TiAl合金板材的制備與組織分析

陳玉勇，孔凡濤，崔　寧

(哈爾濱工業大學 金屬精密熱加工國家級重點實驗室，哈爾濱 150001)

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第一作者：陳玉勇，男，1956年生，教授，博士生導師

TiAl合金板材的制備與組織分析

陳玉勇，孔凡濤，崔寧

(哈爾濱工業大學 金屬精密熱加工國家級重點實驗室，哈爾濱 150001)

摘要：TiAl金屬間化合物板材以其低密度、高強度、高剛度和優異的抗蠕變和抗氧化性能等優點，在航空航天領域，成為替代700～900 ℃使用的高溫合金板材的重要高溫結構材料。目前，TiAl金屬間化合物板材的制備方法主要為鑄錠冶金技術(IM)和粉末冶金技術(PM)。本文采用鑄錠冶金技術(近等溫包套軋制技術)成功制備了尺寸為700 mm×200 mm×2 mm的TiAl合金板材。TiAl合金板材外觀完整，無宏觀及微觀裂紋等缺陷。TiAl合金板材顯微組織為近雙態組織，由γ相、B2相和少量的α2相、YAl2相組成。其中B2相含量達到24%，呈塊狀或片狀分布在γ相基體中，B2相高溫下轉變為無序β相可顯著改善合金的高溫變形能力。TiAl合金板材顯微組織中存在較多的塊狀γ相和B2相，這主要是由于高溫軋制過程中的動態再結晶和靜態再結晶引起的。

關鍵詞：TiAl合金；鑄錠冶金；熱軋；板材；組織；再結晶

1前言

TiAl合金比重不到鎳基合金的50%，使用溫度可達700～900 ℃，具有輕質、高強、耐蝕、耐磨、耐高溫等性能優點，逐漸成為航空、航天等領域重要的備選材料[1-2]。TiAl合金板材制備技術是當前TiAl合金領域重要的研究方向之一，鑄錠冶金、粉末冶金、鑄軋技術、箔材疊層擴散、EBPVD以及增材制造等多種技術均用于TiAl合金板材制備技術的研究[3-6]，其中鑄錠冶金和粉末冶金兩種技術研究較系統。TiAl合金板材除了有望直接用作結構外，還可以作為超塑性成形的預成形材料。近些年來，TiAl合金板材在熱結構及熱防護性系統中的應用，已經被納入未來歐洲航空運輸研究計劃(FESTTP)，歐洲準備將TiAl板材應用于高速民用運輸機(HSCT)和可重復使用的單級入軌(SSTO)太空船(RLV)。歐洲未來的飛機A3XX以及美國NASA在研的新型可重復使用的航天飛機的防熱結構也準備大量使用TiAl合金板材。

但是，到目前為止，TiAl合金制備技術中存在的問題仍然沒有得到很好的解決，特別是采用熱軋工藝制備板材時很容易開裂，使得到大尺寸、高質量板材非常困難。原因一方面是近等溫包套軋制工藝的控制較難，另一方面主要是傳統的TiAl合金屬于難變形合金，不適合高溫軋制成形。從軋制工藝角度，大多采用以下方法來改善TiAl合金板材成形困難問題：①對軋制前的材料質量要求高；②采用特種包套軋制技術進行軋制，包套工藝設計嚴格；③在α+γ兩相區進行軋制，由于變形過程中溫降較快，道次間要回爐加熱；④仔細選擇軋制速度與道次變形量等加工工藝，避免苛刻的應變速率影響；⑤避免軋制過程中板材的氧化等。但即使仔細控制工藝參數，通過軋制生產出較大尺寸的TiAl合金板材也是非常困難的。

近年來研究發現[7-10]，加入大量的特定β相穩定元素(如V,Cr,Mn,Mo)及少量的晶粒細化元素(如Y,B,C)，得到的beta-gamma TiAl合金，其熱加工性能要遠好于傳統TiAl合金，是一種非常有潛力的變形合金。從熱加工性能上看，該合金高溫流變應力低，高溫變形能力較好，在熱加工過程中不容易產生裂紋等缺陷。從相構成上看，該合金主要含有β(或B2)相和γ相，而α2相非常少，有些合金中β/B2相的體積百分比甚至可以達到20%以上。可通過后續熱處理，控制熱加工后beta-gamma TiAl合金的顯微組織及相組成，這有利于調控常溫、高溫力學性能。本文通過采用鑄錠冶金技術制備了一種beta-gamma TiAl合金(Ti-43Al-9V-Y，原子百分數)板材，并對其顯微組織進行了系統分析。

2實驗方法

實驗用原材料為海綿Ti (> 99.7%)，高純Al (> 99.99%)，其它添加元素均為添加金屬與Al的中間合金。合金名義成分為Ti-43Al-9V-Y(原子百分數)。按照設計的成分配料后，在真空自耗電極電弧熔煉爐 (VAR) 中熔煉成鑄錠。將鑄錠進行均勻化退火處理 (900 ℃/48 h) 和熱等靜壓處理 (HIP)。HIP采用Ar氣作為保護氣氛，邊升溫邊充Ar氣直至170 MPa，在1 250 ℃下保溫4 h后隨爐緩冷。經HIP后對材料進行包套鍛造(始鍛溫度1 200 ℃，總變形量>85%)，鍛后將材料在900 ℃條件下退火48 h。將退火后的材料切割成試樣，采用不銹鋼包套后，在熱軋機上近等溫包套軋制成板材。包套軋制主要工藝參數如下：開軋溫度1 200 ℃，軋制速度<0.5 m/s，道次變形量約10%，道次回爐時間 5～20 min，總變形量>70%。軋后板材爐冷至400～500 ℃后，空冷至室溫。采用XRD，帶有EDS和EBSD的SEM，TEM對TiAl合金板材的相組成及顯微組織進行觀察與分析。

3結果與討論

采用鑄錠冶金技術制備的大尺寸TiAl合金板材如圖1a所示。合金板材的尺寸約為700 mm×200 mm×2 mm。從宏觀形貌看，經包套軋制后的Ti-43Al-9V-Y合金板材變形均勻，未出現裂紋等質量缺陷，表明Ti-43Al-9V-Y合金本身具有較好的熱加工性能。這主要得益于鍛態組織中較多的γ和B2相。關于γ相的變形機制已經被廣泛研究，在熱加工條件下，γ相通過開動位錯和孿晶滑移可以獲得大變形。室溫B2相在高溫下會轉變為無序的體心立方β相，β相可為變形提供較多的滑移系，作為變形潤滑劑，承載部分變形，進而改善合金的高溫變形能力。同時，Ti-43Al-9V-Y合金細小的顯微組織，對高溫變形也極為有利[11]。對Ti-43Al-9V-Y合金板材進行XRD分析，結果如圖1b所示。XRD結果表明，板材主要由γ相、B2相組成，而α2相衍射峰基本與其它相的衍射峰重合，說明板材中α2相含量不高，難以分辨。Ti-43Al-9V-Y合金板材與鑄態和鍛態合金的相組成基本一致[11]。

圖1　 TiAl合金板材宏觀形貌(a) 及TiAl合金板材的XRD花樣(b) Fig.1　 Morphology(a) and XRD pattern (b) of TiAl alloy sheets

圖2為Ti-43Al-9V-Y合金板材的BSE組織。可以看出，Ti-43Al-9V-Y合金經熱軋后，顯微組織比較均勻，軋態組織接近于雙態組織(DP)，由不平直的板條和塊狀相組成。為確定合金的相組成，在Ti-43Al-9V-Y合金板材組織中選取3個不同的區域(如圖2b所示)，進行EDS分析，結果如表1所示。圖2b中，深色相(A點)為基體相，其Ti和Al的原子比接近1∶1，確定為γ-TiAl相；灰白色相(B點)中含有較多的V，V原子和Al原子的原子數之和等于Ti原子數，判斷為B2相，該相是β相穩定元素V偏聚形成的一種熱平衡相；亮白色相(C點)，為Y析出，與析出的Al作用形成的YAl2相。圖1b的XRD花樣顯示板材的相組成中有α2-Ti3Al的存在，但在BSE圖片中難以辨別，這一方面是由于板材中α2相含量較少，另一方面由于α2相的對比度較低，在SEM圖片中較難分辨。由Ti-Al-V三元相圖可以推測，在1 200 ℃進行軋制過程中，高溫α相發生反應：α→β+γ，導致在軋制后的板材內部由于α相有序化，形成的α2相含量較少。

圖2　Ti-43Al-9V-Y合金不同放大倍率的BSE像Fig.2　BSE images of TiAl alloy sheet

PointTiAlVYPhaseA46.9248.454.510.12γB50.2234.9614.760.06β/B2C9.259.931.8329.04YAl2

由圖2可以看出，不同尺寸的片層狀B2相隨機分布在γ基體中，而YAl2相較少，以點狀在基體中隨機分布。板材內部各相大多呈條塊狀，平直的層片組織較少，這說明在Ti-43Al-9V-Y合金板材軋制變形過程中，發生了明顯的動態再結晶，同時，道次間回爐過程中也發生了靜態再結晶。條塊狀相尺寸較大，說明高溫軋制過程中，也會伴隨再結晶晶粒的長大。

由于α2較低的含量和對比度，在XRD結果和SEM圖片中很難辨別，進一步對Ti-43Al-9V-Y合金板材進行了EBSD分析，如圖3所示，灰色相為γ相，灰白色相為B2相，而黑色相為α2相。由相分布圖可知：主相為γ相，含量為71.8%；B2相含量約為24%，呈塊狀或片狀分布在γ相基體中；而α2相含量極少且尺寸很小，含量僅有4%，在合金組織中隨機分布。小尺寸的α2相隨機分布在合金組織中，也可能起到一定的彌散強化作用，進而提高合金的強度。

圖3　Ti-43Al-9V-Y合金的相分布圖(EBSD)Fig.3　Phase map of Ti-43Al-9V-Y alloy (EBSD)

為進一步確定Ti-43Al-9V-Y合金板材的微觀組織形貌，對其進行了TEM分析。圖4為Ti-43Al-9V-Y合金板材的TEM照片。從圖4a可以發現，γ-TiAl相具有等軸狀和層片狀兩種形態。等軸γ晶粒的形成，是由于軋制過程中，在較高的溫度和應力作用下，合金發生了明顯的再結晶及晶粒長大。γ層片寬度較窄且不平直，這與傳統TiAl合金的平直層片形貌具有顯著不同。同時還可以觀察到，在γ層片之間，還分布著B2相的層片，不平直γ層片和B2層片的形成是由于添加大量β相穩定元素V引起的，這與鑄態與鍛態Ti-43Al-9V-Y合金的研究結果基本一致。此外，在合金TEM組織中還發現較多的塊狀B2相和少量的塊狀α2相，如圖4b所示，說明B2相主要是以塊狀存在，這也與上述EBSD分析結果相同。

圖4　Ti-43Al-9V-Y合金組織TEM照片Fig.4　Bright-field TEM images of Ti-43Al-9V-Y alloy

4結論

采用近等溫包套軋制工藝成功制備了尺寸達700 mm×200 mm×2 mm的Ti-43Al-9V-Y合金板材。板材變形均勻，外觀良好，未出現裂紋等質量缺陷，表明Ti-43Al-9V-Y合金本身具有較好的熱加工性能。板材組織為近雙態組織，由γ、B2和少量的α2、YAl2組成，其中B2相含量達到24%，呈塊狀或片狀分布在γ相基體中，B2相高溫下轉變為無序β相可顯著改善合金的高溫變形能力。Ti-43Al-9V-Y合金板材組織中存在較多的塊狀γ和B2相，這主要是由于軋制過程中再結晶引起的。

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(編輯蓋少飛惠瓊)

特約撰稿人張　虎

張虎:男， 1964年生，教授，博士生導師。1990年于哈爾濱工業大學材料科學與工程學院獲工學博士學位。 1993年自北京科技大學材料科學與工程學科博士后流動站出站。 現為北京航空航天大學材料科學與工程學院教授、博士生導師。主持和承擔國家自然科學基金項目、國家“863”項目、國防“973”項目、國防預研項目、國防基金項目和國防重大專項項目等多項國家和企業科研項目。研發的“低壓鑄造計算機控制系統”市場占有率一度超過70%，被汽車車輪行業譽為“改變了整個行業的技術”。近5年發表SCI論文50余篇，獲國家發明專利28項。 主要研究方向：純凈化熔煉與精密成型技術；高溫結構材料；特種加工方法與設備。

特約撰稿人孔凡濤

孔凡濤:男，1971年生，教授，博士生導師。2003年于哈爾濱工業大學材料科學與工程學院獲工學博士學位，2009～2010年任新西蘭懷卡托大學Research Fellow，兼任中國材料研究學會-金屬間化合物與非晶合金分會理事，先后主持國家自然科學基金、國防“973”等課題多項，承擔國家“973”子課題、國家科技重大專項子課題、“十一五”、“十二五”總裝預研項目等課題20余項。在國內外學術期刊及會議上發表論文120余篇，其中SCI收錄80余篇，EI收錄100余篇，SCI他引400余次。獲黑龍江省科學技術獎自然科學一等獎1項、自然科學二等獎1項，獲授權國家發明專利10余項。主要從事鈦合金及TiAl金屬間化合物凝固組織控制、精密鑄造、高溫鍛造、軋制、復合材料及粉末冶金等方面的研究工作。

Preparation and Microstructural Analysisof TiAl Alloy Sheet

CHEN Yuyong, KONG Fantao,CUI Ning

(National Key Laboratory for Precision Hot Processing of Metals, Harbin Institute

of Technology, Harbin 150001, China)

Abstract：TiAl intermetallics sheets, which can be used to replace heavier superalloy sheets in the working temperature range of 700～900 ℃, have continued to attract so much attention from aerospace applications because of its low density, high strength, high stiffness and good creep and oxidation resistance. At present, two main preparation methods, ingot metallurgy (IM) and powder metallurgy (PM), are developed to produce TiAl alloy sheets. In this paper, TiAl alloy sheets with dimensions of 700 mm×200 mm×2 mm were produced by ingot metallurgy technology (near-isothermal packed rolling). The microstructure of the sheets is near duplex structure, which is composed of γ phase, B2 phase and a few α2phase, YAl2phase. The content of massive/lamella B2 phase distributed in γ phase matrix is about 24%. B2 phase changed into disordered β phase at high temperature can significantly improve the hot deformability of TiAl alloys. The main deformation mechanism of TiAl alloy is dynamic recrystallization and static recrystallization in the hot rolling process.

Key words：TiAl alloys; ingot metallurgy; hot rolling; sheet; microstructure; recrystallization

中圖分類號：TG146.2+3

文獻標識碼：A

文章編號：1674-3962(2015)05-0379-04

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2015.05.09

通訊作者：孔凡濤，男，1971年生，教授，博士生導師，Email：kft@hit.edu.cn

基金項目：新金屬材料國家重點實驗室開放基金(2013-ZD06)；國家自然科學基金(51471056)；國家973項目(2011CB605502)

收稿日期：2014-04-30