Ti2AlNb金屬間化合物研究進展

劉鵬

摘要：Ti2AlNb是一種極具潛力的航空材料，詳細介紹該合金特點及性質，并介紹該合金研究進展，以期該合金得到有效利用。

關鍵詞：Ti2AlNb;金屬間化合物。

1.Ti2AlNb金屬間化合物簡介

隨著航空、航天、航海、車輛等對發動機性能的不斷提高，在滿足一定加工性能的前提下，制備更高比強度、比模量、服役溫度及綜合性能的新型材料是發展的必然趨勢[1]。Ti-Al系金屬間化合物正是順應這一需求發展起來的一種新型高溫結構材料，它已經引起了材料界的廣泛關注[2-4]。

金屬間化合物是指由兩個或更多的金屬組元以整數比（化學劑量）組成的具有不同于其組成元素的長程有序晶體結構、且具有金屬基本特性的化合物[5]。金屬間化合物由于其原子排列的長程有序以及原子間金屬鍵與共價鍵共存，使其有可能兼顧金屬的較好塑性和陶瓷的高溫強度，從而成為新一代高性能的高溫結構材料。

Ti2AlNb基金屬間化合物是在Ti3Al金屬間化合物基合金的增強增韌研究中新發展起來的一類Ti-Al-Nb系金屬間化合物材料。Ti2AlNb基金屬間化合物是在1988年由印度Banerjee率先發現的。他們發現Ti3Al基金屬間化合物中隨著Nb含量超過12.5at%時，出現了一種化學計量配比為Ti2AlNb的新相，空間點群為CmCm，屬于有序正交結構（Orthorhombic），使用溫度范圍內的平衡組織也由以2相為主逐步變為以O相為主。同時，研究表明該合金的塑性及斷裂韌性得到進一步提高，且強度和蠕變抗力也明顯增強。1989年Rowe[6]正式提出了Ti-Al-Nb系O相合金的概念。

以O相合金為主要組成相的Ti2AlNb金屬間化合物具有較高的比強度、室溫塑性、高斷裂韌性、高蠕變抗力、低的熱膨脹系數、無磁性和阻燃性能好等優點，與Ni基高溫合金相比，Ti2AlNb基金屬間化合物從室溫到750℃范圍內都具有較高的比強度;與高溫Ti合金相比，可比其使用溫度高200℃，已展現出在航空航天領域的廣闊應用前景。被認為具有工程意義的該類金屬間化合物的基本成分范圍為Ti-（22～25）Al-（20～27）Nb。

2.Ti2AlNb基金屬間化合物研究現狀

國外Ti2AlNb研究工作開展較早，且研究進展較快。印度Banerjee領導的研究小組[7-10]首先發現了Ti-Al-Nb系中的O相結構，并對O相中的原子占位、O相合金的相平衡、相轉變、O相的滑移變形機制以及O相合金的典型微觀結構，拉伸性能，蠕變性能，蠕變機制等方面進行了系統研究。Rowe等人[11]研制的Ti-22Al-27Nb金屬間化合物的室溫抗拉強度b可達1415MPa，屈服強度達1290MPa，室溫延伸率為3.5%，650℃真空抗拉強度b可達1260MPa，屈服強度0.2可保持在1120MPa，延伸率為8%。日本的Hagiwara等人[12，13]用Mo、W、V取代Ti-22Al-27Nb金屬間化合物中的部分Nb，以進一步提高材料的蠕變性能。德國的Kumpfurt等人[14]研究了Ti-22Al-25Nb的非平衡相轉變，得到了Ti-22Al-25Nb的相轉變動力學（TTT）曲線。

美國已經將Ti2AlNb金屬間化合物列為下一代航空發動機的關鍵材料，列入了IHPTET計劃和2003年后續啟動的VAATE計劃，開展了較大規模的工作，取得了積極進展。目前已試制成功該金屬間化合物壓氣機內環、機匣、噴管等部件。在以F119核心機/驗證機為驗證平臺的CAESAR項目中，Ti2AlNb金屬間化合物壓氣機機匣、葉片和輪盤部件結構設計準則的驗證被列為其重要研究內容。

國內的一些單位，如鋼鐵研究總院、北京有色金屬研究總院、沈陽金屬所、哈爾濱工業大學等也都開展了Ti2AlNb基金屬間化合物的研制工作，其中鋼鐵研究總院開展研究工作最早，研究成果最顯著?！熬盼濉逼陂g鋼鐵研究總院[15]采用Nb-Ta復合強化的方法，研制出的Ti-22Al-20Nb-7Ta和Ti-22Al-24Nb-3Ta金屬間化合物綜合力學性能達到美國同類合金水平?！笆濉逼陂g為了滿足用戶單位進一步降低材料密度和材料成本、改善材料加工性能的要求，新研制了名義成分為Ti-22Al-25Nb金屬間化合物，該金屬間化合物的密度約為5.2g/cm3。典型的室溫拉伸性能斷裂強度b為1150MPa，屈服強度達1150MPa，室溫延伸率為7-10%，650℃下的斷裂強度b為1000MPa，屈服強度0.2可保持在900MPa，延伸率為11-15%。北京有色金屬研究總院的吳波[16]等人用CALPHAD技術計算了Ti2AlNb金屬間化合物鑄造凝固特性，用量子力學從頭算法，預測了O相合金的有序無序轉變。西北工業大學的曾衛東等人[17]基于動態材料模型（DMM），建立了 Ti2AlNb基金屬間化合物（Ti-22Al-25Nb）在溫度 940℃～1060℃，應變速率0.001s-1～10s-1范圍內的加工圖，并利用該圖分析了金屬間化合物的高溫變形特性。

3.結論

隨著發動機推重比和功重比的提高，未來發動機的自身重量將受到更為苛刻的限制。其中先進發動機要求其重量與流量比需較原有發動機減少40-50%。因此通過技術探索，實現葉盤輕量化將對發動機的性能提升具有重要意義。

采用新型輕質高溫材料作為葉盤材料，是實現其輕量化的一個重要途徑。Ti2AlNb金屬間化合物是以先進航空發動機為主要應用目標研發的輕質高溫結構材料，具有高比強度、高比模量、低膨脹、抗燃燒等突出特點。以其替代現有高溫合金，可使葉盤材料減重約35%，對發動機推重比的提高意義重大。

因此有必要繼續對Ti2AlNb金屬間化合物進一步研究，使其得到廣泛實際應用。

參考文獻：

[1]李世瓊， 張建偉， 程云君， 等. Ti3Al和Ti2AlNb基金屬間化合物結構材料的研發現狀[J]. 稀有金屬材料與工程， 2005，34（增刊）：104-109.

[2]Hodge A.M， Hsiung L.M， Nieh T.G. Creep of nearly lamellar TiAl alloy containing W [J]. Scipta Materialia， 2004， 51（5）： 411-415.

[3]黃旭， 李臻熙， 黃浩. 高推重比航空發動機用新型高溫鈦合金研究進展[J]. 中國材料進展， 2011，30（6）：21-27.

[4]Feng ai han，Li bo bo，Shen jun. Recent advances on Ti2AlNb-based alloys[J]. Journal of Materials and Metallurgy， 2011，10：31-37.

[5]陳國良， 林均品. 有序金屬間化合物結構材料[M]. 北京： 冶金工業出版社， 1999：5-8.

[6]毛勇， 李世瓊， 張建偉， 等. Ti-22Al-20Nb-7Ta合金的顯微組織和力學性能研究[J]. 金屬學報， 2000， 36（2），136-140.

[7]吳波， Ti2AlNb基合金的制備工藝、組織和性能研究[D]. 北京有色金屬研究總院博士學位論文. 北京， 2002.

[8]曾衛東， 徐斌， 何德華， 等. 應用加工圖理論研究Ti2AlNb基合金的高溫變形特性[J]. 稀有金屬材料與工程， 2007，36（4）：592-596.