Ti3Al高温合金课件

材料科学与工程前沿航空航天高温结构材料High-TemperatureStructuralMaterialsinAerospace北京航空航天大学材料学院

2016年3月，沙江波三、Ti3Al高温合金Ti-Al合金相图Ti3AlTiAlTiAl3TiAlTi-Al系金属间化合物合金Ti基Ti3Al基TiAl基镍基结构hcp/bccD019L10Fcc/L12密度

g/cm34.54.1～4.73.7～3.98.3模量

GPa95～115110～145160～180206σ0.2MPa380～1150700～900400～650—σbMPa480～1200800～1140450～800—室温δ%10～252～101～43～5高温δ%12～5010～2010～6010～20KIC—13～3010～20—蠕变极限

℃60076010001090氧化极限

℃6006509001090Ti-Al系金属间化合物

Ti3Al（a2

六方）基合金是唯一进入成熟应用研究阶段的金属间化合物。受抗氧化性能的限制，其使用温度在600℃～700℃之间。二元Ti3Al的室温塑性和韧性很差，合金化是韧化Ti3Al的最基本途径。金属间化合物Ti3Al20世纪50年代，McAndrew和Simcoe发现，添加Nb可以稳定高温b相（B2，无序或有序的bcc结构），明显改善合金塑性和抗氧化性能。Ti3Al基合金的基本发展思路就是在Ti-Al-Nb的基础上，通过添加β相稳定元素（如Nb和Mo），增加塑性的第二相，使Ti3Al基合金的室温塑性和加工性能得到改善。Ti3Al基合金的发展1）第一代b稳定元素含量在10%～14%，如：美国空军实验室在70年代最早开发的Ti-24Al-11Nb，显微组织为α2（D019）＋b

；

2）b稳定元素含量在14%～17%之间，如：美国超a2合金Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo，该合金具有更高的拉伸强度和蠕变抗力，显微组织取决于热处理，主要为a2、b和O相【第一代O相合金】Ti3Al基合金的发展

O相（基于Ti2AlNb，正交结构，可看作α2的畸变结构；3）β稳定元素含量在23％以上，如GE公司研制的Ti-24.5Al-23.5Nb和Ti-22Al-27Nb合金，显微组织为O＋β，这类以O相为基的合金比α2合金和超α2合金有更高的高温屈服强度、蠕变抗力和断裂韧性，已经成为近期研究的重点【第二代O相合金】。

Ti3Al基合金的发展国内对Ti3Al基合金的系统研究始于20世纪80年代中期，主要的研究集中在钢铁研究总院和北京航空材料研究院。钢铁研究总院：TAC系列－航天北京航空材料研究院：TD系列－航空国内Ti3Al基合金的发展TAC-1合金：Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo）

TAC-3（

O相）合金：Ti-22Al-20Nb-7Ta

TAC-1合金制成的波纹板和涡轮壳体部件用于火箭发动机和航天飞行器部件，已经进行了试车；（O＋B2）合金可作为火箭发动机涡轮盘转子的用材。

国内Ti3Al基合金的发展TD2合金：Ti-24.5Al-10Nb-3V-1MoTD3合金：Ti-24Al-15Nb-1MoTD2合金的主要性能超过超α2合金，制成的某航空发动机涡轮导向叶板和涡轮结合环，已经经受了近30小时的长期试车考验。

国内Ti3Al基合金的发展Ti3Al基合金的典型性能合金0.2MPabMPa%K1CMPa*m1/2Ti-24Al-11Nb9007504/Ti-24Al-10Nb-3V-1Mo1000825313.5Ti-25Al-17Nb-1Mo11009903.420Ti-22Al-27Nb141511203.528合金相700oC拉伸室温拉伸及断裂韧性0.2MPabMPa%0.2MPabMPa%K1CMPa*m1/2TD2＋58868010.491310834.015.2TD32＋＋O71983518.8105312128.925.11）室温断裂韧性较低；2）室温冲击韧性只有普通Ti合金的十分之一左右(这是设计应用部门担心的问题之一)；3）O相合金的抗氧化问题。高Nb合金抗氧化性差。

Ti3Al基合金的缺点

超α2TD2TD3TAC-1TAC-3GH4169TC4室温断裂韧性K1C/MPa·m1/213.515.225.12830103.583.3室温冲击韧性αku/J·cm-22.23.5

8.5955.551.3密度g/cm3

4.7

4.855.88.34.44Ti3Al基合金轧制的F100发动机压气机机匣Ti3Al基合金的应用GE公司制造的Ti-48Al-2Nb-2Cr合金低压涡轮装配件TD2合金的涡轮结合环（a）和涡轮导风板（b）Ti3Al基合金的应用四、NiAl高温合金在Ni－Al二元系中，存在Ni3Al、NiAl、Ni5Al3、Ni2Al3和NiAl3五种金属间化合物，其中应用最广的是Ni3Al和NiAl。Ni-Al系金属间化合物熔点高达1638℃，比Ni基高温合金高约300℃；密度5.95g.㎝－3,只有Ni基高温合金的2/3；抗氧化性极佳，抗热腐蚀性能也较好；较高的杨氏模量(240GPa)极高的热导率，在20～1100℃之间的热导率为70～80w.m-1.K-1，是Ni基高温合金的5倍；NiAl主要问题是室温塑性和韧性差，高温强度不足。（一）NiAl金属间化合物NiAl的屈服强度NiAl的屈服强度随温度升高而降低或只在一段温度范围内基本保持恒定。在二元NiAI合金中，合金成分对其屈服强度影响很大。NiAl系金属间化合物NiAl的微合金化：主要元素有Fe，Ga，Mo，B和La等，加入量一般小于1%（摩尔分数），可提高NiAl的室温塑性，增加晶界结合力和协调变形；固溶元素：主要有Fe,Co，还有Cu和Mn。添加大量的Fe和Co使固溶度提高；伪共晶元素：Cr，Mo，还有V,W等，从而形成β+γ或β+(γ+γ/)共晶组织，同时塑性相γ+γ/

能提高合金室温塑性提高室温韧性；沉淀相形成元素：主要有Hf和Zr，还有Y,Sc,Ti，V,Nb,La和Ta等，以提高高温强度，但同时会引起塑韧性的下降。NiAl的合金化NiAl的微观组织调整NiAl的微观组织调整Ni－Al金属间化合物的应用NiAl合金主要是航空航天方面应用，用作先进航空发动机的涡轮导向叶片、涡轮叶片、燃烧室某些部件或用作高温合金抗氧化、腐蚀涂层。如美国通用电器公司已成功研制出几种性能优异的NiAl单晶合金，其中性能最好的NiAl单晶合金AFN－20（化学成分50Ni－44.5Al－0.5Hf－5Ti－0.05Ga），其高温拉伸强度、持久强度、低循环疲劳强度已达到第一代单晶高温合金René4的水平，持久强度的比强度已达到第三代高温合金René6的水平。NiAl基合金的应用Ni－Al金属间化合物的应用NiAl基合金的应用Ni－Al金属间化合物的应用NiAl基合金的应用（二）Ni3Al金属间化合物合金Ni3Al晶体结构与缺陷AlNiL12结构ABCABC….顺序堆垛而成的超点阵结构其线缺陷为不全位错伴随者反相畴界和层错（二）Ni3Al金属间化合物合金（二）Ni3Al金属间化合物合金Ni3Al合金的性能特点（100)面上不全位螺位错会对{111}面上位错继续钉扎高熔点、高抗高温氧化、耐腐蚀、较高的高温强度和蠕变抗力以及高的比强度，有反常温度关系。单晶体Ni3Al具有较高的塑性，但多晶体Ni3Al呈脆性，且多晶Ni3Al以脆性晶间断裂模式失效，为本征脆性。高温下Ni3Al合金在含氧空气中易产生环境脆性。760℃空气试验表明,该合金呈晶间断裂。（二）Ni3Al金属间化合物合金Ni3Al合金的性能特点Ni3Al的晶界脆性及改善寻求晶界强韧化方法是开发合金的主要途径（二）Ni3Al金属间化合物合金1、B对Ni3Al的强韧化作用（K.Aoki&O.Izumi）原因：富Al晶界能高，晶界结合能低，晶界强度低，沿晶脆断富Ni相反，富Ni晶界具有高强度，具有抵抗沿晶断裂的能力。（二）Ni3Al金属间化合物合金Ni3Al的晶界脆性及改善作用机理：B偏聚在晶界上，使晶界进一步富Ni，强化晶界，改善位错滑移性，阻止H沿晶界扩散产生的环境脆性，改善室温塑性和综合性能。

2、Zr对Ni3Al的强韧化作用

大于600ºC时，B对塑性无作用，Zr对室温至850ºC之间的塑性均有改善。

Zr偏聚在晶界上，使晶界贫化Al，富化Ni，强化晶界，阻止裂纹扩展，诱发相邻晶内位错开动，改善高温塑性和综合性能。（二）Ni3Al金属间化合物合金Ni3Al的晶界脆性及改善3、稀土和Mg对Ni3Al的强韧化作用0.05%~0.2%Y和Ce对高温塑性具有有利，不损害强度（二）Ni3Al金属间化合物合金Ni3Al的晶界脆性及改善4、Ni3Al的环境脆性B改善Ni3Al的环境敏感性Zr不能（二）Ni3Al金属间化合物合金（三）Ni3Al的工程化合价合金一、IC系列合金（IntermetallicsCompounds）美国橡树岭国家实验室研究开发IC系列合金，合金化特点：1）B&Cr改善IC合金的室温和高温塑性；2）Zr、Hf和Mo固溶强化，提高高温强度和蠕变性能；3）通过冷轧提高室温强度（三）Ni3Al的工程化合价合金组织特征：g’+g性能：抗氧化室温抗气蚀成本低温度越高强度越高高温疲劳性好，磨损小用途：高温加热炉底盘、轧辊、锻模、有色行业的各种模具、大型水轮机叶片上用作抗汽蚀的耐磨板等。（三）Ni3Al的工程化合价合金（三）Ni3Al的工程化合价合金二、定向凝固Ni3Al基合金IC6成分特征：Ni-(7.4~8.5)Al-(12~15)Mo-<0.1B-C组织特征：g’+g+少量硼化物相性能：静态抗氧化性好高Mo强化,不含稀贵元素，成本低初熔点高，铸造性好