TiAl成分-工藝-組織-性能研究進展

TiAl成分-工藝-組織-性能研究進展報告主要內容一、研究背景與意義典型發動機定型年份單位推力（daN.S/Kg）推重比渦輪前端溫度（℃）平均級壓比實例機型1960—1976＜100＜7＜1250米格—21、F—4B1977—1997100—1107—91350—15001.32蘇—27、F—161993—2010110—1259—111550—17501.44蘇—37、F—22、F—352010—今125—13515—201800—21001.85性能Ti基合金Ti3Al基合金γ-TiAl高溫合金結構hcp/bccD019L10Fcc/L12密度/g.cm-34.54.1—4.73.7—4.27.9—9.5彈性模量/GPa95—115110—145160—180206屈服強度/MPa380—1150700—990350—600800—1200斷裂強度/MPa480—1200800—1140440—7001250—1450室溫塑性/%10—252—101—43—25高溫塑性/%12—5010—20/66010—600/87020—80/870室溫斷裂韌性/Mpa.m1/212—8013—3012—3530—100蠕變極限/℃600750750(DP)—950(FL)800—1090抗氧化極限/℃600650800(DP)—950(FL)870—1090Ti合金、TiAl合金及高溫合金的性能對比合金成分（原子）制備工藝研究者第一代Ti-48Al-1V-0.3C實驗室研究M.Blackman第二代Ti-47Al-2(Cr,Mn）-2NbTi-（45-47）Al-2Nb-2Mn-0.8%TiB2Ti-47Al-3.5(Nb,Cr,Mn)-0.8(Si,B)Ti-47Al-2W-0.5SiTi-46.2Al-2Cr-3Nb-0.2W(K5)鑄造合金鑄造XD鑄造合金鑄造合金鍛造合金GE公司Howmet公司GKSS公司ABB公司Y.W.Kim第三代Ti-47Al-5(Cr,Nb,Ta)Ti-(45-47)Al-(1-2)Cr-(1-5)Nb-(0-2)(W,Ta,Hf,Mo,Zr)-(0-0.2)B-(0.03-0.3)C-(0.03-0.2)Si-(0.1-0.25)O鑄造合金鍛造合金GE公司Y.W.KimTiAl合金的發展過程已進入應用狀態的鑄造γ-TiAl合金的成分和性能合金%（原子）760℃140MPa下變形0.5%的時間/hTi-47Al-2Cr-2Nb（GE公司）100Ti-47Al-2W-0.5Si（ABB公司）650Ti-47Al-2Nb-1Mn-0.5Mo-0.5W-0.2SI(USNavy、GE公司）305Ti-47Al-2Nb-2Mn-0.8%（體積）B（Howmet公司）63.5Ti-45Al-2Nb-2Mn-0.8%（體積）B（Howmet公司）16.5Ti-48Al-2Cr-2Nb(GE公司）Ti-47Al-3.7(Nb,Cr,Mn,Si)-0.5B(R-R&GKSS)目前已應用的TiAl構件（Howmet）Ti-47Al-2Cr-2Nb(GE

公司)目前已應用的TiAl構件GE公司在GE90發動機中用鈦鋁合金葉片代替鎳基合金，減輕發動機重約200千克目前已應用的TiAl構件優化成分調整工藝控制組織提高性能二、TiAl合金的成分Al含量對初生相的影響初生相還受凝固條件，和合金元素等的影響TiAl合金三種凝固組織Al含量對力學性能的影響Al含量對力學性能的影響TiAl合金中主要合金化元素TiAl合金中合金化元素的作用TiAl合金中合金化元素的作用TiAl合金中合金化元素的作用合金化元素對Ti-Al相圖的影響TiAl合金中合金化元素的作用Al當量：為了衡量各合金化元素對凝固過程影響程度的大小。β相穩定元素其值為正；α相穩定元素則為負不同合金元素的Al當量α相穩定元素β相穩定元素合金元素CSiCrVNbTaMoReWAl當量-4.2-2.8+0.1+0.3+0.3+0.3+0.6+0.8+1.0合金化改善TiAl合金室溫脆性的基本機制合金化提高TiAl合金強度的基本機制Nb元素的添加對TiAl合金的影響Nb元素的添加對TiAl合金的影響高Nb鈦鋁合金與其他鈦鋁合金的性能比較成分aTi-47Al-1Cr-0.9V-2.6Nb-BFLbTi-48Al-2Cr-2Nb-TMPLcTi-48Al-2Cr-2Nb-FLdTi-46.5Al-2Cr-3Nb-0.2W-TMPLeTi-46.5Al-2Cr-3Nb-0.2W-RFLfTi-46Al-8.5Nb-0.2W-FLgTi-45Al-10Nb-FLNb元素的強化機制Nb元素對TiAl其他性能的影響稀土元素對TiAl合金的作用稀土元素對TiAl合金的作用稀土Y元素對TiAl合金的作用Y對Ti-47Al-2Nb合金枝晶間距的影響Y對Ti-47Al-2Nb合金壓縮性能的影響稀土Y元素對TiAl抗氧化性的研究Y含量在0.3%會有最強的抗氧化性稀土元素對TiAl合金的作用稀土元素Er和Gd對TiAl組織的影響合金元素作用Cr1%—3%的添加量將提高雙態合金的塑性；＞2%可改善熱加工能力及超塑性；＞8%極大的改善抗氧化能力Mn1%—3%可提高雙態合金的塑性V1%—3%可提高雙態合金的塑性：降低抗氧化性W明顯改善合金的抗氧化性及抗蠕變性Mo可提高細晶合金的塑性和強度，改善合金抗氧化性Ta改善合金的抗氧化及抗蠕變性能，但增加合金的熱裂敏感性Si0.5%—1%改善抗蠕變能力及抗氧化；可提高澆注流動性并降低熱裂敏感性Fe提高澆注流動性及熱裂敏感性B＞0.5%可細化晶粒，提高強度及熱加工性；B合金化極大改善鑄造性能C明顯改善抗蠕變性能，但對塑性不利Ni增加流動性P降低氧化速率其他合金化元素對TiAl合金的作用三、TiAl基合金的組織與性能Ti-Al二元相圖TiAl基合金中的基本相單相TiAl合金與雙相TiAl合金雙相TiAl的顯微組織組織類型特征說明等軸近γ組織(NG)等軸γ晶粒+細小α2相非均勻分布等軸晶粒雙態組織(DP)γ/α2片層團+等軸γ晶粒晶粒尺寸一般較小（10～40μm）近片層組織(NL)γ/α2片層團+少量分布片層團間的等軸γ晶粒片成團較大（200～500μm）；γ晶粒一般小于20μm全片層組織(FL)γ/α2片層團鑄態晶粒尺寸多在600～1000μm；變形組織一般在50～300μm雙相γ-TiAl的顯微組織成分%（原子）組織狀態拉伸性能σ0.2/MPaσb/MPaδ/%Ti-46.5Al-2.5V-1.0CrFL3994281.624.6NL4204601.423.0DP4505354.811.0NG3694271.510.8Ti-48Al-2Cr-2NbFL4540.520—30DP4803111—15Ti-46Al-2Cr-3Nb-0.2WFL4734731.220—22DP4624622.811典型TiAl合金組織與性能之間的相互關系典型TiAl合金組織與性能之間的相互關系Ti-46.3Al-2.5V-1.0Cr變形合金的組織與性能關系組織狀態體積分數/%晶粒尺寸/μmσs/MPaσb/MPaδ/%nLγLγ鑄造態80204014932.20.085NL7723203514204601.40.048FL10002604074361.90.031DP534753404505354.80.054典型γ-TiAl合金組織與性能之間的相互關系屈服強度和晶粒尺寸之間滿足Hall-Petch公式屈服強度和片層間距之間滿足Hall-Petch公式典型TiAl合金組織與抗蠕變性能之間的相互關系具有以下組織特征的TiAl合金的綜合性能較好四、TiAl基合金的成形方法及特點合金鑄錠熱等靜壓均勻化合金鑄錠單質粉末合金鑄造熱加工鍛造/擠壓熱等靜壓/熱壓固化坯料近成形軋制（包復、等溫）成形帶材鑄造近成形熱等靜壓熱處理、機加工、焊接、涂層變形變形粉末冶金鑄造各種熔煉TiAl合金方法的比較熔煉方法成分調節（難易程度）純度（氧含量）成分均勻性每爐熔煉量自耗電弧爐（CAR）難—一般500kg非自耗電弧爐（NAR）容易—一般較小電子束爐（EBM）難大于100wt.ppm一般300kg等離子電弧爐（PAM)難大于300wt.ppm一般5～8kg感應凝殼熔煉（ISM）容易小于500wt.ppm好100kg鑄錠冶金技術TiAl合金熔煉TiAl合金鑄錠熱等靜壓碾磨等溫鍛造平整TiAl合金成型產品鑄錠冶金法工藝流程噴射成型技術TiAl合金熔化金屬液滴惰性氣體霧化細小液滴沉積具有不同形狀的TiAl合金噴射成型工藝流程激光氣體合金化技術氮氣TiAl合金激光表面熔化化學/冶金反應鈦鋁合金改性層快速凝固激光氣體合金化技術工藝流程粉末注射成型燒結技術石蠟基粘結劑TiAl合金粉末注射混料燒結脫脂TiAl合金燒結體粉末注射成型燒結工藝流程快速冷凝技術保護氣體TiAl合金熔體霧化合金微細液滴細微合金粉末冷卻快速冷凝技術工藝流程熱機械處理技術純鈦純鋁自耗電爐熔煉兩次TiAl合金熱處理等溫鍛熱變形鑄態TiAl合金熱機械處理技術工藝流程復合材料技術TiAl合金粉末真空等離子熔化沉積到纖維表面