ial合金的研究进展

ial合金的研究进展

0tial合金的研究由于密度低、温暖性好，tial合金已成为航空航天、汽车工业等领域的替代材料。近年来，一些大学和研究所的研究热点。然而由于TiAl合金的室温塑性、加工性以及高温抗氧化性较差,阻碍了其应用。为了解决这个问题,人们开展了大量研究,其中,添加合金元素尤其是大量Nb元素成为一种有效提高TiAl合金室温塑性和高温抗氧化性的方法。而Nb元素由于熔点高使得制备TiAl合金的难度加大,因此制备均质无偏析的TiAl合金,是其获得高温应用的关键。1第三代tial合金的成分设计TiAl合金的密度为3.85~4.2g/cm3,低于纯钛,且不足镍基高温合金密度的50%,是一种有望替代镍基合金的新型高温结构材料。它具有轻质、高比强度、耐磨、抗燃烧、抗氧化等优点,并且室温和高温力学性能优异,在航空航天、兵器制造以及汽车工业等领域有望得到工程化应用。TiAl合金的主要特点见表1。20世纪50年代初,国外开始对TiAl合金进行研究,至今TiAl合金已经发展到第三代(见表2)。20世纪50年代初,有人发现TiAl合金抗氧化及高温性能优良,但因其室温塑性差,研究进展十分缓慢。直到80年代初,第一代TiAl合金,即Ti-48Al-1V-0.3C出现,它是由美国设计的,主要为了改善TiAl合金室温塑性差、断裂韧性低的问题,但是该合金的综合性能无法满足实际需求,因此对它的研究只停留在实验室阶段。第二代以铸造TiAl合金为主,与第一代TiAl合金相比,优点突出表现在760℃时的比强度、蠕变抗力、抗氧化性等高温性能的提高,作为结构件有望取代镍基高温合金。第二代TiAl合金中具有代表性的是Ti-48Al-2Cr-2Nb铸造合金,由美国空军和GE公司联合开发,该合金通过添加Cr和Nb元素使得合金的室温强度、塑性和抗氧化性能均有所提高。目前采用该合金生产的零部件已经通过了发动机装机试验。另外,Howmet公司开发的Ti-(45~47)Al-2Mn-2Nb-0.8TiB2XD铸造合金(TiB2含量为体积分数),也是第二代TiAl合金的典型。TiAl合金目前已经发展到第三代,以锻造TiAl合金为主。在合金成分设计方面的考虑更加全面,既要改善合金室温塑性,又要提高高温强度、抗氧化性等性能。研究表明,TiAl合金的性能对其合金成分及组织极其敏感。为了改善TiAl合金的性能,在成分设计时,可以适当添加一些合金元素,达到固溶强化(或置换强化)、减小片层间距、提高合金强度的效果,还可以使晶粒细化、组织均匀,从而使合金的综合力学性能得到提高。因此,在第二代TiAl合金的基础上,第三代合金在成分设计上的突出表现是Nb元素的增加及Al元素的减少,具体变化有:(1)Nb元素的添加量增加,由2%~3%最大增至10%,研究表明,Nb元素有利于提高TiAl合金的高温抗氧化性能;(2)Al元素含量由47%~48%降到45%~47%,Al含量减少使得α2相含量增加,片层间距减小,从而提高合金的强度;(3)大量添加Ta、Mo元素,主要通过置换强化提高合金的强度和蠕变性能;(4)微量C、Si、N等元素的添加,主要通过间隙固溶强化使合金蠕变性能得到提高;(5)2%(原子分数)的Cr、Mn、V等过渡金属元素的添加,能够改善TiAl合金的塑性;(6)B元素的添加,通常可以细化晶粒,使得晶粒细小,组织均匀,则合金强度提高的同时塑性也会提高。目前,工程用TiAl合金的成分范围可以合并表示为Ti-(42~49)Al-(0~4)(Cr,Mn,V)-(1~10)(Nb,Ta,Mo)-(0~1)(W,Si,C,B)。按照Nb元素含量高低可以分为高Nb-TiAl合金(基础成分为Ti-45Al-(5~10)Nb)和普通TiAl合金(基础成分为Ti-48Al-(0~5)Nb)。Al含量降低,Nb含量升高,使得合金室温、高温强度提高,尤其是合金的抗氧化得到大幅度提高,同时可以保持室温塑性不降低,从而使得高Nb-TiAl合金的使用温度可以达到900℃以上。因此,Nb元素的大量添加使TiAl合金的发展进入了一个新的阶段,尤其是显著提高了合金在高温下的抗氧化性,从而提高其使用温度。2真空自耗铸造tial合金技术难点分析TiAl合金易生成脆性相且成分范围窄,因此,TiAl合金的冶金质量是决定其作为结构材料在航空航天领域应用的关键。TiAl合金中各组元的熔点、平衡蒸气压及非平衡凝固偏析系数差异较大,导致铸锭中常产生成分偏析,尤其是含量较高的Al元素,一般都存在至少2%(原子分数)的偏析,且铸锭规格越大,这种宏观偏析现象越严重。这种成分偏析可能形成另一种TiAl合金或金属间化合物,不能获得预期的材料性能。严重时铸锭会产生裂纹等冶金缺陷,无法进行后续热加工。同时,对于高Nb-TiAl合金而言,由于难熔金属Nb元素的加入量增加,在熔炼过程中,电流过大必然导致Al元素的挥发,而电流过小则会导致Nb元素夹杂,因此要得到均质、无偏析的高Nb-TiAl合金难度更大。钛合金常用的熔炼方法有3种:真空感应熔炼(SM)、真空自耗电弧熔炼(VAR)、等离子冷床炉熔炼(PM)。真空感应熔炼合金成分均匀性好,但元素烧损较为严重,且用于熔炼的坩埚材质一般为陶瓷或石墨,熔炼时坩埚中所含的C、Si等元素必然会导致合金杂质含量偏高,影响合金力学性能。另外高Nb-TiAl合金熔点高,若采用该方法熔炼,则其溶液温度高,浇注温度也就高,导致铸锭产生较大缩孔,无法进行后续加工。真空自耗电弧熔炼可解决铸锭宏观缩孔和疏松问题,更为重要的是可以直接利用熔炼钛合金的设备,为熔炼TiAl合金的首选方法。但是采用真空自耗熔炼TiAl合金仍然有2个技术难点:(1)合金各组元熔点差异大且非平衡凝固偏析系数不同,由于自耗熔炼是一种顺序凝固的方式,通常会在大尺寸铸锭中存在不同程度的元素偏析;(2)元素蒸气压差异大,同时合金元素含量较多时,为了能够充分合金化,一般进行3次熔炼,这样会导致Al元素挥发较为严重,控制较为困难。感应熔炼合金成材率远远小于自耗电弧熔炼,熔炼高Nb-TiAl合金时凝壳大小波动会造成成分波动,而Al含量却受凝壳和合金溶液挥发的共同影响。目前,通常采用真空自耗熔炼和等离子冷床炉熔炼普通TiAl合金。相关资料显示,俄罗斯VSMPO公司已经采用真空自耗熔炼方法制备出ue788480~ue788960mm、质量200~3000kg的TiAl合金铸锭,且没有肉眼可见的冶金缺陷,但存在严重的Al元素偏析。由于我国参与TiAl合金研究的企业较少,目前采用真空自耗熔炼的TiAl合金铸锭最大尺寸为ue788290mm,采用等离子冷床炉熔炼的TiAl合金可达吨级。对于高Nb-TiAl合金,采用真空自耗熔炼ue788200mm以下规格铸锭时,可以得到均质、无偏析及其他冶金缺陷的铸锭。当铸锭直径增大时,采用该方法通常会产生明显裂纹,甚至直接发生铸锭开裂等严重质量问题。图1a、b分别为采用真空自耗电弧炉进行3次熔炼所制备的ue788220mm普通TiAl合金和高Nb-TiAl合金铸锭的冒口部位,对比可以看出,同种工艺制备的同种规格的TiAl合金铸锭,高Nb-TiAl合金出现明显裂纹,而普通TiAl合金未见宏观冶金缺陷。同时从图1b还可以看出,这种裂纹一般从缩孔处向四周延伸。高Nb-TiAl合金铸锭除了存在宏观偏析以外,微观偏析也是一个很难解决的问题,特别是铸锭尺寸增大后这种微观偏析更为显著。无论采用3种常用熔炼方法中的哪一种进行高Nb-TiAl合金熔炼,观察发现都存在以下3种微观偏析:(1)S偏析,合金凝固过程中在枝晶间产生,使得枝晶间Al含量偏高而Nb含量偏低;(2)β偏析,在β→α相区产生,与S偏析产生的结果相反,形成了Nb含量偏高Al含量偏低的偏析区;(3)α偏析,Nb含量达到10%时,发生α→γ+α2+β相变而产生的高Nb偏析区。这些微观偏析会使合金出现带状组织以及残余相,从而造成合金性能大幅度降低。针对以上问题,首先应从原材料上降低熔点差异,将高熔点金属以中间合金的方式加入,平衡熔点差异的同时应避免高密度夹杂,实现成分均匀化。另外有研究表明,O、N、H等间隙元素的存在会增大TiAl合金的脆性,因此应选用高纯度的原材料。其次,应在熔炼工艺方面做如下改进:(1)采用多种熔炼方法复合的工艺,如首先采用真空感应凝壳熔炼进行充分合金化,并浇注成锭,再将该铸锭作为自耗电极采用真空自耗熔炼方法进行重熔,这种熔炼工艺不仅可以使合金化更加充分,同时解决了铸锭的宏观缩孔问题,使铸锭致密化,在此基础上已开发的熔炼工艺有VAR+PM、VAR+SM+VAR、PM+PM+VAR等;(2)熔炼时,在保证熔化的条件下,选用小电流,优化补缩工艺,减少气孔和缩孔等冶金缺陷,消除偏析,使组织中无B2相和带状组织产生;(3)通过其他处理方式来避免或是减少裂纹的产生,如铸锭熔炼后直接进行去应力退火来消除残余应力。这些措施还得依靠大型企业的先进设备及丰富的熔炼经验,需要高校及科研院所做出理论指导,共同合作进行TiAl合金均匀化铸锭的研制及生产。3tial和非定常产品的生产TiAl合金应用方面,国外在航空发动机领域已报道了10余种TiAl合金零部件,并且完成装机地面试验。主要用做航空发动机高压压气机叶片和低压涡轮叶片(见图2),减重效果十分明显。波音787和747-8飞机发动机上已经采用了美国GE公司研制的TiAl合金叶片,并实现发动机减重达72.5kg。而且从2000年开始国外以锻造代替铸造制备了TiAl合金叶片,其力学性能比铸造叶片的更高,但这种工艺对设备要求高,制造成本高。TiAl合金在航空航天领域还可用于制造部分非受力或非转动的部件及壳体、翼、蒙皮等。此外,在汽车工业领域,日本率先采用高Nb-TiAl合金制作跑车上的增压涡轮(见图3),另外,诸如排气阀、连杆等耐高温部件都可能用到TiAl合金。随着TiAl合金制备加工技术的发展,其应用领域会不断扩大。4我国tial合金的研究现状和对我国发展改革的迫切需要加强产学研合作TiAl合金是新一代高温结构材料,尤其是具有我国自主知识产权的高Nb-TiAl合金极大地扩大了TiAl合金的应用范围,有望在700~900℃条件下取代镍基高温合金。目前已经进行了基础及应用研究,而且在新型航空发动机及汽车工业领域已经得到部分应用。近年来,国内以北京科技大学为首的一些高校及科研院所在TiAl