轻质高温TiAl金属间化合物合金及其制备加工的科学技术基础

1、项目名称：轻质高温TiAl金属间化合物合金及其制备加工的科学技术基础首席科学家：林均品 北京科技大学起止年限：2011.1至2015.8依托部门：教育部1 / 38二、预期目标1总体目标：获得新型轻质高温TiAl合金及其制备与加工技术基础，促进其产业化和应用，满足国家经济和社会发展对轻质高温材料的重大需求。即采用低密度的新型高温材料替代现有的高温合金，以降低重量；另一方面采用新型轻质高温材料可以大幅度降低燃料消耗。发展新型轻质高温材料可以大幅度提升我国民用工业和航空航天等工业的水平，有效减少能源消耗、实现社会可持续发展。在高温TiAl合金设计理论基础及强韧化机制、高温TiAl合金凝固过程组织及

2、缺陷的调控机制、高温TiAl合金粉末冶金制备过程的流变塑变理论、针对金属间化合物特性建立性能表征方法和评价体系研究上获得突破。 在此基础上，发展和形成高温TiAl合金材料制备与成形加工整套技术的科学基础，主要包括：高温TiAl合金不同使用条件下材料成分和组织优化，高洁净度铸锭的制备新熔炼技术基础、铸锭的热加工新技术、部件熔模精密铸造特殊技术、冷坩埚定向凝固新技术、高性能粉末冶金板材的新技术。同时制备出各种全尺寸样件，为进一步向部件性能测试试验发展打下基础。以铸造叶片为重点，突破从小试样到批量生产的瓶颈关键技术基础。针对铸造、热变形和粉末冶金三类加工技术发展的高温TiAl合金的材料成分范围为：T

3、i-（44-46）Al - （6-9）Nb-（0 -2.5）W, B, Y, Mn （这些元素都是微量元素，只有Mn可高到2.5）对于铸造合金：Nb 含量取低限，添加B（稍高含量）、Y 和Mn等；对于变形合金：Nb 含量取中间值，添加W、B（较低含量）、Y等；对于粉末冶金板材：Nb 含量取高限，添加W、Y，Mn等。高温TiAl合金使用温度达到900 ，900 的抗氧化性按航标达到抗氧化级，对于三种典型部件：铸造叶片样件: 尺寸为长350-400mm、宽50-70mm 900 强度达到450 MPa，室温拉伸塑性1-2%；锻件: 尺寸为直径400-600mm、厚50-100mm900 强度达到4

4、00 MPa，室温拉伸塑性大于2%；粉末板材：宽度400-500mm、厚1-2mm；900 强度达到400 MPa，室温拉伸塑性2-3%。研究成果将发表高水平学术论文200篇以上，申请国家发明专利20项以上，国家和省部级科技成果奖3项以上；培养优秀青年科技人才15人以上，造就一支高水平的具有创新与攻坚能力的研究队伍，形成优秀创新群体；建设本领域高水平的基础研究和技术创新基地。2五年预期目标：通过系统深入的研究，构建高温TiAl金属间化合物材料理论和制备加工理论基础，在精密铸造等形成关键示范技术，实现总体预期目标。具体内容包括：（1）高温TiAl合金成分-组织-性能设计和优化原理揭示针对高温下使

5、用和具体制备加工技术的、多组元高温TiAl合金的相关系和强韧化机制，获得高温TiAl合金设计和优化原理。揭示高温TiAl合金多相有序结构的动态回复和动态再结晶规律。（2）高洁净度、均质大尺寸TiAl合金铸锭的熔炼和加工科学基础 建立等离子冷床熔炼高温TiAl合金的均质化和纯洁度控制方法，揭示熔炼工艺路线和工艺参数对铸锭夹杂物去除效果及成分组织均匀性的影响规律。探索出适合高温TiAl合金型材的均质、纯净的大尺寸铸锭制备技术；通过高温TiAl合金包套挤压结合等温锻造工艺细化和均匀化组织，通过增加高温相提高热变形能力，从而研制出组织均匀细小的大尺寸挤压棒材、锻造饼材、板材。（3）高温TiAl合金熔模

6、铸造关键科学技术基础通过Nb、Al含量控制避免包晶相变以减少偏析和细化组织；揭示高温TiAl合金在多场作用下铸造充型特性、壁厚效应以及熔体与型壳反应形成表面硬化层的规律，形成细晶铸造并有利于减少糊状区的变质处理及流场控制技术，建立以铸造为成形工艺路线的高温TiAl合金优化设计基础，掌握铸件冶金质量及表面硬化层的控制方法。（4）高温TiAl合金冷坩埚定向凝固新技术基础开发出冷坩埚定向凝固高温TiAl合金大尺度坯锭的成分优化与冶金行为控制技术，阐明合金定向凝固坯锭的凝固组织演化规律；建立高温TiAl合金定向凝固坯锭的凝固组织及凝固缺陷的演化模型；揭示定向凝固合金的力学性能与定向组织状态的相关性，建

7、立高温TiAl合金典型构件的定向凝固成形的理论基础。（5）高温TiAl合金板材的粉末冶金及轧制新技术基础研究通过添加相稳定元素和高Nb合金化制备出的含高比例相的高温TiAl合金粉末，促进其后续轧制的热变形能力，保证大变形量大尺寸板材的制备；建立粉末冶金合金致密化过程微缺陷形成和控制理论，在应力场、温度场、速度场及外在约束等多场耦合作用下，板材轧制过程中的精确变形流动理论。建立从合金粉末-热等静压致密化-热机械处理-包套轧制制备大尺寸TiAl合金板材的完整的技术原型。（6）高温TiAl金属间化合物材料使用性能表征和评价确立高温TiAl合金安全服役条件下的力学性能控制参量和应用阈值范围，揭示组织类

8、型和微观缺陷对合金裂纹萌生和扩展的影响规律，揭示合金损伤容限性能与微观组织的关系，建立具有工程应用价值的寿命评估方法和损伤容限参量设计准则，促进合金在航空、航天及其他领域的工程化应用。三、研究方案1学术思路： 本项目在具有国际领先水平和自主知识产权的高Nb-TiAl合金的成分-组织-性能关系研究成果的基础上，发展针对航空航天发动机应用的高性能高温TiAl合金及其制备加工技术。研究材料集中在一类合金上，避免了研究目标的分散。通过研究高温TiAl合金成分-组织-性能关系和设计理论基础，主要包括合金元素NbAl上下限、微合金化元素的添加原则，为不同的制备和加工技术提供优化的合金成分和组织设计原则；强

9、韧化机制的建立，为基本保持强度指标的前提下，提升高温TiAl合金的室温塑性和韧性打下基础。通过研究高温TiAl合金熔炼和凝固过程的热力学与动力学理论，解决合金高洁净度熔炼的成分组织均匀性、精密铸造过程合金熔体充型及铸造组织和缺陷控制和定向凝固过程中的取向控制提供理论基础。通过高温TiAl合金多相有序结构动态复原机制、热变形本构关系数学模型和热变形抗力图的研究，为变形合金的热挤压、等温锻造、轧制技术研究提供理论基础，解决高温TiAl合金热加工关键技术。 通过高温TiAl合金粉末冶金制备过程的流变塑变理论的研究、揭示粉末冶金合金制备过程中的缺陷形成和控制原理，以及对热加工行为的影响，为粉末冶金高温

10、TiAl合金轧制技术提供保障。针对金属间化合物特性建立高温TiAl合金性能表征方法和评价体系，对于整个课题涉及的制备加工技术提供的合金性能评估分析方法和标准，确保建立统一的性能数据库，为高温TiAl合金应用设计准则的建立提供数据支撑。整个项目的研究围绕三个关键科学问题，研究内容相互联系紧密，研究体系完整，有利于解决关键技术，发展和形成高温TiAl合金制备与成形加工的技术原型。由于高温TiAl合金比普通TiAl合金的制备与成形加工难度大，因此制备与成形加工的技术原型也基本适合普通TiAl合金。 2技术途径：具体技术路线见图1 所示。合金材料体系的发展重点采用高Nb合金化提高高温条件下使用温度和抗

11、氧化性，Nb和Y交互作用提高长期高温抗氧化性；精密铸造合金的成分设计拟适度降低Nb含量，以减低成分偏析，添加Mn等提高铸造性能和提高室温塑性，添加B和Y细化组织；粉末板材的合金设计适度提高Nb含量，满足航天高马赫数飞行的恶劣环境，提高使用温度和抗氧化性。拟采用等离子冷床熔炼技术结合真空自耗熔炼达到均质化和高纯洁度冶炼，突破适合高温TiAl合金型材的均质、纯净、大尺寸铸锭制备。通过熔体与型壳反应形成表面硬化层的规律探索型壳材料的选择和优化；采用计算模拟和试验研究结合，解决多场耦合作用下高温TiAl合金精密铸造过程充型问题；将控制液固相变路径得到相凝固过程与变质处理相结合，降低偏析和细化铸态组织，

12、以提高综合力学性能。电磁冷坩埚定向凝固技术将合金连续熔化、电磁约束成形和连续凝固过程统一制备高纯净高温TiAl合金，避免了常规定向凝固造成的型壳反应和污染，揭示多外场耦合作用下冷坩埚定向凝固过程控制机理。通过增加相提高高温TiAl合金热变形能力、利用热挤压工艺结合等温锻造的热加工工艺，加大首次变形量，以达到细化铸态组织、提高变形高温TiAl合金综合力学性能的目的。拟采用添加相稳定元素和高Nb合金化制备出的含高比例相的预合金粉末为原料，促进后续热变形能力，通过热等静压，热机械处理和包套轧制制备大尺寸高性能高温TiAl合金板材。控制氧、氮及其它杂质的含量，完全消除微孔和微偏析等缺陷。针对高温TiA

13、l金属间化合物建立安全服役条件下的力学性能控制参量和应用阈值范围，建立具有工程应用价值的损伤容限参量设计准则，为合金在航空、航天及其他领域的工程化应用提供有力的技术支持。高温TiAl成分组织设计熔炼和铸造 热塑性变形粉末冶金 冷坩锅定向凝固 冷坩锅感应熔炼 等离子熔炼 凝固过程数值模拟 细化晶粒 预合金粉组织和相选择规律全致密化等温锻造挤压模壳制备 板材轧制 包套轧制成形晶体生长择优取向 薄壁铸件 超塑成形 超塑成形 成分组织、缺陷分析及控制 性能表征与评价方法 合金制备与加工的关键技术基础图1 项目的具体技术路线3创新点与特色： 把具有原始创新的高温TiAl合金开拓性研究工作推向解决针对我国

14、航空航天重大工程需求的应用基础研究；把我国航空航天发动机用高温结构材料系列，高温Ti合金®Ni基高温合金，发展成为：高温Ti合金®高温TiAl合金®Ni基高温合金，成为发动机减重新途径。特色是在解决高温TiAl合金的发展上提出了高Nb合金化的创造性思想，通过高Nb合金化大幅度提高TiAl合金的高温力学性能和高温抗氧化性，达到提升航空航天发动机使用温度的目标。高Nb合金化引领了国内外TiAl合金的发展方向，具有我国的原创性。另一方面，从解决共性理论出发，强调围绕成分组织设计熔炼凝固铸造粉末冶金-变形等较全面的精密热成形技术进行研究，各个课题间相互有机结合，形成互相关

15、联的整体。主要创新点如下：（1） 高Nb合金化通过连续有序化，显著提高了合金熔点；高Nb合金化通过改变表面氧化层结构、提高Al2O3比例等因素极大提高了TiAl合金的高温抗氧化性，与镍基高温合金相当；（2） 通过高Nb合金化和适量其它相稳定元素，达到扩大相相区，把液相和相的包晶相变区推向高Al方向移动；调控Al含量有利于得到高温TiAl合金相凝固过程，达到提高熔点和细化组织的目的；（3） 通过等离子冷床熔炼技术实现高温TiAl合金的均质化和高纯洁度冶炼，突破适合高温TiAl合金型材的均质、纯净、大尺寸铸锭制备及热加工技术；（4） 综合高温TiAl合金在多场作用下的铸造充型特性、壁厚效应以及熔体

16、与型壳反应形成表面硬化层的规律，研究可有效提高其铸件冶金质量、抑制表面硬化层生成的技术基础；将高温TiAl合金成分对液固界面生长以及液固相变路径选择的作用与变质处理相结合，建立以铸造为成形工艺路线的高温TiAl合金优化设计基础；（5） 以冷坩埚定向凝固新技术制备高纯净高温TiAl合金，避免了常规定向凝固造成的型壳反应和污染，揭示多外场耦合作用下冷坩埚定向凝固过程控制机理；（6） 采用预合金粉末包套轧制途径，制备大尺寸高性能高温TiAl合金板材；通过添加相稳定元素和高Nb合金化制备出含高比例相的高温TiAl合金粉末，促进其后续轧制的热变形能力；（7） 确立高温TiAl合金安全服役条件下的力学性能

17、控制参量和应用阈值范围，建立具有工程应用价值的损伤容限参量设计准则，为合金在航空、航天及其他领域的工程化应用提供有力的技术支持。4取得重大突破的可行性分析：研究工作基础本项目围绕一种具有国际领先水平、有我国自主知识产权的高温TiAl合金展开，目标集中，避免了研究目标过于分散造成研究工作缺乏深度。已经完成了高Nb-TiAl合金基础成分-组织-性能关系和实验室级别的制备加工技术研究，为本项目的顺利进行打下了良好的基础。 通过围绕本项目提出的三个关键科学问题的突破，解决高温TiAl合金制备与成形加工的关键技术，发展和形成高温TiAl合金制备与成形加工的技术原型。这些都是国内外TiAl合金制备、成形与

18、加工领域的研究热点及前沿，符合国家中长期科技发展规划纲要的重点支持方向，符合国家保护环境、节能降耗的可持续发展方针。国内在金属间化合物合金的研究与应用也己取得了许多突破性进展，IC10合金己在某型航空发动机取得应用，TAC-2在某型主战坦克发动机上通过寿命考核，TiAl合金板材也列入航天科技工程首批试验材料。针对更高推重比12 -15、大型飞机和高马赫数飞行器需求的高温TiAl合金已有开创性材料开发成果，在大量的合金制备、加工技术实践中充分暴露了问题，且对这些问题有了基本的认识。 本项目结合了国内TiAl 合金制备和加工领域优势单位，发挥各单位在该研究方向上的专长。北京科技大学是高温TiAl合

19、金的发明单位，在合金基础成分-组织-性能关系和实验室级别的制备和热加工方面研究基础深厚。哈尔滨工业大学在合金熔炼、精密铸造、冷坩埚定向凝固、高温塑性变形、异种材料连接等方向上有深厚的研究基础，已针对TiAl合金的共性问题，从不同学科角度进行学科交叉和学科融合，开展了精密热成形技术的研究工作，在技术层面上已经取得了多项创造性的研究成果；中南大学在粉末冶金等方向上在国内处于领先地位，一直在对粉末冶金TiAl基合金进行研究，在2000年左右开始快速发展，特别是在高质量粉末和坯体制备方面，取得了不少成果，主要包括：采用元素粉末冶金方法制备与锻造材料力学性能相当的坯体，室温延伸率达到1.5%，阐明了元素

20、粉末反应合成TiAl基合金的机理以及相关的致密化原理。制备出了TiAl基合金发动机气门，在现场试验中表现出优异的性能。西北工业大学长期从事Ti及Ti合金、TiAl合金、高温合金等材料冶金、精密铸造、稀有金属材料先进塑性成形技术等的研究与开发，近年来先后承担了数十项国家基础研究和国防型号研制任务。在国际上率先提出液固界面非平衡溶质再分配的概念及相关函数关系；在亚快速定向凝固及组织超细化、高温合金和稀土永磁合金的凝固组织与性能方面进行了开创性研究，获得性能提高数倍的超细胞/枝晶定向组织。并将这些理论研究成果应用于对各种金属材料的凝固过程模拟、金属单晶晶体生长热力学和动力学模拟、合金相组织模拟、三维

21、晶体取向控制、合金性能及服役性能等方面的研究。近年来在相关现代凝固理论过冷熔体及溶液法生长、定向凝固、快速凝固、半固态凝固以及激光快速熔凝等方面已取得了阶段性研究成果，其中部分成果居于国际先进水平。西北有色金属院长期从事Ti合金和TiAl合金研究，具有丰富的知识积累, 特别是在高Nb-TiAl合金熔炼的均匀化上有突出的研究成果。钢铁研究总院自1987年起在国家863高技术新材料研究计划支持下开展TiAl等金属间化合物基高温材料的研究，车用增压涡轮、航空发动机用涡流器和航天用TiAl合金可逆涡轮转子等部件己进入应用研究。其中，铸造TiAl合金增压器涡轮于2003年11月实现了国内自主研制的TiA

22、l合金发动机热端转动部件试车考核“零”的突破，通过与镍基高温合的对比试验表明，应用这种轻质材料可使大型柴油机的加速响应性提高35%以上、且可显著降低排放烟度和油耗。基于装配主机完成的包括500小时寿命试验的多项考核结果良好和其减重所产生的技术推动效果明显，己被列为某型发动机的正选增压器涡轮材料。通过这些需求牵引的TiAl合金研究，钢铁研究总院己对这种轻质高温材料的性能和工艺特点有了较深入的认识，尤其是在国防型号技改支持下建立起了铸造工艺实验室和中间试验平台，可作为本申请项目的重要支撑条件钢铁研究总院积累了较丰富的TiAl 合金增压涡轮精密铸造材料和工艺研究经验，形成了较强的TiAl 合金材料研

23、究和工艺实验技术力量。北京航空材料研究院航空材料检测研究中心长期进行材料的力学性能测试及行为表征研究工作，具有雄厚的技术力量并拥有多种先进的高温及常温材料试验机和其他仪器设备。在“七五”和“八五”期间，针对发动机FWP14的研制，编辑、出版了航空发动机设计用材料性能数据手册第一、第二册，2008年出版了根据FWS10发动机的材料性能数据编写的第三册；在航空推进技术验证计划研制过程中编写的第四册即将出版并利用存量资源创建了发动机材料性能数据库。提供了一定数量的具有置信度、存活率要求的A、B基值和-3值的性能数据，制定了材料力学性能数据表达准则：国军标GJB/Z 18A-2005金属材料力学性能数

24、据处理与表达。在材料的力学性能测试与表征技术的研究方面积累了丰富的经验。研制条件和基地本研究团队拥有的与本项目有关的国家级重点实验室、国家工程（技术）研究中心8个，一个该领域国内最大的基础建设项目：高Nb-TiAl建设平台。北京科技大学新金属材料国家重点实验室的TiAl研究平台，包括中等规模的熔炼和热加工中心、计算中心、专业测试和检测平台。北京航空材料研究院从美国Retech公司引进的国内唯一一台200kg级PAM525等离子束冷床熔炼炉，利用该设备成功制备出了国内最大的高Nb-TiAl合金锭，尺寸F150´900mm、重67kg，铸锭冶金质量良好，成分比较均匀。宝钢股份有限公司拥有

25、国内最先进的大功率等离子冷床炉，可熔炼860mm圆锭、1200´400mm扁锭（2010年投产）；采用先进的等温锻造技术，在万吨液压机上锻造成型国内最大的钛合金精密锻件，锻件尺寸精细、性能优异；国内最先进的6000吨挤压设备（2009年投产）；以及4500吨快锻机，配合以创新的“软包套”保温锻造技术等，保证了大尺寸合金的超纯净、无缺陷材料制备与加工方面的研究工作。上海交通大学、南京理工大学与丹阳市精密合金厂有限公司建立了整套Ti合金和TiAl 精密铸造生产线，同时引入国外TiAl 精密铸造高水平的技术人才，使以后的研究工作有更高的起点，使具备全尺寸件的生产能力。西北工业大学凝固技术国

26、家重点实验室以航空航天为代表领域的国防重大材料技术需求为主要服务对象，以先进材料精确成形为主要技术方向，以科学基础、技术创新和工程化应用的综合集成为主要学术特色，在凝固组织形态的形成规律，多元合金凝固理论方面取得多项得到国内外同行认可的研究成果。拥有1吨、30kg真空自耗电弧炉及相关的3000T液压机、500T液压机、25kg真空感应熔炼炉、真空热处理炉、Ti及TiAl合金冷坩埚熔炼与精密铸造设备等，具备了本项目实施所需的各种设备条件保障。钢铁研究总院是钢铁材料及冶金工艺综合技术的科研院所，研究领域涵盖了以金属材料为主的材料科学与工程、冶金生产流程的工艺及装备技术、分析测试技术和仪器设备以及产

27、品质量控制等方面。先进钢铁材料国家工程研究中心、国家钢铁产品质量监督检验中心、国家钢铁材料测试中心、国家非晶微晶合金工程技术研究中心、国家钢铁物料进出口商品检验室、中国冶金质量体系认证中心均设在该院。高温结构材料是钢铁研究总院的重点研究方向之一，为给我国航空、航天、舰船和兵器等国防工业及国民经济的发展提供高温合金材料基础和技术支撑，己形成了变形高温合金、铸造高温合金、粉末高温合金和金属间化合物四大高温材料体系和研究队伍，建设了涿州粉末高温合金科研生产基地和永丰高温合金产业基地。上述单位研究单位实力雄厚、优势互补，具有明显的产学研结合体，有利于解决高温TiAl合金产业化和应用的关键技术基础。从研

28、究基础、研究人员素质到实验条件均可以满足本项目的研究需要。因此，具备了在高温TiAl合金及其制备和成形加工成形相关理论上取得重大突破的可能性。5 课题之间的关系：本项目集中在高温TiAl合金系列上，围绕轻质高温TiAl的合金设计理论基础及强韧化机制、高温TiAl合金凝固过程组织及缺陷的调控机制、高温TiAl合金粉末冶金制备过程的流变塑变理论科学问题，根据本项目的总体思路和预期目标，设置如下六个课题：（1）高温TiAl合金合金成分-组织-性能设计和优化原理、（2）高温TiAl合金的高洁净度熔炼和加工科学基础、（3）高温TiAl合金熔模铸造关键科学技术基础、（4）高温TiAl合金冷坩埚定向凝固新技

29、术基础、（5）高温TiAl合金板材的粉末冶金及轧制新技术基础研究、（6）高温TiAl金属间化合物材料使用性能表征和评价。课题之间联系紧密，见图2所示。其中第一个课题和第六个课题与其它四个课题的关联性最大，课题1为不同的制备和加工技术提供优化的合金成分和组织设计理论和强韧化机制，提升高温TiAl合金的室温塑性和韧性，以顺利完成项目提出的具体性能指标；课题6为不同的制备加工技术有关的课题提供性能表征方法确保建立统一的性能数据库，为高温TiAl合金应用设计准则的建立提供数据支撑。中间四个课题在合金的熔炼、凝固、成型（成形）、粉末冶金上相互关联和支撑，实现本项目提出的解决高温TiAl合金制备和加工关键

30、科学问题，以发展出高温TiAl合金制备和加工技术原型。高温塑性变形高温TiAl合金优化设计凝固成型 热塑性变形 粉末冶金 大铸锭等离子熔炼 凝固过程及最终凝固组织控制再结晶细晶 致密无夹杂组织 定向组织 等轴晶 组织性能表征及评价预合金粉+全致密化+包套板材轧制熔模精密铸造定向凝固静态再结晶动态再结晶图2 课题之间的关系图课题1：高温TiAl合金成分-组织-性能设计和优化原理研究目标：揭示针对高温条件和具体的制备加工技术下的合金成分-组织-性能关系，主要包括合金元素NbAl上下限、微合金化元素的添加原则、多组元高温TiAl合金的相关系和新型工程合金的强韧化机制、多相有序结构的热形变动态复原机制

31、。主要研究内容：（1） 基于密度函数理论第一性原理的高Nb-TiAl合金设计基础和组成相广义层错能、反相畴界能与孪晶形成能力等晶体缺陷性质，以及合金元素对以上合金的晶体缺陷性质作用规律；（2） 通过热力学计算和试验研究不同Nb含量的多组元高温TiAl合金的准相图、高温不同截面图和其它添加合金元素的影响，揭示多元合金的相变规律和相关系；（3） 在不同制备和加工工艺下，Nb、Al含量对合金成分-组织-性能关系的影响规律，得到其Nb/Al含量的上下限，满足课题提出的性能指标；（4） 微合金化元素的作用规律及添加原则。主要研究W、B、Si等对细化晶粒及片层间距的作用机理和效果；研究Mn、稀土元素对合金

32、铸造性能的影响；研究添加稀土元素改善高温抗氧化性的机制；（5） 研究形变过程中普通位错-超位错-孪晶交互作用，Nb降低层错能对形变和强韧化的影响机制；（6） V、Mo等元素对高温TiAl合金多相有序结构的动态复原过程的影响规律，以提高合金的热加工性能。（7） 高温条件和不同加工方式下高Nb-TiAl合金的高温抗氧化机制。 经费比例：23%承担单位：北京科技大学，上海交通大学课题负责人：林均品，46岁，博士，教授，博导主要承担人员：陈国良，宋西平，孙坚课题2：高温TiAl合金的高洁净度熔炼和加工科学基础研究目标：建立等离子冷床熔炼高温TiAl合金的均质化和纯洁度控制方法，揭示熔炼工艺路线和工艺参

33、数对铸锭夹杂物去除效果及成分组织均匀性的影响规律。探索出适合高温TiAl合金型材的均质、纯净的大尺寸铸锭制备技术；通过高温TiAl合金包套挤压结合等温锻造工艺细化和均匀化组织，通过增加高温相提高热变形能力，研制出组织均匀细小的大尺寸挤压棒材、锻造饼材、板材。主要研究内容：（1） 利用有限元模拟研究高温TiAl合金等离子冷炉床熔炼和真空自耗电弧熔炼过程中热平衡，建立铸锭凝固过程传热、传质及流动的数学物理模型。基于热/动力力学分析，对熔体中异质夹杂的界面反应及其迁移分离的机制进行研究，预测铸锭凝固的宏观、微观偏析和缺陷类型；（2） 研究晶间熔体流体力学、富溶质熔体在凝固枝晶间的流动结晶行为以及溶质

34、分配规律，分析高温TiAl合金熔炼过程熔池中液相流动特征及其受外场的影响，结合对凝固过程中原子扩散、溶质偏聚等所引起的能量障碍的分析，明确铸锭成分分布规律及偏析机制；（3） 通过对高温TiAl 合金的冶金工艺途径和过程参数调控，研究大铸锭合金的偏析、夹杂、缩孔、疏松等冶金缺陷的形成机制及其对综合力学性能的影响规律、熔体流变行为，明确冶金过程纯净化、匀质化机理并提出调控方法；（4） 研究相稳定元素对高温TiAl合金热变形能力的影响，研究热挤压工艺结合等温锻造的热加工工艺对细化铸态组织和综合力学性能的影响；（5） 研究Z参数对组织演变的影响规律，建立热变形过程中宏观参量和材料微观组织演变之间的数学

35、模型、热变形本构关系数学模型和热变形抗力图。利用计算机模拟计算和实验研究热变形参量对合金组织性能的影响规律，建立热加工工艺优化原理；（6） 研究在应力场、温度场、速度场及外在约束等多场耦合作用下热变形包套技术在挤压、等温锻造和轧制中的作用原理，优化热加工工艺参数。 经费比例：18%承担单位：西北工业大学，北京科技大学，哈尔滨工业大学，宝钢股份有限公司课题负责人：常 辉，41，博士，副教授，博导主要承担人员：张来启，陈玉勇，李金山，王宁，杨 昭，孔凡涛课题3：高温TiAl合金熔模铸造关键科学技术基础研究目标：以高温TiAl合金在多场作用下铸造充型特性、壁厚效应以及熔体与型壳反应形成表面硬化层的规

36、律为基础，形成可有效提高高温TiAl合金铸件冶金质量并抑制表面硬化层生成的精铸技术；揭示高温TiAl合金成分对液固界面生长和液固相变路径选择的作用规律，选择变质处理作用明显且相容性良好的变质剂，建立以铸造为成形工艺路线的高温TiAl合金优化设计基础。主要研究内容：（1） 研究离心和反重力铸造过程中高温TiAl合金中Ti及高熔点元素对液固界面生长特性的作用，揭示不同成分范围合金包晶凝固过程中组织和缺陷形成规律及其对铸件可靠性的影响，探索氧、氮等间隙原子对凝固行为的作用及作用机理，依此对铸造高温TiAl合金母合金的成分、间隙元素含量进行优化调整； （2） 以Pro/E复杂结构造型、CA法组织模拟、

37、Ansys有限元计算优化组合计算为基础研究高温TiAl精密铸件软件接口计算问题，通过多场耦合作用下高温TiAl合金精密铸造过程的数值模拟，对柱状晶生长、糊状区形成规律和充型特性进行全面描述；（3） 通过流动性、收缩性等工艺性能试验，分析铸造高温TiAl合金包晶凝固过程中组织和缺陷交互形成规律；通过设计标样和调整铸造参数，揭示精密铸造高温TiAl合金的壁厚效应及可能的调控途径；研究系列变质处理方法的作用以及析出物与基体的物理、力学相容性，进行变质剂优化选择；进而提出综合优化铸造工艺技术的思路；（4） 研究熔体与型壳反应以及热交换对熔体充型流动的阻滞作用，分析高温TiAl合金熔体与铸型表面反应所产

38、生表面硬化层，揭示表面硬化层的形成机制，研究表面硬化层对高温TiAl合金力学性能的影响，探索有利于抑制表面硬化层形成的型壳面层化学组分，以减少其对力学性能的不利影响；（5） 设置不同工艺边界条件制备铸造TiAl合金标样，通过力学性能实验和整体铸件的考核，揭示组织和缺陷对高温TiAl合金铸件可靠性的影响规律，为推动高可靠性铸造高温TiAl合金进入工程应用。经费比例：18.5%承担单位：钢铁研究总院，上海交通大学，丹阳市精密合金厂有限公司，西北工业大学课题负责人：张继，48岁，博士，教授，博导主要承担人员：陆敏，张建伟，王新英，万柏方，张铁邦课题4：高温TiAl合金冷坩埚定向凝固新技术基础研究目标

39、：揭示新型高温TiAl合金在冷坩埚定向凝固条件下的组织、缺陷演变规律；建立相关凝固理论模型，运用对凝固过程的控制，提高该合金的塑性、强度等性能指标，建立该定向凝固组织典型构件的关键成形技术方法。主要研究内容： （1） 研究冷坩埚无污染定向凝固高温TiAl合金的相选择和组织演化规律，定向凝固过程电磁感应加热熔化及凝固界面的控制方法及原理；（2） 合金连续熔化、铸造与定向凝固用多功能冷坩埚系统的电热性能及优化设计；连续定向凝固制备合金锭的冷坩埚电磁感应熔化/凝固成形过程组织随工艺参数变化规律及其优化；（3） 研究高温TiAl合金的缺陷演化热力学及动力学及铸造质量控制。合金表面裂纹形成的热力学及动力

40、学机理及其控制规律；缩孔缩松形成的热力学及动力学机理及其控制规律；成分偏析形成的机理及其控制规律；综合铸造质量的控制方法优化；（4） 高温TiAl合金片层组织的定向热处理过程中组织演化规律及其取向控制。高温平衡相组成及双相钛铝基合金梯度温度场内平衡相组成及分布；（5） 定向凝固高温TiAl合金成分-组织-工艺参数-力学性能之间的关系。经费比例：13%承担单位：哈尔滨工业大学，南京理工大学课题负责人：郭景杰，54岁，博士，教授，博导主要承担人员：傅恒志，陈光，丁宏升课题5：高温TiAl合金板材的粉末冶金及轧制新技术基础研究研究目标：通过添加相稳定元素和高Nb合金化制备出的含高比例相的高温TiAl

41、合金粉末，促进其后续轧制的热变形能力，保证大变形量大尺寸板材的制备；建立粉末冶金合金致密化过程微缺陷形成和控制理论，在应力场、温度场、速度场及外在约束等多场耦合作用下，板材轧制过程中的精确变形流动理论。建立从合金粉末-热等静压致密化-热机械处理-包套轧制制备大尺寸TiAl合金板材的完整的技术原型。形成具有自主知识产权的高温TiAl合金连接技术，实现高温TiAl合金本身及其与其他材料的连接。主要研究内容：（1） 研究相稳定元素和高Nb合金化对高温TiAl合金粉末的非平衡相的结构形成与演化规律影响，得出优化的板材成分组织和设计原则；（2） 研究成分偏扩散以及微偏析对合金粉末致密化过程的作用规律，致

42、密化过程中Al，Nb，Cr，W等元素在粉末颗粒内部和界面的分布状态以及扩散途径，以及由此造成的对致密化过程物质流动、原始界面消除以及新结构形成的影响；（3） 杂质和缺陷分布及对粉末冶金高温TiAl合金损伤机理。粉末冶金材料杂质元素、残余孔隙和其它缺陷的存在方式，对材料室、高温以及动、静态力学性能的作用规律；（4） 研究高温TiAl合金粉末非平衡结构形成与演化，粉末致密化行为和缺陷形成与控制机理，在应力场、温度场、速度场及外在约束等多场耦合作用下，合金板材包套轧制过程中金属流动规律；（5） 研究热轧过程中组织结构演化行为，建立工艺组织性能交互作用关系模型，确定变形缺陷形成演化规律及其控制原理；研

43、究高温TiAl合金板材后续热处理过程中的组织性能演变规律，实现组织性能精确控制；（6） 研究板材的超塑性变形机理，超塑性变形过程中显微组织演变及孔洞的形核和长大规律；（7） 研究高温TiAl合金钎焊及扩散连接用中间层成分及其与母材的界面反应机理、反应相形成规律；探索电子束焊接时的接头质量控制方法及焊接热输入对接头力学性能的影响。经费比例：16%承担单位：中南大学, 西北有色金属研究院，哈尔滨工业大学课题负责人：贺跃辉，46岁，博士，教授主要承担人员：刘咏，刘海彦，冯吉才课题6：高温TiAl金属间化合物材料使用性能表征和评价研究目标：确立高温TiAl合金安全服役条件下的力学性能控制参量和应用阈值

44、范围，揭示组织类型和微观缺陷对合金裂纹萌生和扩展的影响规律，揭示合金损伤容限性能与微观组织的关系，建立具有理论基础并具有工程应用价值的寿命评估方法和损伤容限参量设计准则，为合金在航空、航天及其他领域的工程化应用提供有力的技术支持。主要研究内容：（1） 针对高温TiAl合金在发动机不同部件上的应用，研究合金在发动机部件典型使用温度与复杂载荷条件下（高温静力拉伸、持久/蠕变、应力/应变疲劳以及疲劳/蠕变等）应力与应变的本构关系，对合金的性能进行全面的评估分析，确立安全服役条件下的性能控制参量和应用阈值范围，建立性能控制参量的表征技术；（2） 研究合金的微观断裂特征和失效机制，包括小裂纹萌生机制、小

45、裂纹和长裂纹的扩展规律以及断裂机制；研究组织类型和微观缺陷对合金裂纹萌生和扩展的影响规律；（3） 揭示合金的断裂韧度KIC、疲劳裂纹扩展速率da/dN以及疲劳裂纹扩展门槛值Kth等损伤容限性能与微观组织的关系，发展计算机损伤模拟模型，为合金的微观组织设计和探讨微观组织对损伤容限性能的影响机理奠定基础；（4） 研究合金在反复热循环和热冲击条件下的尺寸稳定性和性能稳定性评价方法；（5） 建立具有理论基础并具有工程应用价值的寿命评估方法和损伤容限参量设计准则；（6） 航天飞行器短时持久/蠕变、应力/应变疲劳以及疲劳/蠕变等的本构关系及性能表征。经费比例：11.5%承担单位：中航工业北京航空材料研究院

46、，航天科工集团特种材料工艺技术研究所课题负责人：于慧臣，44岁，博士，研究员主要承担人员：郭广平，黄新跃，许沂，雷昆鸟 四、年度计划研究内容预期目标第一年1以铸造合金为对象，基于密度函数理论第一性原理的高Nb-TiAl合金设计，Nb、Al含量对合金成分-组织-性能关系的影响规律，得到其Nb/Al含量的上下限和微量元素的添加规律；2利用有限元模拟研究高温TiAl合金等离子冷炉床熔炼和真空自耗电弧熔炼过程中热平衡，建立铸锭凝固过程传热、传质及流动的数学物理模型；基于热/动力力学分析，对熔体中异质夹杂的界面反应及其迁移分离的机制进行研究，预测铸锭凝固的宏观、微观偏析和缺陷类型；3铸造过程中高温TiA

47、l合金中Ti及高熔点元素对液固界面生长特性的作用，不同成分范围合金包晶凝固过程中组织和缺陷形成规律及其对铸件可靠性的影响，探索氧、氮等间隙原子对凝固行为的作用及作用机理； 4 相稳定元素对高温TiAl合金热变形能力的影响，Z参数对组织演变的影响规律，热变形过程中宏观参量和材料微观组织演变之间的数学模型、热变形本构关系数学模型和热变形抗力图；1 初步得到铸造高温TiAl合金的合金成分-组织-性能关系和合金设计原则；2 揭示铸造高温TiAl合金凝固过程的传热、传质及流动规律和预测铸锭凝固的宏观、微观偏析和缺陷类型；3 揭示相稳定元素对高温TiAl合金热变形能力的影响规律和Z参数对组织演变的影响规律

48、；4阐明粉末冶金坯体制备过程缺陷控制和非平衡相演化机理。5发表文章20-30篇。研究内容预期目标5高Nb-TiAl合金的雾化粉末的制备；研究相稳定元素和高Nb合金化对高温TiAl合金粉末的非平衡相的结构形成与演化规律影响，高Nb合金粉末的致密化。第二年1高Nb-TiAl合金各组成相位错、超位错、广义层错能、反相畴界能与孪晶形成能力等晶体缺陷性质，以及合金元素对以上合金的晶体缺陷性质作用规律，理论计算结果与试验作对比；2变形和粉末高温TiAl合金Nb、Al含量对合金成分-组织-性能关系的影响规律，得到其Nb/Al含量的上下限和微量元素的添加规律；3通过多场耦合作用下高温TiAl凝固过程的模拟计算

49、提出工艺性能试验方案，并实验分析凝固过程中组织和缺陷形成规律；研究揭示熔体与铸型表面反应形成硬化层的机制，探索优化型壳材料的热力学和动力学基础；1 初步得到位错、超位错、层错、反相畴界及形变孪晶等形变微结构的作用规律；2 揭示变形和粉末高温TiAl合金成分-组织-性能关系；3 初步提出改进的高温TiAl合金的精密铸造工艺，优化提高陶瓷型壳的质量及制备工艺；4获得冷坩埚电磁感应熔化/凝固成形过程组织随工艺参数变化规律；5揭示高温TiAl合金蠕变断裂机制，疲劳小裂纹萌生、扩展机制。6发表文章30-50篇，申请国家发明专利5-8项。研究内容预期目标4在不同工艺参数条件下，利用电磁冷坩埚制备出一批高N

50、b-TiAl合金试样，研究冷坩埚定向凝固合金锭的电磁感应熔化/凝固成形过程组织随工艺参数变化规律，分析其相选择及影响机理；5高Nb-TiAl合金粉末冶金坯体的力学行为，研究粉末冶金材料杂质元素、残余孔隙和其它缺陷的存在方式，对材料室、高温力学性能的作用规律；6航空发动机用高Nb-TiAl合金的微观断裂特征和失效机制，包括蠕变断裂机制、疲劳小裂纹萌生机制、小裂纹和长裂纹的扩展规律以及疲劳断裂机制。第三年1通过热力学计算和试验研究不同Nb含量的多组元高温TiAl合金的准相图、高温不同截面图，其它微量添加合金元素对相关系和相稳定性的影响，高温环境和不同加工方式下高温TiAl合金高温抗氧化性；2大尺寸

51、TiAl合金铸锭的等离子冷床熔炼和真空自耗熔炼工艺基础；3 高温TiAl合金的包套等温锻造和轧制过程中微观组织演化规律及其与Z参数等宏观参量的相互关系，优化TiAl合金热加工工艺；4改进精密铸造数值模拟方法，对铸造叶片典型样件的充型和组织、缺陷形成规律进行预测，进行标样和铸造叶片样件的研制；1揭示Nb含量对高温TiAl合金相图及相关系的影响规律；2 确立高温TiAl合金铸锭冶金过程纯净化、均质化机理并提出调控方法；3形成高温TiAl合金铸造叶片样件成形完整的工艺基础；4大尺寸高温TiAl合金板坯的模拟轧制参数优化；5实现高温TiAl合金钎焊及扩散连接的工艺优化。6发表文章30-50篇，申请国家

52、发明专利8-12项。研究内容预期目标5粉末冶金高温TiAl合金板材后续热处理过程中的组织性能演变规律以及力学性能，优化组织性能；6合金元素对高温TiAl合金钎焊及扩散连接的影响，钎焊及扩散连接界面组织对接头力学性能的影响；7针对航天飞行器高温高载飞行条件下的短时应用特点，研究高温TiAl合金短时高温持久强度极限、短时高温蠕变、短时高温持久强度等力学性能参数与制备技术的关连性。第四年1 高温TiAl合金的成分-组织参量及组织均匀性与室温塑性和韧性的关系；2解剖分析标样和铸件中的组织和缺陷，对高温TiAl合金铸造叶片样件的可靠性进行评价，综合优化高温TiAl合金的力学性能、抗氧化性能及工艺性能，改

53、进陶瓷型壳和精密铸造工艺；3建立多外场耦合作用下定向凝固高温TiAl 合金组织凝固模型，进行高温TiAl合金片层组织的定向热处理，研究热处理工艺对组织演化规律及其取向控制；4大尺寸粉末冶金高温TiAl合金板材的轧制工艺，研究具体工艺制度对板材缺陷形成的影响规律，板材的热处理，组织演化以及力学性能；1得出提高高温TiAl合金室温塑性和韧性的技术途径和成分-组织调控原理；2高温TiAl合金铸造叶片样件成形完整、内部冶金质量同比达到高温合金叶片的水平；3得到一种高温TiAl合金能够提高力学性能的定向热处理热处理工艺；4制备出力学性能基本达到指标要求，宽度400-500mm、厚度1-2mm的粉末冶金高

54、温TiAl合金板材；5揭示显微组织对高Nb-TiAl合金的断裂韧度KIC、疲劳裂纹扩展门槛值Kth，的影响规律。研究内容预期目标5研究航空发动机用高Nb-TiAl合金的断裂韧度KIC、疲劳裂纹扩展速率da/dN以及疲劳裂纹扩展门槛值Kth等损伤容限性能与微观组织的关系；6研究高马赫数飞行器服役环境下材料热物理性能对结构的影响因素。6发表文章30-50篇，申请国家发明专利8-12项。第五年1结合合金变形机理和强韧化机制，优化高温TiAl合金成分-组织设计，提高室温塑性和韧性的调控原理；2铸造叶片样件和不同加工方式下大尺寸材料的成分-组织-性能关系；3均质化和高洁净度熔炼适合高温TiAl合金型材制

55、备需求的大尺寸优质铸锭的技术基础；4锻态、轧态高温TiAl合金的显微组织与力学性能关系；5解决铸造叶片从小样品到全尺寸部件的工艺瓶颈和工艺再现性问题；6分析已有的合金性能数据和已有模型，建立针对高Nb-TiAl合金的航天航空寿命评估方法和损伤容限参量设计准则。1揭示针对高温条件和具体的制备加工技术下的合金成分-组织-性能关系和建立合金设计理论；2揭示不同加工方式下大尺寸材料的成分-组织-性能关系和合金设计原理；3获得大尺寸高温TiAl铸锭和变形饼材、棒材、板材的工艺基础；4形成有效提高高温TiAl合金铸件冶金质量并抑制表面硬化层生成的基础理论和精铸技术；5建立针对高Nb-TiAl合金的具有理论

56、基础及工程应用价值的寿命评估方法、损伤容限参量设计准则和数据库。6 发表文章50篇，申报国家发明专利8-12项，国家或省部级奖3-5项。一、研究内容1关键科学问题本项目的研究重点是高温TiAl合金及其制备与成形加工的科学技术基础。主要包括适用于高温应用的TiAl合金设计理论基础及强韧化机制、高洁净度凝固与定向、精密铸造、相变与形变交互行为、性能表征方法和评价体系。拟解决的关键科学问题如下：科学问题一：轻质高温TiAl合金的设计理论基础及强韧化机制高Nb-TiAl合金的基础成分-组织-性能关系已进行了大量研究，但针对高温使用条件和具体制备加工技术，在成分设计、微合金化的影响机制方面尚缺乏理论设计依据；相组成、相稳定性也缺乏规律性探索。Nb元素的添加提高了TiAl合金室温和高温强度指标。同时Nb降低层错能促进孪晶变形和孪晶交截，导致应力集中松弛和提高断裂阻力，有利于提高塑韧性。由于普通位错-超位错-孪晶交互作用复杂，Al/Nb反位原子缺陷的作用和变形机制有待于进一步研究。掌握高温TiAl合金多相有序结构的动态回复和动态再结晶规律，为热加工过程参数和组织控制提供理论依据。针对高温TiAl合金在发动机不同部件上的应用，研究合金在发动机部件典型使用温度与复杂载荷条件下的本构