i-al系金属间化合物在高温合金中的应用

i-al系金属间化合物在高温合金中的应用

1ti-al系金属间化合物随着航空航天技术的发展，动力系统对材料的性能要求越来越高。目前，广泛使用的高温铜基合金不能满足性能要求。为了增加航空航天飞行器的助力的同时也节省燃料,提高发动机的工作温度和减轻机器自身的重量很有必要,材料的选择成了重中之重。Ti-Al系金属间化合物在一定温度范围内,强度随温度升高而增强,使其在高温结构应用方面具有极大的潜在优势。Ti-Al系金属间化合物有着一系列优异的性能,如熔点高、密度低、比刚度高、比强度高以及高的抗高温蠕变性等,使其成为新一代高温结构材料,早在上个世纪就得到广泛关注。然而,Ti-Al系金属间化合物存在室温脆性和变形、加工困难等缺点,限制了其实际应用。优良的制备技术是解决Ti-Al系金属间化合物存在问题的前提,为使Ti-Al系金属间化合物不但在航空航天领域广泛应用,更广泛应用于民用工业,制备技术的发展和改进是推动其应用和发展的关键。2tial3合金的研究历史Ti-Al系金属间化合物与镍基合金相比,重量较轻、且有更高的抗高温蠕变性能;与其他钛合金相比有着更好的综合性能,是航空航天、汽车领域以及涡轮发动机的首选材料。TiAl系金属间化合物主要有Ti3Al(α2)、TiAl(γ)和TiAl3(δ)三类。表1为Ti-Al系金属间化合物与钛合金和镍基合金性能参数。图1为Ti-Al系金属间化合物的二元相图,可以看出,Ti-Al系金属间化合物有着优良的高温性能。Ti3Al合金的成分范围为22%~39%Al,在1180℃时为α2相,为密排六方结构;在高温下则为体心立方结构的β相。在高温下,由于Ti3Al中有α2+β两相,这使其强度提高以及具有更好的抗氧化性。但是常温下的Ti3Al只有α2相,密排六方结构的α2相使其表现出很大的脆性。TiAl合金在48.5%~66%Al范围内都是稳定的。γ相为面心四方结构,密度低,抗氧化性好,高温强度高。TiAl3合金是含Al最多的Ti-Al系金属间化合物,密度最低,为3.36g/cm3,比强度最高、高温抗氧化性能也最好,但体积模量与切变模量的比值较小,故有更为强烈的脆性倾向。目前,Ti-Al系金属间化合物中最受关注的是TiAl合金和Ti3Al合金,TiAl3合金由于室温极脆,而且并无行之有效的改善办法,所以关注比较少,目前只是在美国、日本、中国等少数国家进行基础性研究。对于TiAl合金和Ti3Al合金的研究,早在1956年,美国Mcandrew就报导,TiAl合金在950℃时具有良好的抗蠕变能力。由于TiAl合金极大的室温脆性,在当时并未得到人们的重视。直到70年代初期,美国Wright-Patterson空军基地航空航天材料研究室和PrattandWhitney公司几乎同时立项研究TiAl合金的各种力学性能、微观结构和制备工艺。1981年,Wrightpatterson空军基地航空航天材料研究室的技术人员通过添加少量的钒,使TiAl合金的室温延伸率提高到1.5%。20世纪70年代初期到80年代末期,美国空军实验室研发了Ti-24Al-11Nb和Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo。在1984年,美国国家材料咨询局(NMAB)向美国政府递交了一篇长达109页的报告,详细阐述了Ti-Al系金属间化合物的性质、研究现状和未来的应用,特别是在国防工业的应用潜力。报告公开后立即得到世界各国的关注,日本钛学会设立专门部门研究和开发TiAl合金。我国对于Ti-Al系金属间化合物的研究起步比较晚,于1988年将TiAl有序合金列入国家863高新技术新材料发展计划。十几年前是仿制,之后就是既创新又仿制,直到最近几年,主要以创新为主。北京航空材料研究院在20世纪90年代初研制了Ti-24.5Al-10Nb-3V-1Mo。在高温TiAl合金方面,北京科技大学发展了Ti45Al-10Nb和Ti-48Al-18Nb两个合金,其强度远高于普通Ti-Al系金属间化合物。3ti-al是金属之间的化合物的制备工艺主要介绍Ti-Al系金属间化合物的四种制备方法:铸造技术、快速冷凝法、粉末冶金以及铝热还原法。3.1生成齿轮发动机叶片铸造是将液体金属浇铸到与零件形状相适应的铸造空腔中,待其冷却凝固后,以获得零件或毛坯的方法。铸造技术制备Ti-Al系金属间化合物成本低,容易近净成形,但是晶粒粗大,有明显的铸造织构,需要有后续的热处理和热加工工艺来改善其性能。铸造工艺分为四种,即熔模铸造、重力金属型模铸造、离心铸造和低压反重力铸造。其中熔模铸造是使用最为广泛的一种工艺。美国Timet公司采用熔铸法已能生产重达4500kg的Ti3Al化合物铸锭,铸锭加工成棒坯后,便可采用与常规的α+β钛合金相同的方法进行加工。美国通用电气公司用熔模精铸法制造出Ti48Al2Cr2Nb合金低压涡轮叶片,应用于波音787飞机。熔模铸件尺寸精度较高,可铸造复杂的高温合金铸件,尤其是在制备涡轮发动机叶片时,不仅可以做到批量生产,保证了铸件的一致性,而且避免了机械加工后产生的应力集中。但熔模铸造工艺过程较复杂,且不易控制,使用和消耗的材料较贵。3.2喷射成形法快速冷凝法是指合金熔体以105~106K/s的速度快速冷却,其非均质形核被抑制,合金在很大的过冷度下发生高生长速率的凝固。Ti-Al系金属间化合物铸造性能和热加工性能比较差,铸造材料脆性大,因此成型性能不佳。传统粉末冶金技术易带来杂质,且工艺较为复杂。而快速凝固制备Ti-Al系金属间化合物有以下优点:1)细化β晶粒;2)改善合金组织;3)扩大溶质在钛中的固溶度。快速冷凝技术与粉末冶金技术相结合,可得到微细的合金组织、较大范围调整合金的成分和组织结构,实现近终成型。喷射成形是用高压惰性气体将合金液流雾化成细小熔滴,在高速气流下飞行并冷却,在尚未完全凝固前沉积成坯件的一种工艺。包括熔化、雾化和沉积三个工艺过程。其原理如图2所示,先将熔融的金属液体用氩气雾化为细小液滴,凝固为粉前直接喷射沉积成预形坯,其相对密度可达96%以上,经后续热加工(锻、轧、挤或热等静压)成全致密产品。EnriqueJ.Lavernia用喷射成形法制备了细小的层片组织的Ti-47%Al合金。由于快速凝固的作用,所获金属材料成分均匀、组织细化、无宏观偏析,且含氧量低。与传统的铸一锻工艺和粉末冶金工艺相比较,它流程短、工序简化、沉积效率高。它几乎具有粉末冶金制品的优点,但可省去制粉、筛分、压制和烧结等工序,降低了生产成本。但是快速冷凝过程中会产生ω相,ω相为一种脆硬相,对合金的力学性能有很大影响。3.3ti-al系金属间化合物的制备粉末冶金法制备Ti-Al系金属间化合物是采用常规塑性加工方法将元素粉末或预合金粉末固结成形,再通过烧结实现致密化的过程。用粉末冶金法制备的Ti-Al系金属间化合物组织均匀细小、近净成型,可避免Ti-Al系金属间化合物的后续加工过程中产生的加工应力等不利影响。粉末冶金制备Ti-Al系金属间化合物分为预合金粉末法和元素粉末法。其中预合金粉末法制备的Ti-Al系金属间化合物成分均匀、力学性能好,但工艺复杂、成本高,不利用应用于工业化生产;元素粉末法成本低,且可通过均匀化成分和高温下的反应避免成分偏析,但杂质含量较高。粉末冶金制备Ti-Al系金属间化合物的方法主要有:机械合金化、反应烧结、自蔓延高温合成法、爆炸合成、等离子喷射成形等。在制备过程中,往往是两种或两种以上方法结合使用。3.3.1雾化法预合金粉末法是以部分合金化或完全合金化的Ti-Al系金属间化合物粉末作为原料,经压制成形与烧结而获得Ti-Al系金属间化合物制件的方法。目前,Ti-Al系金属间化合物粉末的制备方法主要有惰性气体雾化法和等离子旋转电极雾化法。雾化粉末颗粒的显微组织与粉末颗粒度有关,不同颗粒大小的相组成不同,相组成的不同有可能会引起致密化后显微组织的微观偏析。惰性气体雾化法是原料Ti/Al在坩埚内熔化,然后再通过坩埚底部的喷嘴用高速气体将产生的金属溶液喷射出,冷凝成金属粉末。1985年,美国CrucibleResearchCenter用水冷铜坩埚熔化钛原料,通过氩气雾化制取钛及钛合金粉末,并于1988年建立了生产11t的气体雾化装置。等离子旋转电极雾化法是将Ti-Al系金属间化合物制成自耗电极,其端面受电弧加热而熔融为液体,通过电极高速旋转的离心力将液态合金甩出并雾化而形成粉末的金属粉末制备工艺。西安宝德粉末冶金公司用等离子旋转电极雾化法生产出47~381μm的钛及其他合金粉末。3.3.2ti、al反应过程元素粉末法是将元素粉末Ti、Al和合金化元素粉末混合均匀,经预压成形,再进一步致密化制备相应的材料。元素粉末Ti、Al反应是一个由扩散控制,包括TiAl3和TiAl2中间相生成的过程。反应过程可见图3。Ti、Al在粉末低于Al熔点温度下会发生扩散反应,在Ti与Al颗粒界面上形成TiAl3相;在低于Al的熔点温度时,TiAl3为唯一的中间相。随着反应的进行,TiAl3中的Al继续向Ti颗粒扩散,在界面上形成Ti3Al、TiAl和TiAl2。反应过程由以下三个公式可描述。在反应合成过程中,Ti、Al粉末的体积有明显的膨胀,很难获得全致密的材料,通常需要后续的热等静压处理。粉末冶金在消除成分偏析、缩孔等缺陷和制备组织均匀、结构小而简单的构件、近净成型方面独具优势,但工艺复杂,成本较高。3.4防止钛的氧化铝热还原法即以高钛渣或金红石为原料,以铝粉为还原剂进行铝热还原反应,得到Ti-Al溶液,然后在真空电弧炉中精炼,可得到Ti-Al中间合金,并且反应生成的高铝渣可制成耐火材料。铝热还原法能够减少合金偏析、不受温度限制、并且能在一定程度上防止钛的氧化。李军等以钛白粉为原料,利用铝热还原法制备出了主要物相组成为Ti3.3Al的Ti-Al系中间合金。铝热还原法制备Ti-Al系金属间化合物作为一种低成本制备方法时,有很大的应用潜力。铝热还原法的最大的优势就是不用先提炼纯金属钛,大大降低了生产成本;而且在攀枝花丰富的钛资源条件下,尤其是大量的高钛渣并没有得到很好的利用,铝热还原法能在一定程度上促进攀枝花钛资源的综合利用。铝热法制备的Ti-Al系中间合金易被氧化,需要进一步精炼,这无疑在增加成本的同时也增加了制备时间。作者认为如果在反应时加入氩气保护,会避免氧气进入,并且由于气体压力的存在,合金凝固时会更加致密。4钛铝基合金缺陷的解决对策1)无论在国