粉末冶金TiAl基合金的研究進展

梁興華，姜 荃，梁均全

廣西大學材料科學與工程學院，廣西南寧 530000

0 引言

作為高溫結構材料,TiAl 基合金正受到業內界人士的越來越高度關注，良好的抗氧化性能，低密度，耐高溫性能等，讓其比之鎳基合金和鈦基合金更具優越性[1]，因此成為航空，國防，軍工等高科技領域極具吸引力的材料。然而，室溫塑性低，高溫屈服應力高和加工成形性差等，使得TiAl 合金廣泛應用受到嚴重的制約。因此,研究和開發針對TiAl 合金合理高效的制備與成形技術,是科技工作者的一個重要課題。常規制備TiAl 基合金的方法主要有粉末冶金，鑄造，鑄錠冶金等。其中粉末冶金方法有其顯著獨特優點∶克服了鑄造缺陷，如疏松縮孔等;加入合金元素來制備復合材料變得容易;材料成分均勻,顯微組織細小，力學性能優異;復雜零件易于實現近凈成形。

1 預合金粉末制備工藝

采用預合金粉末成型工藝制備TiAl 基合金首先要制備γ-TiAl 預合金粉末，之后經過模壓成型與燒結反應而制得所需制件的工藝。此工藝的成本有些昂貴，因為，Ti 熔點高且活性比較大，需要在制備過程中嚴格控制工藝，故難度也較大。現階段，發展出來很多方法制備γ-TiAl 預合金粉，其中主要被采用的有：霧化法、機械合金化法(MA)、自蔓延高溫合成法(SHS)等。此工藝所獲材料其晶粒大小，相分布以及合金元素分布的均勻性與相應的鍛件相比，都得到顯著提高。用預合金法，德國姆波公司制造出大型客機連接臂，和直升機葉片連桿接頭，產品相比于鍛件，材料和成本分別節省40%和34%[2]。隨后美國坩堝公司又開發出，可以制備全致密，形狀復雜的鈦合金近形產品的陶瓷模熱等靜壓技術，使得合金材料的力學性能得到進一步提升。

2 元素粉末法

元素粉末法是對Ti、Al 和Nb、Cr、Mo 等外加元素預壓成形，在高溫下反應合成之后進行致密化來制備TiAl 基合金材料的，制品組織細小、成分均勻。此法優點是成本比較低，工藝設備簡單而且容易添加各種高熔點合金元素，通過均勻化混合和高溫反應能避免成分偏析。元素粉末法制備TiAl 基合金，已經得到了廣泛研究，所制備出來的材料性能可與鑄造TiAl 基合金媲美。元素粉末法制備TiAl 合金時Ti，Al 元素會發生擴散反應，基本反應過程為[3]：6Ti+6Al →4Ti+2TiAl3, 4Ti+2TiAl3→Ti3Al+TiAl+2TiAl2，Ti3Al+2TiAl2+TiAl → 6TiAl。

3 成型工藝

預合金粉末屬硬脆粉末，不便直接模壓成形，所以采用擠壓方式進行成形。有冷擠壓和熱擠壓兩種方式。此工藝讓粉末晶粒得到了細化，組織均勻性和粉末間的高溫擴散能力得到提高。對于元素粉末擠壓可以消除壓坯膨脹開裂，而對于預合金粉末，擠壓也提高了粉末變形能力。隨著科技的進步，出現了很多新技術如：溫壓技術，流動溫壓技術，模壁潤滑技術，爆炸壓制技術，高速壓制技術等。這使得粉末冶金成形技術正向高性能化，高致密化方向發展。

4 燒結反應工藝

以下是對目前出現的幾種TiAl 合金粉末冶金燒結工藝簡單介紹。

4. 1 熱壓和熱等靜壓

熱壓和熱等靜壓是目前兩種很可行的制備鈦鋁基合金的工藝。在壓制的過程粉末的受力比較均勻，所得制件的致密度很高，力學性能很優異。經文獻和實踐所知，在1100℃～1300℃,壓力大于100MPa 時，將霧化TiAl 預合金粉末，直接進行熱等靜壓效果為最好。劉詠等人用此熱等靜壓的工藝方法所制得的鈦鋁基合金制件，致密度高，顯微組織細小，結果很是成功[4]。

4.2 自蔓延高溫合成工藝

自蔓延高溫合成（也被稱為燃燒合成方法），是利用化學反應過程所生成的熱量和產生的高溫，而使自身反應持續下去，進而獲得所需材料或制品的方法。該工藝簡單，高效節能，成本低且制品質量高,自問世后在世界范圍內得到了廣泛的研發與應用。其中開發出來的SHS 制備粉體，燒結，致密化技術，能夠制備出常規方法難以制備出的TiAl 化合物，且產物形狀復雜，致密度高，目前SHS 粉末技術已成功應用與工業生產且技術越發成熟。

4.3 放電等離子燒結

放電等離子體燒結亦叫作等離子體活化燒結,最早源于20世紀30 年代年美國人的脈沖電流燒結原理,但此快速燒結工藝真正發展成熟是90 年代從日本開始的，此后才得到廣泛的關注與研發。在裝有粉末的模具上聯通瞬間，斷續，高能脈沖電流，粉末顆粒間就能產生等離子放電現象，產生的高活性離子化的電導氣體,迅速消除粉末粒表面的雜質和氣體, 并加快粉末的凈、活、均化等效應[5]。SPS 藝有其獨特優勢：加熱均勻,燒結溫度低且升溫速度快,產品組織細小均勻且致密度高。研究表明，用MA 技術與SPS 技術結合制備出的TiAl 合金，組織均勻，性能優良。

4.4 粉末注射成形工藝

此技術是把塑料注射成形工藝和傳統粉末冶金技術相互結合，而發展成為一種新型的近凈成形的工藝。主要步驟為：混合粉末與粘結劑，注射成形，脫模，燒結。此工藝制備的制件致密度高，組織均勻，性能優越，能夠制備質量要求高且精密復雜的制品，而且成本低，自動化程度高，材料利用率幾近百分百。因此該工藝在國際上很熱門，很受歡迎。采用PIM 工藝制備出的TiAl 合金組織細小均勻，相對密度高，性能優良，而且成本與傳統工藝比大大降低，當然此方面的研究還有廣闊空間。

5 粉末冶金TiAl 基合金的力學性能

作為高溫結構材料，TiAl 合金因為低的密度，高強度系數，良好的抗氧化性能和抗蠕變性能等，而備受關注與歡迎。然而因低室溫延展性，難加工性，使其被廣泛應用受到制約[6]。如何使其強度和延展性相平衡是一個很大挑戰，有關此方面的研究工作一直在進行。研究表明，TiAl 合金中增加Nb 能改善TiAl 合金高溫抗氧化性能，適量Cr 可以提高延性，B 可以細化晶粒, 提高抗蠕變性能。經過不斷地改進和完善，粉末冶金TiAl 合金的一些力學性能已得到了顯著的提高。近期研究發現，合金添加Mo，V 和Ag 能改善顯微組織，在1350 度燒結能提高其致密度能達到96%，而抗壓縮強度可達到1782MPa。然而,孔隙的難以徹底消除，間隙元素難于控制等問題，還需要不斷地克服。

6 結論

TiAl 合金因其獨特的性能在軍工，航空等高技術產業占有重要地位，采用粉末冶金工藝制備TiAl 基合金，優勢明顯，能夠制備得精密度很高的制件。在TiAl 合金制備技術中，極富吸引力，進而脫穎而出。然而，粉末冶金法制備TiAl 基合金技術并不是完美至極的，還有一些工作需要進一步研究和拓展：控制間隙元素和雜質的污染；合金元素的合理選擇與添加，改善TiAl 合金的性能；進一步完善致密化技術，讓顯微組織更加均勻細化，消除孔隙缺陷等；進一步研發讓生產低成本，高效率，規模化，不但為軍用而且為民所用，促進經濟的發展。粉末冶金鈦鋁合金技術有其獨特的優勢和地位，若得到進一步改進和完善，對我國的經濟發展，國力的提升，具有重大意義。

[1]Q.Liu，P.Nash. The effect of Ruthenium addition on the microstructure and mechanical properties of TiAl alloys[J]. Intermetallics 2011(19)：1282-1290.

[2]趙瑤，賀躍輝.粉末冶金Ti6Al4合金的研制進展[J].粉末冶金材料科學與工程，2008，13(2).

[3]Wang G X，Dahms M.PMI，1992，24(4)：219-225.

[4]劉詠，黃伯云，周科朝，等.熱等靜壓對粉末冶金TiAl合金顯微組織和相成分的影響[J].粉末冶金技術，2001，19 (3)：1651-1653.

[5]X.F.Ding，J.P.Lin，L.Q.Zhang.Materials and Design[J].Microstructures and mechanical properties of directionally solidified Ti-45Al-8Nb-(W, B, Y) alloys.201(32)：395-400.