TiAl基金屬間化合物的研究現狀與發展趨勢

李金山,張鐵邦,常 輝,寇宏超,周 廉,2

(1.西北工業大學凝固技術國家重點實驗室,陜西 西安 710072)(2.西北有色金屬研究院,陜西 西安 710016)

TiAl基金屬間化合物的研究現狀與發展趨勢

李金山1,張鐵邦1,常 輝1,寇宏超1,周 廉1,2

(1.西北工業大學凝固技術國家重點實驗室,陜西 西安 710072)
(2.西北有色金屬研究院,陜西 西安 710016)

系統地總結了TiAl基金屬間化合物結構材料的研究現狀、存在的問題以及在航空航天等領域的應用情況。對TiAl基金屬間化合物的組織控制與性能研究、冶金熔煉、成形加工等進行了歸納,結合TiAl基金屬間化合物材料與應用研究取得的新進展,預測了TiAl基金屬間化合物輕質結構材料在今后一段時期的發展趨勢。

TiAl;金屬間化合物;冶金;超塑性;研究進展;發展趨勢

前 言

金屬間化合物由于其原子的長程有序排列和原子間金屬鍵與共價鍵的共存性,使其可能同時兼顧金屬的塑性和陶瓷的高溫強度,T iAl基金屬間化合物因其優異的高溫力學性能與低的密度而在航空航天等方面受到高度重視。TiAl基金屬間化合物的彈性模量、抗蠕變性能等均比鈦合金好得多,與Ni基高溫合金相當,但密度還不到Ni基合金的1/2,使用溫度可望達到900℃以上,室溫模量可達176 GPa,且隨溫度升高而緩慢下降,可以填補高溫鈦合金和Ni基高溫合金的使用空白,有望用于噴氣發動機和渦輪等航空航天、汽車工業的耐高溫部件以及超高速飛行器的翼、殼體等,被認為是最有應用潛力的新一代輕質耐高溫結構材料[1-4]。GE公司近期宣布,用于波音787和747-8民航客機的GENX發動機低壓渦輪后兩級葉片將采用T iAl基金屬間化合物,減輕發動機重量約200 kg,這是該體系合金作為結構材料首次在航空工業領域批量應用,對航空發動機的減重意義重大,推動了全球TiAl基金屬間化合物的研究熱潮[5]。

TiAl基金屬間化合物所獨有的輕質高強等特性,使其作為新型航空航天用高溫結構材料受到研究者的重視。但是,由于其具有明顯的室溫脆性,拉伸過程中延伸率不足1%即會斷裂,并且在熱加工過程中晶粒會急劇長大,導致進一步脆化,可加工性很差,而使其應用遇到困難。目前T iAl基金屬間化合物應用存在的主要問題:①性能對成分高度敏感,加工溫區太窄;②中低溫強度低,而且依靠加工硬化來提高強度幾乎不可能;③無Cr的TiAl基金屬間化合物在500～900℃的耐腐蝕性能差;④元素熔點差異大,熔鑄高質量合金錠比較困難并且成本很高[6]。

具有本征脆性的TiAl基金屬間化合物能否作為高溫結構材料應用,其強韌化改性和相關物化性能的研究是基礎,先進的成形加工技術是關鍵,冶金熔煉技術是必不可少的支撐。TiAl基金屬間化合物結構材料的基礎研究與應用開發涉及物理冶金、材料工藝及成形加工等多個學科方向。

基金屬間化合物的組織控制與性能研究

有序基金屬間化合物普遍存在脆性問題,T iAl也不例外。為了解決由于對稱性低、滑移系少、共價鍵電子數在總價電子數比例高等因素造成的TiAl基金屬間化合物脆性,近年來在該體系的研究方面開始轉向雙相T iAl基金屬間化合物,利用Al和其它合金元素的含量來控制延展性相對較好的α2-Ti3Al相與γ-T iAl脆性相的含量百分比,從而達到降低TiAl基金屬間化合物脆性[7]的目的。借助合金化[7-12]、工藝控制[13-16],以及顆粒或纖維增強制成復合材料[17-20]等,可以實現部分改善TiAl基金屬間化合物塑性、韌性和高溫抗氧化性的目的。近年在TiAl基金屬間化合物性能改善方面取得了較為顯著的成效。

大量研究結果表明,TiAl基金屬間化合物的力學性能對合金成分和組織極其敏感,通過添加第三組元固溶或沉淀強化、控制組織形態和晶粒大小等方法能夠改善T iAl基金屬間化合物的力學性能和高溫抗氧化性。各國研究人員圍繞TiAl基金屬間化合物的成分設計、組織控制及合金的構效關系等方面做了許多卓有成效的工作,使TiAl基金屬間化合物的部分力學性能得到明顯提高。根據現有實驗結果,TiAl基金屬間化合物Al含量的減少通常能提高合金的強度,但同時也在一定程度上降低了合金的延展性和高溫抗氧化性;2%(原子分數)的Cr,Mn,V等過渡金屬元素的添加能改善T iAl基金屬間化合物的塑性;Nb的添加有利于提高T iAl基金屬間化合物的高溫抗氧化性能;少量W,Mo,Si,C等元素的添加對改善合金的抗蠕變能力有所幫助;B的添加通常能細化晶粒并能穩定合金在高溫環境中的結構穩定性[7]。T iAl基金屬間化合物的室溫塑性還與顯微組織形態、晶粒大小密切相關,顯微組織越均勻,合金的室溫延伸率就越高[16]。文獻[21]的研究結果表明,TiAl基金屬間化合物中片層組織含量的增加會提高雙態組織T iAl基金屬間化合物的屈服強度,但同時會降低合金的室溫塑性。TiAl基金屬間化合物材料研究領域知名專家Kim指出:該合金體系中的拉伸塑性和斷裂韌性是反向關聯的,并且認為這種反向關聯來自這些參數對晶粒尺寸的相反依賴性[9]。合金元素的添加在起到固溶強化或時效強化的同時,通常也能細化晶粒,改變片層間距,進而對合金的性能產生影響。

在大氣環境中,溫度高于800℃時,TiAl基金屬間化合物通常會被氧化,形成不具有保護性的T iO2或TiO2/Al2O3的混合氧化膜,最終導致T iAl高溫抗氧化性能急劇下降[22]。對TiAl基金屬間化合物高溫抗氧化性的研究也是該領域研究熱點之一,目前主要集中在離子注入、熱噴涂、激光熔覆等表面改性技術。等溫氧化研究結果表明,在表面涂覆約8μm的TiAl3涂層,可以使TiAl金屬間化合物在1 000℃空氣環境中不被嚴重氧化。這是由于表層TiAl3中的Al元素在氧化過程中迅速與大氣和基體T iAl反應生成具有保護作用的TiAl2和Al2O3膜,進而提高TiAl基金屬間化合物的高溫抗氧化能力[23]。

要想在較寬的溫度范圍內與高溫合金競爭,TiAl基金屬間化合物除須改善塑性指標外,還必須具有優良的高溫強度、斷裂韌性和高溫抗氧化性等。目前TiAl基金屬間化合物在綜合力學性能平衡等方面尚有不少技術難題亟待突破,距實際工程應用仍有相當大的差距。調整成分、控制組織等對TiAl力學性能的改善作用是有限的,改善T iAl基金屬間化合物某一性能通常會部分損失其它相關性能,綜合力學性能難以平衡。如何在提高強度的同時不降低塑性和韌性,是當前TiAl基金屬間化合物研究所面臨的最大挑戰;合金元素對TiAl基金屬間化合物性能的影響機制目前尚無明確認識,仍需深入的理論和實驗研究;TiAl基金屬間化合物高溫抗氧化性改善方面的研究主要集中在表面改性方面,一旦表面改性層在高溫下被破壞,合金的抗氧化性能則會急劇下降,尚不能從本質上解決TiAl基金屬間化合物高溫抗氧化問題。

基金屬間化合物的冶金熔煉

金屬材料的冶金質量對其綜合服役性能通常起著決定性的作用。曾發生過多起因低密度夾雜、縮孔疏松等冶金缺陷造成飛機發動機零件失效而導致飛行事件。具有本征脆性的TiAl基金屬間化合物的裂紋擴展速度極快,其性能對冶金缺陷極度敏感,能否作為結構材料在航空航天領域得到工程化應用,其關鍵在于熔煉過程中成分偏析、夾雜等缺陷是否得到控制,TiAl基金屬間化合物純凈化、均質化的冶金質量控制,將是當前及今后一段時期內工程化應用基礎研究的重要方向之一。

由于T iAl基金屬間化合物的組成元素的熔點和密度的差異及非平衡凝固偏析系數不同,其大型鑄錠不可避免的會存在成分偏析,以Al元素為例通常有約2%(原子分數)的宏觀偏析。TiAl基金屬間化合物鑄錠中的冶金缺陷、成分偏析會使后續熱機械加工不可控并且得不到均勻組織,嚴重影響其綜合力學性能和高溫抗氧化性[13]。北京科技大學陳國良院士團隊近期的研究結果表明,真空自耗電弧爐或等離子體冷床爐熔煉的高Nb-TiAl基金屬間化合物,當鑄錠尺寸較小時(小于160～200 mm),能得到成分和組織相對均勻的鑄錠,但仍存在大量的枝晶及組織的宏觀偏析和高Nb造成的微觀偏析;當鑄錠尺寸較大時,通常會存在明顯裂紋甚至直接發生鑄錠開裂等嚴重質量問題[14]。俄羅斯的VS MPO公司采用真空自耗電弧熔煉制備出直徑480～960 mm、質量200～3 500 kg的T iAl基金屬間化合物大尺寸鑄錠,鑄錠中未觀察到明顯的宏觀冶金缺陷,但Al元素的偏析現象仍較為嚴重[15]。文獻[24-25]的作者使用陶瓷坩堝或涂層保護的石墨坩堝,采用感應加熱,熔煉TiAl基金屬間化合物,在成分均勻性方面有所改進,但引入了較多的涂層和坩堝中所包含的C,Si等元素,影響其力學性能。從現有研究結果來看,真空自耗電弧熔煉仍不失為TiAl基金屬間化合物適宜的熔煉方式,更為重要的是可以直接利用鈦合金的生產設備,進行工程化應用。T iAl基金屬間化合物的自耗電弧熔煉存在兩個亟待解決的主要問題:其一,由于元素熔點、密度及非平衡凝固偏析系數的差異,通常會在大錠中導致不同程度的元素偏析,影響其力學性能;其二,海綿鈦或中間合金中常見的低密度和高密度夾雜物的熔點很高,在TiAl熔體中如果不經過長時間的停留一般是無法得到充分溶解和擴散的,有時即使采用3次熔煉也不能完全消除。

圍繞TiAl基金屬間化合物大尺寸鑄錠的熔煉,國內外學者在自耗電弧熔煉工藝改進、缺陷控制、熔煉過程模擬等方面做了較多的工作。西北工業大學開展了鈦合金及TiAl基金屬間化合物熔煉過程模擬的相關研究,以熱力學及動力學為基礎對鑄錠的冶金過程進行模擬計算,建立對熱量、溶質及動量傳輸描述的計算機模擬系統[26-27]。結合工藝驗證,初步掌握高Ti及T iAl冶金和凝固過程中的成分分布規律、異質夾雜的遷移和分離行為、缺陷形成機制及其控制方法,發展了高性能TiAl基金屬間化合物的高均質化及凝固缺陷控制技術,在T iAl基金屬間化合物冶金過程中純凈化、均質化機理及調控方法的研究方面取得了積極進展。

基金屬間化合物的先進成形加工技術

T iAl基金屬間化合物工程檢驗階段的研究成果預示著一場高溫結構材料的革命即將到來,然而,要真正實現這場變革,TiAl基金屬間化合物成形技術這一瓶頸問題亟待解決。在設計與性能研究的基礎上,T iAl基金屬間化合物成形技術的研究和開發也逐漸成為其應用研究的熱點之一[28-35]。

超塑性成形技術是利用材料在一定溫度和應變速率范圍內表現出的超塑性行為而進行材料加工成形的一種技術。迄今為止,人們已經在近γ組織、雙態組織和含有亞穩β相組織的TiAl基金屬間化合物中發現了超塑性現象。近γ組織由γ+α2雙相組織組成,是TiAl基金屬間化合物的最常見組織,具有優良的超塑性,超塑性溫度一般為800～1 050℃[33-35]。現有研究結果表明,TiAl基金屬間化合物的超塑性主要受成分、顯微組織、晶粒尺寸和變形溫度等因素的影響[28-36]。早在1992年, Imayev等人利用粉末冶金制備技術,制備出TiAl基金屬間化合物,經鍛造和熱處理后獲得平均晶粒尺寸約為5μm的均勻等軸晶組織,在1 025℃時的延伸率高達200%～250%。同時還發現晶粒尺寸減小至亞微米時,呈現超塑性時的溫度顯著降低,當平均晶粒尺寸約為0.4μm時,在800℃即表現出超塑性,延伸率為225%[36]。由此可見,適當的成分設計、工藝處理可以使TiAl基金屬間化合物具有顯著的超塑性,超塑成形有望成為解決TiAl基金屬間化合物成形難題的有效方法之一[37]。現已報道利用超塑性成形技術可以成功制備出TiAl基金屬間化合物排氣尾噴管、側翼等[38]。近期,西北工業大學重點在T iAl基金屬間化合物的超塑性成形工藝研究方面做了較為系統的探索性研究工作,并聯合相關科研機構共同設計開發了適用于TiAl基金屬間化合物的630T超塑成形實驗設備,試制出TiAl超塑成形試驗件,同時在超塑性基礎研究和成形過程模擬方面也積極開展了工作,取得了階段性成果,可以初步預測TiAl基金屬間化合物在超塑性成形過程的顯微組織、板材厚度、應力分布等變化規律,為超塑成形提供理論支持和技術指導。

結 語

TiAl基金屬間化合物工程化應用的關鍵在于材料綜合力學性能的突破、大錠熔煉工藝控制和開發切實可行的成形技術等。北京科技大學、上海交通大學、哈爾濱工業大學、西北工業大學、鋼鐵研究總院等單位在TiAl基金屬間化合物材料性能研究和成形技術開發等方面取得了可喜的進展,為推動該合金體系的工程化應用做出了階段性的貢獻。隨著航空航天技術的不斷發展,為提高發動機的熱效率和減輕零部件的自重,對發動機用TiAl基輕質結構材料的性能提出了更高的要求,從現有研究結果來看,提高TiAl基金屬間化合物的抗拉強度、延伸率或抗氧化性等單一性能指標相對較容易,但其綜合力學性能難以平衡,造成材料的可加工性降低且難以滿足實際應用需求;由于T iAl基金屬間化合物的組成元素的熔點和密度的差異及非平衡凝固偏析系數不同,工程化放大生產時,成分偏析等冶金缺陷的控制對其綜合力學性能至關重要,TiAl大錠的熔煉和缺陷控制將會成為今后一段時期該合金體系工程化應用基礎研究的熱點;從現有結果及發展趨勢來看,短期內,常規金屬材料成形方式在解決TiAl基金屬間化合物材料的成形問題上難有大的突破,超塑成形技術有望成為TiAl基金屬間化合物制品加工的有效方式之一,并會受到越來越多的關注。

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Recent Achievements and Future Directions of TiAl-Based Inter metallic Compounds

LI Jinshan1,ZHANG Tiebang1,CHANG Hui1,KOU Hongchao1,ZHOU Lian1,2

(1.State Key Laboratory of Solidification Processing,Northwestern Polytechnical University,Xi′an 710072,China)
(2.Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xi′an 710016,China)

The recent achievements,main problems and applications of T iAl-based inter metallic compounds are reviewed in this paper.The mechanical properties,metallurgy and deforming technology of TiAl-based alloys are systemic summarized.Combine the up to date fruits,the possible near future developing directions of light-weight TiAl-based inter metallic compounds for high temperature structural applications are forecasted.

T iAl;inter metallic compounds;metallurgy;superplastic;recent achievements;future directions

TG146.2

A

1674-3962(2010)03-0001-05

2009-11-30

李金山,男,1966年生,博士,博士生導師