TiAl合金熱加工性能及其影響因素

孔凡濤

TiAl合金熱加工性能及其影響因素

孔凡濤

（哈爾濱工業大學 材料科學與工程學院，哈爾濱 150001）

TiAl合金以其輕質、耐高溫等特點成為替代鎳基高溫合金的重要高溫結構材料。具有優異熱加工性能的beta?gamma TiAl合金是變形合金的主要研究方向。總結了TiAl合金的熱加工性能研究現狀，分析了高溫無序α相對熱加工性能的作用，對β相穩定元素進行了分類，并歸納了β相穩定元素對熱加工性能及力學性能的影響規律，提出了變形TiAl合金的未來研究方向。

TiAl合金；熱加工性能；β相穩定元素；等溫變形

TiAl合金（也稱為TiAl金屬間化合物）以其輕質、耐高溫的特點成為替代鎳基高溫合金的重要高溫結構材料[1-6]。目前，TiAl合金已經在美國通用電氣（General Electric，GE）公司的GEnx?和GE9x?，以及普惠（Pratt & Whitney，P&W）公司的PW1100G?民用航空發動機低壓渦輪（Low Pressure Turbine，LPT）后級葉片上得到應用或驗證[1,7]。以4822合金（Ti?48Al?2Cr?2Nb合金）為代表的早期研制的鑄造合金已經比較成熟，如應用于GEnx?2B發動機LPT葉片的4822合金已有10余年的歷史。近些年來，國內外研究者對變形合金的關注比較多，而且研究已經從較高Al含量的傳統TiAl合金（α2/γ兩相）轉變為較低Al含量的beta?gamma TiAl合金（β0/α2/γ三相），如PW1100G?發動機LPT葉片所用的TNM合金（Ti?43.5Al?4Nb?1Mo?0.1B合金）等[7]。

普遍認為，beta?gamma TiAl合金由于具有較低的Al含量并添加適量的β相穩定元素，擴大了高溫β相區到熱加工溫度區間，在熱變形溫度內引入具有更多獨立滑移系的高溫無序bcc結構β相，高溫塑性優異，并顯著降低了熱加工溫度和變形抗力，擴大了熱加工窗口，從而有效改善了TiAl合金的熱加工性能[2-3,8]，與傳統變形TiAl合金相比優勢明顯，是目前變形TiAl合金的主要研究方向。但是，在beta? gamma TiAl合金熱加工后的降溫過程中，一部分高溫無序β相會保留并轉化為脆硬性，明顯高于γ相的有序B2結構的β0相，過多的β0相含量會顯著降低合金的室溫塑性。因此，室溫下的β0相含量應盡量低，或者通過熱處理來減少β0相含量，以減弱beta? gamma TiAl合金熱加工性能與室溫塑性的矛盾[8]。

但實際上，由于TiAl合金中可添加的β相穩定元素種類較多、鋁含量范圍較寬，變形TiAl合金體系比較復雜，相組成含量對熱加工性能影響較大，并非所有的beta?gamma TiAl合金都遵循“高溫無序β相含量高且室溫有序β0相含量低”的原則。這里從熱加工性能影響規律及其與力學性能的關系等角度總結了近年來變形TiAl合金的研究進展，為變形合金的設計及熱加工技術提供依據。

1 變形TiAl合金的熱加工性能

傳統變形TiAl合金Al的原子數分數一般在45%～48%，由α2+γ兩相構成，其熱加工溫度區間主要包括α單相區和α+γ兩相區等2種[9]。通常情況下，熱擠壓的理想熱加工溫度在α單相區，熱鍛及熱軋的熱加工溫度在α+γ兩相區（見圖1）。

圖1 傳統TiAl合金的熱加工溫度區間

由于傳統TiAl合金中的γ相有序?無序轉變溫度（α）較高，有序γ相一直保持到1 300 ℃以上，導致TiAl合金在α單相區進行熱加工要在大于1 300 ℃的超高溫下進行，普通熱加工技術不能獲得均勻的溫度場，即使采用包套熱擠壓的方法，材料組織均勻性也不易控制，并伴隨有裂紋和粗細不均等缺陷產生。另外，在這種超高溫度下，熱加工技術所需的模具材料也不好解決。傳統TiAl合金在α+γ兩相區進行熱加工時，由于兩相區中的γ相畢竟是含有共價鍵的有序相，γ有序相與高Al含量無序α固溶體相的性能差別較大，二者難以協調變形，容易產生微裂紋。同樣，由于缺少實現在α+γ兩相區等溫的熱加工裝備，與α單相區熱擠壓類似，也只能采用近等溫包套熱鍛或包套熱軋的方法，同樣不能有效解決溫度場不均勻的問題，熱加工過程中易產生宏微觀裂紋甚至開裂，組織性能均勻性亦較差。由于包套的存在，在板材高溫軋制過程中，板厚、板形和表面質量難以控制。特別是對于不能采用包套鍛的高溫精密模鍛來說，TiAl合金構件的成形尤其困難。總體上看，傳統變形TiAl合金熱加工難度大，進行工業尺寸材料或構件的制備存在較大風險。

Beta?gamma TiAl合金是目前國內外研究最多的變形合金，其成分總體上可以表示為Ti?(40%～45%) Al?(3%～10%)β?stabilizer?(0～1%) refiner。在合金成分中，Al的含量偏離化學計量比較多（原子數分數為40%～45%），較低的Al含量會使合金發生β凝固（見圖1）。合金中添加適量的β相穩定元素（β?stabilizer）擴大了β相區。低Al含量和β相穩定元素的共同作用，導致熱加工溫度區間無序β相含量增加明顯，熱加工性能顯著改善，并可降低變形溫度。典型β相穩定元素主要有Cr、Mn、Mo、Nb、V、W等元素[10-15]，受β相穩定元素固溶度及常溫下γ相、β0相含量的限制，β相穩定元素總量一般控制在原子數分數3%～10%。為了近一步降低TiAl合金高溫變形抗力及提高塑性，B、稀土、C、N等元素也是常加的組織細化元素（refiner），微量添加即可以達到細化晶粒的目的[13,16-20]。由于這幾種細化元素的固溶量非常低，常以脆硬第二相的形式存在于TiAl合金中，若添加較多，形成過多的第二相會顯著降低熱加工性能及室溫塑性，通常添加量需要控制在原子數分數小于等于1%。

與傳統TiAl合金相比，beta?gamma TiAl合金的變形溫度相對較低，溫度場均勻性有所改善，但受制于現有裝備條件，進行包套熱加工仍是常規手段。

2 高溫無序α相對熱加工性能的作用

在TiAl合金中，A1是最重要的α相穩定元素。根據Ti?Al二元相圖（見圖1），在α單相區進行熱加工，由于合金全部由無序α相構成，傳統TiAl合金的熱加工性能必然體現在富鋁α相的熱變形能力上；在α+γ兩相區熱加工溫度下，Al含量偏離化學計量比越多，兩相區中無序α相含量會越高，無論是等軸晶還是片層團組織，在α+γ兩相區中無序α相含量均占有很高的體積分數（見圖2）。因此，α相的變形能力也會主導傳統TiAl合金的熱加工性能。

Beta?gamma TiAl合金與傳統TiAl合金類似。總體上，在熱加工溫度區間，高溫組織中無序α相含量普遍高于無序β相含量，這從Ti?43Al?nX系列合金在1 200 ℃時高溫淬火后的組織中無序α相和無序β相的含量可以明顯觀察到（見圖3）[22]。因此，α相的熱變形能力必然同樣顯著影響beta?gamma TiAl合金的熱加工性能。

圖2 高Nb?TiAl合金兩相區淬火后組織[21]:

圖3 Ti?43Al?nX合金在1 200 ℃時高溫組織中α相和β相含量[22]

目前典型的beta?gamma TiAl合金，如TNM合金[8]、TAV合金（Ti?43Al?9V?Y合金）[23]、Ti?44Al?6V?3Nb?0.3Y合金[24]、Ti?43Al?4Nb?1.4W合金[25]、Ti?42Al?5Mn合金[26]等，在熱加工溫度下各相體積分數與Ti?43Al?nX相似，無序α相含量較高，無序β相含量并不突出。

從TNM合金相圖及相含量變化可以看出（見圖4），在共析溫度之上，隨溫度升高，開始時無序β相的含量變化并不明顯（含量反而降低），而含量變化最明顯的是無序α相和有序γ相（α相顯著增加、γ相明顯下降）。當溫度達到約1 250 ℃時，TNM合金進入α+β兩相區，此時，α相的體積分數已經達到近90%，遠高于β相。在超過1 250 ℃之后，β相才隨溫度升高而明顯增加。實際上，當溫度大于1 250 ℃時，由于有序γ相完全轉變為無序相，此時，TNM合金必然會展現出非常優異的熱加工性能。對比傳統合金的γ相有序-無序轉變溫度（α）可以發現，TNM合金至少降低了50 ℃。可見，在高于α及β相有序化轉變溫度之上進行熱加工，TNM合金必然會展現出較好的熱加工性能[27]，而高含量無序α相的作用是不可能被忽視的。

Al的原子數分數分別為42%、45%的TiAl?V合金相圖見圖5[11]，可以發現，當Al的原子數分數為42%且V的原子數分數為8%時（見圖5a）），出現了形成完全無序相的最低溫度（約1 150 ℃），此時β相含量極少，絕大多數為無序α相。如果提高Al含量，在相同溫度下，V含量也需要提高，否則不能形成無序α+β相區（見圖5b））。綜合考慮過高V含量及過低Al含量對高溫抗氧化性能不利的情況，如果希望獲得具有優異的熱加工性能，可以將Al含量提高到beta?gamma合金的典型含量（原子數分數43%）。根據相圖分析，如果在原子數分數為43%的Al含量下，仍要控制完全無序相出現在較低溫度，需要略增加V的原子數分數到約9%，此時形成了TAV合金的主要成分。由于在1 150 ℃時TAV合金就處于完全無序相區，必然就展現出優異的熱加工性能，此時無序α相的含量遠高于β相。與傳統合金相比，TAV合金熱加工溫度可以降低100 ℃以上，組織均勻性必然得到有效改善。目前，哈爾濱工業大學已經采用包套熱加工方法，在相對較低的溫度下，研制出了國內領先的工業尺寸TAV合金鍛坯和熱軋板材（見圖6）。

圖4 TNM合金相圖及相含量變化[8]

圖5 TiAl?xV合金相圖[11]

圖6 工業尺寸的TAV合金

上述分析表明，無論是傳統TiAl合金還是beta?gamma合金，高溫下的富Al無序α相對熱加工性能影響顯著，提高高溫α相含量是改善TiAl合金熱加工性能的有效方法之一。目前，關于富Al無序α相高溫變形規律方面的研究仍非常少[21]，難以形成對熱加工性能的有效指導。

3 β相穩定元素對熱加工性能的影響

通常認為，較低的鋁含量再輔以添加適量β相穩定元素，二者共同作用導致TiAl合金高溫無序β相含量增加，從而顯著改善其熱加工性能。其中，β相穩定元素的作用更明顯。添加哪種β相穩定元素，如何確定β相穩定元素的添加量，均是beta?gamma TiAl合金設計及研究者經常遇到的問題。

元素穩定β相的能力是首先需要考慮的，如果希望形成特定體積分數的高溫無序β相和室溫有序β0相，最好按照穩定能力強弱的相反順序進行β相穩定元素含量添加。其次，還需綜合考慮β相穩定元素在TiAl合金中的固溶度，這樣就可以初步確定TiAl合金中β相穩定元素添加量的上限。總體上看，beta?gamma TiAl合金中β相穩定元素含量最好控制在Nb、V、Mn、Cr、Mo、W的原子數分數分別小于等于10%、10%、6%、3%、1%和1%[12]。超過含量上限，不僅合金中室溫β0相過多，甚至會有更加脆硬的三元金屬間化合物或者拓撲密排結構的金屬間化合物形成[12]，從而嚴重損害合金的室溫塑性、熱加工及抗蠕變性能。當然，β相穩定元素添加量也不能過低，否則在變形溫度下高溫無序β相含量太少，難以起到改善熱加工性能的作用。因此，在特定的低Al含量下，可以將合金中室溫出現β0相的臨界含量作為β相穩定元素含量下限。

由于不同β相穩定元素的添加量有各自含量范圍，根據目標合金想獲得的β0/β相含量和顯微組織，β相穩定元素的添加種類和添加量具有相對較寬泛的可設計性。但實際上，beta?gamma TiAl合金并不完全遵循“高溫無序β相含量高且室溫有序β0相含量低”的原則。如TNM合金和TAV合金[14-15]，其顯微組織形貌見圖7，對比可以看到，在TNM合金中僅在片層團界存在很少的塊狀β0相，而在TAV合金中β0相體積分數達到近20%，二者均具有優異的熱加工性能，但TNM合金的室溫伸長率難以超過1%[28]，而TAV合金的室溫伸長率可以達到2%以上，有序β0相對TAV合金室溫塑性的負作用并不明顯。

圖7 TAV合金和TNM合金顯微組織[14-15]

因此，不同種類β相穩定元素對TiAl合金的影響規律存在較大區別，有必要針對不同β相穩定元素及幾種元素組合的添加量進行定量化，以進一步縮小β相穩定元素含量范圍。哈爾濱工業大學[22]建立了預測不同成分beta?gamma TiAl合金熱加工溫度無序β相含量和室溫有序β0相含量的Mo當量模型，確定了元素穩定β相能力的強弱并初步定量化。總體上看，W和Mo是強β相穩定能力的元素，其次是Cr、Mn和V元素，而Nb的β相穩定能力最弱，穩定β相能力強弱的順序由大到小依次為W、Mo、Cr、Mn、V、Nb。定量化的元素添加量可通過室溫及高溫Mo當量公式來確定，見式（1）—（2）[22]。

室溫Mo當量[Mo]eq-RT：[Mo]eq-RT=

Mo+W+1/3Cr+ 1/4Mn+1/4V+1/9Nb (1)

高溫Mo當量[Mo]eq-HT：[Mo]eq-HT=

Mo+2W+1/2 Cr+1/3Mn+1/5V+1/10Nb (2)

當[Mo]eq-RT小于1時，對應的合金為傳統TiAl合金，室溫組織中不存在β0相。當[Mo]eq-RT大于1時，對應的合金為beta?gamma TiAl合金，隨著 [Mo]eq-RT的增加，合金中的β0相含量明顯提高，且β0相含量與[Mo]eq-RT近似呈線性關系。一些典型TiAl合金的β0相含量與其[Mo]eq-RT關系較好地吻合了上述規律（見圖8）[29]，這也驗證了室溫Mo當量公式的可靠性。在設計TiAl合金成分時，根據該關系可以初步預測目標合金的β0相含量，從而進一步縮小添加元素含量的上、下限。

根據高溫Mo當量公式，在典型的熱加工溫度下（1 200 ℃），當[Mo]eq-HT達到1時，beta–gamma TiAl合金中會出現高溫無序β相，[Mo]eq-HT越大高溫β相含量越多，熱加工性能越好。以不同TiAl合金1 200 ℃相同應變速率等溫壓縮的峰值應力代表變形抗力，從峰值應力的大小來反應合金的熱加工性能，峰值應力越低代表熱加工性能越好，從而建立了不同合金的峰值應力與[Mo]eq-HT的關系[29]，如圖9所示。圖9表明，合金峰值應力隨[Mo]eq-HT的變化大體分為3個階段，當[Mo]eq-HT小于1時，峰值應力隨[Mo]eq-HT的升高逐漸增加，合金高溫組織中沒有出現β相，則β相穩定元素含量越高，固溶強化越明顯；當[Mo]eq-HT接近1時，合金高溫組織中出現β相，變形抗力迅速下降，熱加工性能也隨之明顯改善；當[Mo]eq-HT大于1時， [Mo]eq-HT增加，高溫β相含量也增加，但變形抗力降低較緩慢。典型的TiAl合金，如高Nb?TiAl合金、TNM合金和TAV合金，其高溫Mo當量分別為1.25、1.4和1.8，變形抗力完全滿足上述高溫Mo當量的規律，熱加工性能按順序逐漸提高。

圖8 不同TiAl合金中β0相含量與[Mo]eq-RT的關系[29]

圖9 TiAl合金的峰值應力與高溫Mo當量關系[29]

由此可見，為改善合金的熱加工性能，需要將合金設計成高溫Mo當量大于1，如果有序β0相對室溫塑性的負作用不明顯，即不完全遵循“高溫無序β相含量高且室溫有序β0相含量低”的原則時，β相穩定元素可以達到含量上限。當然，過高的β相穩定元素含量是否合理，還需要針對具體應用場景進行綜合評價。如果室溫β0相的副作用明顯，即遵循“高溫無序β相含量高且室溫有序β0相含量低”的原則時，需要兼顧室溫和高溫Mo當量，室溫Mo當量最好控制在1.3以下，此時合金中β0相的體積分數一般會小于5%，脆硬的β0相對室溫塑性影響有限。高溫Mo當量至少應大于1，以便平衡熱加工性能與室溫塑性的反常關系。按照該規律，研究者可以在設計beta?gamma TiAl合金成分時，初步快速判斷相組成含量及熱加工和力學性能的優劣。

從β相穩定元素對Ti?43Al?nX合金各相硬度影響規律可以看出（見圖10）[29]，添加Cr、Mn和V元素形成的β0相硬度相對較低，而添加Nb、Mo和W元素形成的β0相硬度較高。這說明Cr、Mn和V元素形成的β0相相對較軟，對室溫塑性的負面影響較小；Nb、Mo和W元素不但強化γ相，而且起到強化β0相的作用，對室溫塑性的負作用大。同時，由于添加Cr、Mn和V元素的合金中各相硬度更接近，各相間更容易協調變形，也有利于室溫塑性的改善。該結果在典型beta?gamma合金中也得到了驗證[23,30-32]，如圖11所示。與其他2種合金相比，在TAV合金中β0相硬度較低，這主要是由于V元素的作用，即使含有高的 β0相體積分數，也依然具有良好的室溫塑性，這是V元素改善γ相室溫塑性、降低β0相硬度，使各相硬度接近，更易協調變形共同作用的結果。

圖10 Ti?43Al?nX合金組成相的納米硬度[29]

圖11 不同合金中組成相納米硬度對比[23,30-32]

綜合考慮力學及熱加工性能[22-26]，β相穩定元素可以分為2類，第1類是Cr、Mn、V元素，第2類是Nb、Mo、W元素。這種分類與原子在γ相晶格中的占位規律是一致的，第1類元素Cr、Mn和V原子占γ相的Al位[33]，第2類元素Nb、Mo和W原子占γ相的Ti位[34]。第1類元素可以明顯改善TiAl合金的熱加工性能，形成的β0相對室溫塑性的負作用影響有限，適量添加有利于γ相的室溫塑性[33]。第2類元素強化作用明顯，合金的熱變形流動應力較高，改善熱加工性能的效果不如第1類元素，同時，需要嚴格控制室溫β0相含量，否則不利于室溫塑性。

總體來看，在設計beta?gamma TiAl合金成分時，最好綜合考慮第1類與第2類β相穩定元素。如果單純添加第1類元素，由于β0相對室溫塑性負面影響較小，β0相可以有較高的體積分數，這種合金具有優異的熱加工性能并伴隨相對較好的室溫塑性，但高溫性能并不優異。如果單純添加第2類元素，強化作用明顯，高溫性能較好，但由于β0相對室溫塑性負作用較大，不能添加過多，導致高溫無序β相含量不可能太高，熱加工性能達不到第1類元素的作用效果。因此，兩類元素的復合添加可望是平衡熱加工與力學性能的最佳選擇。

4 等溫條件下熱加工技術

無論是傳統TiAl合金還是beta?gamma合金，實現熱加工溫度下等溫變形，是解決變形合金組織性能均勻性并實現精密成形的關鍵。國內受限于熱加工裝備達不到TiAl合金等溫變形溫度，近些年仍主要采用近等溫包套熱加工的方法進行鍛造、擠壓及軋制來制備材料[35-40]。在這種條件下，由于TiAl合金溫度與熱環境存在溫差導致溫降快，缺陷不易控制，特別是構件的熱模鍛成形困難較大，難以實現精密成形。另外，模具的損耗也難以忍受。

國外已經將等溫熱加工裝備用于TiAl合金的精密熱成形[7,41-45]，如德國研制出2種TiAl合金葉片等溫鍛造技術[7,42]，模具分別采用鉬合金和碳纖維強化碳化硅復合材料，鍛造前后的模具與構件見圖12。已用于PW1134G發動機的LPT葉片（TNM合金）也是采用鉬合金模具進行真空等溫模鍛方法制造的[7]，如圖13所示。由于TNM合金在真空等溫條件下的熱加工性能優異，因而葉片制造過程減少了棒材熱擠壓的工序，顯著降低了成本。針對TiAl合金的特點，哈爾濱工業大學研制出了國內首臺真空等溫熱加工設備，可實現真空等溫鍛造、等溫擠壓等功能，已經用于TiAl合金等溫模鍛件的制備（見圖14）。該設備不僅可以用于TiAl合金的等溫變形，而且在粉末高溫合金盤類構件的制備上也具有重要應用價值[46-51]。

圖12 真空等溫鍛造前后模具與構件形貌[7,42]

圖13 LPT葉片真空等溫鍛造過程[7]

圖14 TiAl合金葉片

5 結語

經過多年的研究發展，變形TiAl合金取得了重要進步，beta?gamma TiAl合金以其優異的熱加工性能成為變形合金的主要研究方向。目前，研究者更多關注于beta?gamma TiAl合金中的β0/β相，對主導TiAl合金熱加工性能的高溫富Al無序α相及其對其他高溫相作用的研究較少，高溫變形機理并不全面，難以形成對熱加工性能的有效指導。β相穩定元素對TiAl合金熱加工性能的影響研究還不夠系統，Mo當量模型及β相穩定元素的分類雖可初步實現熱加工和力學性能的快速預判，但beta?gamma TiAl合金成分較復雜，合金設計理論仍不完善，還需要研究積累。另外，國內受限于熱加工裝備，進行包套熱加工仍是常規手段。等溫條件下的熱加工技術研究剛剛起步，是未來變形TiAl合金及其工程化應用研究的重點發展方向之一。

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Hot Workability of TiAl Alloys and Its Influencing Factors

KONG Fan-tao

(School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150001, P.R.China)

TiAl alloy has become an important high-temperature structural material instead of nickel base superalloy because of its light weight and high temperature resistance. Beta-gamma TiAl alloy with excellent hot workability is the main research direction of wrought alloys. In this paper, the research status of hot workability of TiAl alloys has been summarized, and the effects of the high temperature disorder α phase on hot workability have been analyzed. The β-stabilizers were classified and the influence rules of β-stabilizer on hot workability and mechanical properties have been generalized. The future research directions of the wrought TiAl alloy have been also proposed.

TiAl alloy; hot workability; β-stabilizer; isothermal deformation

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.11.002

TG304

A

1674-6457(2022)11-0010-10

2022–09–01

國家科技重大專項（J2019–VI–0011–0125）

孔凡濤（1971—），男，博士，教授，主要研究方向為新型鈦合金及TiAl合金。