料制備、脫脂和燒結過程中會受到氧氣和黏合劑體系的污染等缺陷。因此，黏結劑的少量化、多樣性，脫脂途徑和材料的多樣化，黏結劑配方的改善都是目前MIM技術制備TiAl合金材料發(fā)展的方向[39]。

2.4 反應燒結制備TiAl合金材料

反應燒結工藝一般是指將合金元素粉末按一定比例進行混合均勻，待合金材料固結、成形之后再進行燒結的工藝方法。Wang等[40]提出Ti粉和Al粉反應燒結過程分為以下3個階段：

由上述公式可以看出，反應燒結制備TiAl合金過程中的重要階段是Ti粉和Al粉發(fā)生反應，該過程有TiAl3及TiAl2中間相的生成。Andrea等[41]闡述了Ti-Al系統(tǒng)中相的形成機制，在Al熔點的溫度下，Al粉和Ti粉的顆粒反應直接形成TiAl3相，并且由于其熱力學和動力學特征該相優(yōu)先形成，然后TiAl相與鈦發(fā)生反應生成Ti3Al 相，最終TiAl2與Ti3Al相反應生成TiAl。同時，發(fā)現(xiàn)更高溫度會改變反應機制，化學反應速率也會影響反應過程。

反應燒結制備的TiAl合金制件通常還需進行熱等靜壓加工，以消除殘留的孔洞，提高合金致密度[42-43]。該工藝的優(yōu)勢在于：1）燒成的制品尺寸幾乎不變化，避免后期精整工序；2）反應燒結速度快。反應燒結工藝存在的問題有：1）反應燒結易受環(huán)境因素影響，Ti、Al粉末在反應過程中若受到空氣中的O、N、H等元素的影響，則會出現(xiàn)體積膨脹現(xiàn)象，采用真空燒結或熱等靜壓處理，也難以使材料完全致密化；2）傳統(tǒng)冷擠壓變形方法無法細化Ti、Al組元尺寸，必須采用超高擠壓法，實際應用成本偏高。

改善反應燒結工藝可以提高材料性能。Wang等[40]通過利用冷擠壓-反應燒結工藝制備TiAl基合金，并且通過擠壓工序提高了Ti、Al元素粉末的純凈度，細化了粒徑尺寸，從而提高了所制備TiAl基合金材料的致密度。Sarkar等[44]通過添加不同的氧化物作為燒結助劑的反應燒結來預合成化學計量尖晶石，發(fā)現(xiàn)含有燒結助劑所制備的尖晶石致密度更高，并且TiO2作為燒結助劑時，材料致密度最好。Andrea等[41]通過在合金粉末中添加Si元素，并且在900 ℃下反應燒結30 min，制備出具有可減小孔隙率的Ti-Al-Si塊狀中間相，提高了合金的致密度，并且在反應燒結過程中通過感應加熱進一步降低了孔隙率。

熱等靜壓和反應燒結工藝都存在燒結體孔隙率高、致密度較低的現(xiàn)象。放電等離子燒結中的脈沖電壓工藝及金屬粉末注射成形工藝中黏結劑的存在都會對燒結體的致密度產生積極的影響。因此，與較為傳統(tǒng)的熱等靜壓及反應燒結工藝相比，放電等離子燒結和粉末注射成形工藝對于TiAl合金的制備更有利。

3 TiAl基合金性能改善方法

3.1 提高TiAl基合金高溫抗氧化性

TiAl基合金在空氣中僅在750～800 ℃內能保持較高的高溫使用性能，一旦暴露到高溫環(huán)境中，則會迅速生成TiO2和Al2O3氧化物。隨著TiO2的氧化皮脫落會導致TiAl基合金的連續(xù)氧化行為，從而降低了合金的高溫使用性能和使用壽命。為了進一步提高TiAl基合金在高溫下的使用性能，向TiAl基合金中添加β相穩(wěn)定元素是一種行之有效的方法[45]。如表1所示，與傳統(tǒng)TiAl合金相比，高Nb-TiAl合金中Nb元素的添加大大改善了合金的性能，合金的屈服強度、韌性、使用溫度等方面都有著比較高的上限，其密度也明顯較高，從而提高了TiAl基合金應用范圍。

Banumathy等[48]將Ti-45Al-2Cr-7.5Nb-0.3B、Ti-45Al-2Cr-10Nb-0.3B與標準γ合金Ti-48Al-2Nb-2Cr在900 ℃環(huán)境下氧化200 h研究Nb元素含量對抗氧化行為的影響。發(fā)現(xiàn)Nb元素含量較高時，同時具有較高價態(tài)的Nb5+，從而使得合金中的氧元素擴散率降低，提高了合金的抗氧化性。陳國良等[49]通過實驗對比了高Nb-TiAl合金和普通TiAl合金在經過1050 ℃下暴露30 h后，并且保溫在900 ℃下合金的屈服強度及微觀組織變化。如圖9所示，普通TiAl合金晶界區(qū)域粗化現(xiàn)象嚴重，而高Nb-TiAl合金的組織穩(wěn)定，且高Nb-TiAl合金屈服強度要明顯比普通TiAl合金高。Varma等[50]認為Nb元素可以提高Al元素的熱力學活性，促進Al2O3膜優(yōu)先生成，從而改善了TiAl合金的抗氧化能力。Rakowski等[51]認為Nb元素的加入促進了合金的氧化膜與基體界面處生成TiN化合物，阻礙了Ti和O元素的擴散，抑制了合金的氧化，使得高Nb-TiAl合金抗氧化性明顯比高于普通TiAl合金。然而，Wei等[52-53]研究認為Nb元素的添加，使得合金的氧化膜與基體界面處發(fā)生Nb相聚集，延緩了Al2O3、TiO2的生成，從而改善了高Nb-TiAl合金抗氧化性能。

圖9 TiAl合金高溫屈服強度[49]

此外，研究表明添加其他β相穩(wěn)定元素也可改善合金的高溫氧化行為。Li等[54]研究了在900 ℃等溫環(huán)境中用P元素進行晶粒細化來改善高Nb-TiAl合金氧化行為，發(fā)現(xiàn)添加P元素增強了氧化皮的抗剝落性，從而提高了Ti45Al8Nb合金的高溫抗氧化性。Pan等[55]通過在900 ℃空氣中對TiAl-Co合金進行100 h的高溫氧化測試來探究添加Co元素對TiAl合金高溫抗氧化性的影響，發(fā)現(xiàn)添加Co可以增強TiAl合金中氧化皮的抗剝落能力，提高TiAl合金的高溫抗氧化性。Pan等[56]還研究了將Sn元素加入到合金中高溫氧化行為，發(fā)現(xiàn)Sn元素的添加會形成Ti3Sn層對氧氣的進入有抑制作用，顯著提高了TiAl合金的高溫抗氧化性。Jiang等[57]發(fā)現(xiàn)當合金中Si元素含量大于3%時，合金氧化后會在Ti5Si3相上形成TiO2，但隨著Nb元素的增加會抑制合金上Ti5Si3相和Ti5Si3相上形成的TiO2的生成，從而提高TiAl基合金的抗氧化能力。

Nb等β相穩(wěn)定能夠抑制合金氧化膜的形成和氧化皮脫落速度，從而提高合金的抗氧化能力。將不同種類的β相穩(wěn)定元素按照合適的比例加入合金中，對合金的性能也有著非常顯著的改善效果。所以，在高Nb-TiAl的基礎上添加其他β相穩(wěn)定元素來進一步改善合金性能是未來改善TiAl基合金抗氧化性的主要發(fā)展方向之一。

近年來，含Ti2AlC相的TiAl基合金復合材料被研究人員逐漸開發(fā)，含Ti2AlC的TiAl基復合材料因其密度更低、熱膨脹系數(shù)相近等優(yōu)異性能，被視為增強TiAl基合金性能的一種很有發(fā)展?jié)摿Φ脑鰪姴牧?。Ti2AlC相的層狀晶體結構是由強Ti-C鍵和弱Al-Ti鍵構成，因此該相同時具有高剛度、低熱膨脹的優(yōu)異陶瓷性能和表現(xiàn)為良好可塑性的優(yōu)秀金屬性能。因此Ti2AlC相已成為目前改善TiAl基合金的性能最具發(fā)展?jié)摿Φ脑鰪姴牧稀?/p>

Wang等[58]采用SPS燒結工藝制備Ti2AlC/TiAl復合材料后，通過在850 ℃氧化6000 min后發(fā)現(xiàn)，含有Ti2AlC顆粒的TiAl基合金復合材料比普通TiAl合金抗氧化性顯著提高。并且后續(xù)分析正是Ti2AlC顆粒抑制了O原子的擴散，使氧化層變薄，降低氧化速率。Ma等[59]同樣通過放電等離子燒結，控制燒結TiAl合金時石墨烯的添加量來使反應過程中α2-Ti3Al與γ-TiAl的界面處析出微納米Ti2AlC相，成功利用Ti2AlC相來增強TiAl復合材料。Liu等[60]通過火花等離子體燒結制備了具有完全層狀微觀結構和均勻分散的Ti2AlC納米沉淀物的TiAl納米復合材料。通過后續(xù)試驗發(fā)現(xiàn)原位Ti2AlC沉淀物及其周圍基質之間的半同界面在等溫氧化過程中充當氧擴散屏障，從而提高了TiAl基合金的抗氧化性。同時，由于在半同界面上的釘扎效應和納米級的TiCr2沉淀，使得TiAl納米復合材料的使用溫度提高了50 ℃。圖10為復合材料與TiAl合金經過10 h、850 ℃的等溫氧化測試后的橫截面微觀組織。由圖可以看出，TiAl合金中的氧化物與基體界面處存在許多氣孔，其可以充當氧擴散通道并促進氧化反應。而在復合材料中，基體下方的氧化物層整體致密。由此看出TiAl合金復合材料的抗氧化性明顯高于普通TiAl合金。

圖10 樣品的橫截面SEM顯微照片[60]

3.2 改善TiAl基合金室溫脆性

TiAl合金本身的脆性及較差的室溫塑性變形能力制約著TiAl基合金的使用，在室溫下的難加工性阻礙著TiAl基合金的應用。影響TiAl合金室溫脆性的因素有[61]：1）室溫下位錯運動；2）合金內部的原子尺寸和鍵合強度；3）晶界上雜質偏聚；4）孿晶變形程度。

目前有效改善TiAl合金室溫脆性的方法主要有：1）合金化、微合金化；2）改善加工環(huán)境（降低環(huán)境中氫、氧等元素對合金的影響）。

Hu等[6]研究發(fā)現(xiàn)B元素添加到TiAl基合金中能夠有效地細化鍛造和鑄造材料晶粒尺寸，當合金內部形成晶粒細小且分散的TiB2沉積物時，TiAl合金的室溫塑性有著明顯的提高。Kim等[62-63]通過研究TiAl基合金單、雙相的性能，發(fā)現(xiàn)單相TiAl合金具有良好的抵抗環(huán)境脆性的能力，但是其塑性和韌性比雙相合金低。Oh等[64]通過研究多晶組織發(fā)現(xiàn)多晶樣品的延伸率在空氣中約為2%，而在真空中為5%。在真空中拉伸，即使應變速率為0.002 /s，延伸率也高達56%，而在空氣中拉伸延伸率只有真空中的1/3，表明環(huán)境脆性對合金的拉伸性能有著很大的影響。Xu等[65]通過實驗發(fā)現(xiàn)向高Nb-TiAl合金中注入V元素可以有效改善TiAl合金的脆性。Li等[66]利用熱等靜壓燒結工藝，加工出一種新型TiAl/WC 納米復合材料。通過控制納米WC在TiAl中的含量調整晶粒結構及晶粒尺寸，該新型復合材料具有較高的強度和延展性。Tan等[67]通過電弧熔煉制備工藝獲得了含有不同含量SiC的TiAl/SiC復合材料，探究表明當SiC含量達0.5%時，合金的壓縮應變顯著提高，室溫塑性得到改善。Liu等[68]以Ti、Al和石墨烯片狀粉末為原料，通過SPS燒結與熱處理工藝制備出具有微納層狀結構的TiAlC/TiAl復合材料。并且通過后續(xù)的測試發(fā)現(xiàn)該材料在室溫下的延展性達到了25.5%，顯著改善了TiAl基合金的室溫脆性。

采用傳統(tǒng)工藝改善材料本身性能（引入增強相、改善加工環(huán)境）的方案雖然有效，但是其工藝所帶來的副作用也不容忽視，例如合金本身的高強度等性質受到影響及加工實施的難度高等問題。近年來興起的Ti2AlC/TiAl及其它陶瓷材料與TiAl合金復合材料開發(fā)，不僅提高了TiAl基合金的抗氧化性、室溫可塑性，對于TiAl合金復合材料的顯微硬度、抗壓強度、彎曲強度、斷裂韌性都有著顯著的改善，因而獲得了廣泛的關注，有著很大的研究空間。

4 結論

TiAl合金作為一種輕質耐高溫結構材料，具有高熔點、低密度、高彈性模量、良好的高溫強度、較強的阻燃能力和高溫使用性能等優(yōu)勢。隨著對TiAl合金性能的不斷探索與改善，TiAl合金在抗氧化性、室溫可塑性、力學性能等方面都有著顯著提升。其目前廣泛應用于航天發(fā)動機葉片、輪盤、機身，以及汽車發(fā)動機等領域，顯著減輕了零部件的質量，實現(xiàn)了節(jié)能、減排的顯著效果。粉末冶金工藝制備TiAl合金能夠控制合金成分、獲得均勻細小的組織，從而避免疏松和成分偏析等鑄造缺陷，現(xiàn)已成為TiAl合金成形技術的重要研究方向。目前，通過提高工藝水平改善了TiAl合金的性能，并且TiAl合金復合材料的開發(fā)，提高了TiAl基合金的力學性能，改善了其抗抗氧化性及室溫脆性，拓寬了TiAl基合金的應用。但是在制備合金過程中也存在產生雜質、生產成本高等問題。同時，TiAl合金仍然存在難加工性，這給TiAl合金的實際生產與應用提出難題。因此，提高成形工藝穩(wěn)定性、減少成形過程中雜質的引入、開發(fā)TiAl基合金復合材料、改善合金成形過程中的缺陷都將成為未來TiAl合金開發(fā)的重要研究方向。