TiAl成分-工艺-组织-性能研究进展

TiAl成分-工艺-组织-性能研究进展报告主要内容一、研究背景与意义典型发动机定型年份单位推力（daN.S/Kg）推重比涡轮前端温度（℃）平均级压比实例机型1960—1976＜100＜7＜1250米格—21、F—4B1977—1997100—1107—91350—15001.32苏—27、F—161993—2010110—1259—111550—17501.44苏—37、F—22、F—352010—今125—13515—201800—21001.85性能Ti基合金Ti3Al基合金γ-TiAl高温合金结构hcp/bccD019L10Fcc/L12密度/g.cm-34.54.1—4.73.7—4.27.9—9.5弹性模量/GPa95—115110—145160—180206屈服强度/MPa380—1150700—990350—600800—1200断裂强度/MPa480—1200800—1140440—7001250—1450室温塑性/%10—252—101—43—25高温塑性/%12—5010—20/66010—600/87020—80/870室温断裂韧性/Mpa.m1/212—8013—3012—3530—100蠕变极限/℃600750750(DP)—950(FL)800—1090抗氧化极限/℃600650800(DP)—950(FL)870—1090Ti合金、TiAl合金及高温合金的性能对比合金成分（原子）制备工艺研究者第一代Ti-48Al-1V-0.3C实验室研究M.Blackman第二代Ti-47Al-2(Cr,Mn）-2NbTi-（45-47）Al-2Nb-2Mn-0.8%TiB2Ti-47Al-3.5(Nb,Cr,Mn)-0.8(Si,B)Ti-47Al-2W-0.5SiTi-46.2Al-2Cr-3Nb-0.2W(K5)铸造合金铸造XD铸造合金铸造合金锻造合金GE公司Howmet公司GKSS公司ABB公司Y.W.Kim第三代Ti-47Al-5(Cr,Nb,Ta)Ti-(45-47)Al-(1-2)Cr-(1-5)Nb-(0-2)(W,Ta,Hf,Mo,Zr)-(0-0.2)B-(0.03-0.3)C-(0.03-0.2)Si-(0.1-0.25)O铸造合金锻造合金GE公司Y.W.KimTiAl合金的发展过程已进入应用状态的铸造γ-TiAl合金的成分和性能合金%（原子）760℃140MPa下变形0.5%的时间/hTi-47Al-2Cr-2Nb（GE公司）100Ti-47Al-2W-0.5Si（ABB公司）650Ti-47Al-2Nb-1Mn-0.5Mo-0.5W-0.2SI(USNavy、GE公司）305Ti-47Al-2Nb-2Mn-0.8%（体积）B（Howmet公司）63.5Ti-45Al-2Nb-2Mn-0.8%（体积）B（Howmet公司）16.5Ti-48Al-2Cr-2Nb(GE公司）Ti-47Al-3.7(Nb,Cr,Mn,Si)-0.5B(R-R&GKSS)目前已应用的TiAl构件（Howmet）Ti-47Al-2Cr-2Nb(GE

公司)目前已应用的TiAl构件GE公司在GE90发动机中用钛铝合金叶片代替镍基合金，减轻发动机重约200千克目前已应用的TiAl构件优化成分调整工艺控制组织提高性能二、TiAl合金的成分Al含量对初生相的影响初生相还受凝固条件，和合金元素等的影响TiAl合金三种凝固组织Al含量对力学性能的影响Al含量对力学性能的影响TiAl合金中主要合金化元素TiAl合金中合金化元素的作用TiAl合金中合金化元素的作用TiAl合金中合金化元素的作用合金化元素对Ti-Al相图的影响TiAl合金中合金化元素的作用Al当量：为了衡量各合金化元素对凝固过程影响程度的大小。β相稳定元素其值为正；α相稳定元素则为负不同合金元素的Al当量α相稳定元素β相稳定元素合金元素CSiCrVNbTaMoReWAl当量-4.2-2.8+0.1+0.3+0.3+0.3+0.6+0.8+1.0合金化改善TiAl合金室温脆性的基本机制合金化提高TiAl合金强度的基本机制Nb元素的添加对TiAl合金的影响Nb元素的添加对TiAl合金的影响高Nb钛铝合金与其他钛铝合金的性能比较成分aTi-47Al-1Cr-0.9V-2.6Nb-BFLbTi-48Al-2Cr-2Nb-TMPLcTi-48Al-2Cr-2Nb-FLdTi-46.5Al-2Cr-3Nb-0.2W-TMPLeTi-46.5Al-2Cr-3Nb-0.2W-RFLfTi-46Al-8.5Nb-0.2W-FLgTi-45Al-10Nb-FLNb元素的强化机制Nb元素对TiAl其他性能的影响稀土元素对TiAl合金的作用稀土元素对TiAl合金的作用稀土Y元素对TiAl合金的作用Y对Ti-47Al-2Nb合金枝晶间距的影响Y对Ti-47Al-2Nb合金压缩性能的影响稀土Y元素对TiAl抗氧化性的研究Y含量在0.3%会有最强的抗氧化性稀土元素对TiAl合金的作用稀土元素Er和Gd对TiAl组织的影响合金元素作用Cr1%—3%的添加量将提高双态合金的塑性；＞2%可改善热加工能力及超塑性；＞8%极大的改善抗氧化能力Mn1%—3%可提高双态合金的塑性V1%—3%可提高双态合金的塑性：降低抗氧化性W明显改善合金的抗氧化性及抗蠕变性Mo可提高细晶合金的塑性和强度，改善合金抗氧化性Ta改善合金的抗氧化及抗蠕变性能，但增加合金的热裂敏感性Si0.5%—1%改善抗蠕变能力及抗氧化；可提高浇注流动性并降低热裂敏感性Fe提高浇注流动性及热裂敏感性B＞0.5%可细化晶粒，提高强度及热加工性；B合金化极大改善铸造性能C明显改善抗蠕变性能，但对塑性不利Ni增加流动性P降低氧化速率其他合金化元素对TiAl合金的作用三、TiAl基合金的组织与性能Ti-Al二元相图TiAl基合金中的基本相单相TiAl合金与双相TiAl合金双相TiAl的显微组织组织类型特征说明等轴近γ组织(NG)等轴γ晶粒+细小α2相非均匀分布等轴晶粒双态组织(DP)γ/α2片层团+等轴γ晶粒晶粒尺寸一般较小（10～40μm）近片层组织(NL)γ/α2片层团+少量分布片层团间的等轴γ晶粒片成团较大（200～500μm）；γ晶粒一般小于20μm全片层组织(FL)γ/α2片层团铸态晶粒尺寸多在600～1000μm；变形组织一般在50～300μm双相γ-TiAl的显微组织成分%（原子）组织状态拉伸性能σ0.2/MPaσb/MPaδ/%Ti-46.5Al-2.5V-1.0CrFL3994281.624.6NL4204601.423.0DP4505354.811.0NG3694271.510.8Ti-48Al-2Cr-2NbFL4540.520—30DP4803111—15Ti-46Al-2Cr-3Nb-0.2WFL4734731.220—22DP4624622.811典型TiAl合金组织与性能之间的相互关系典型TiAl合金组织与性能之间的相互关系Ti-46.3Al-2.5V-1.0Cr变形合金的组织与性能关系组织状态体积分数/%晶粒尺寸/μmσs/MPaσb/MPaδ/%nLγLγ铸造态80204014932.20.085NL7723203514204601.40.048FL10002604074361.90.031DP534753404505354.80.054典型γ-TiAl合金组织与性能之间的相互关系屈服强度和晶粒尺寸之间满足Hall-Petch公式屈服强度和片层间距之间满足Hall-Petch公式典型TiAl合金组织与抗蠕变性能之间的相互关系具有以下组织特征的TiAl合金的综合性能较好四、TiAl基合金的成形方法及特点合金铸锭热等静压均匀化合金铸锭单质粉末合金铸造热加工锻造/挤压热等静压/热压固化坯料近成形轧制（包复、等温）成形带材铸造近成形热等静压热处理、机加工、焊接、涂层变形变形粉末冶金铸造各种熔炼TiAl合金方法的比较熔炼方法成分调节（难易程度）纯度（氧含量）成分均匀性每炉熔炼量自耗电弧炉（CAR）难—一般500kg非自耗电弧炉（NAR）容易—一般较小电子束炉（EBM）难大于100wt.ppm一般300kg等离子电弧炉（PAM)难大于300wt.ppm一般5～8kg感应凝壳熔炼（ISM）容易小于500wt.ppm好100kg铸锭冶金技术TiAl合金熔炼TiAl合金铸锭热等静压碾磨等温锻造平整TiAl合金成型产品铸锭冶金法工艺流程喷射成型技术TiAl合金熔化金属液滴惰性气体雾化细小液滴沉积具有不同形状的TiAl合金喷射成型工艺流程激光气体合金化技术氮气TiAl合金激光表面熔化化学/冶金反应钛铝合金改性层快速凝固激光气体合金化技术工艺流程粉末注射成型烧结技术石蜡基粘结剂TiAl合金粉末注射混料烧结脱脂TiAl合金烧结体粉末注射成型烧结工艺流程快速冷凝技术保护气体TiAl合金熔体雾化合金微细液滴细微合金粉末冷却快速冷凝技术工艺流程热机械处理技术纯钛纯铝自耗电炉熔炼两次TiAl合金热处理等温锻热变形铸态TiAl合金热机械处理技术工艺流程复合材料技术TiAl合金粉末真空等离子熔化沉积到纤维表面