TiAl金属间化合物工程实用化研究与进展_张继

2010年2月

中国材料进展

MATERIALSCHINA

Vol.29　No.2

Feb.2010

特约专栏

TiAl金属间化合物工程实用化研究与进展

张　继,仲增镛

(钢铁研究总院高温材料研究所,北京　100083)

摘　要:回顾了钢铁研究总院在提高TiAl金属间化合物合金可靠性和部件制备技术两方面的研究结果,介绍了己开展的应

用研究及减重效果研究,并对TiAl合金今后的发展做了简要评述。

关键词:TiAl合金;工艺技术;组织控制;力学性能;工程应用

中图分类号:TG146.2+3　　文献标识码:A　　文章编号:1674-3962(2010)02-0009-05

ResearchandDevelopmentofTiAl

Intermetallics-BasedAlloys

(HighTemperatureMaterialsDivision,ChinaIronandSteelResearchInstituteGroup,Beijing100081,China)hispaperreviewstheresearchanddevelopment,aswellastheapplication,ofTiAlintermetallicsalloysAbstract:T

ZHANGJi,ZHONGZengyong

basedontheworkinChinaIronandSteelResearchInstituteGroup.Theroadaheadisalsodiscussedbriefly.

iAlalloys;processtechnology;microstructurecontrol;mechanicalproperties;commercialapplicationsKeywords:T

　前　言

钛铝金属间化合物作为低密度高温结构材料应用于航空、航天及车用发动机将通过结构减重提高发动机的工作效率,具有重要的技术推动作用。与传统高温合金材料以固溶强化、弥散强化等方法获得优异的高温力学性能不同,TiAl金属间化合物的高温强度源于自身原子长程有序的排列和特殊的结合键。但同时这种长程有序的结构中可开动的滑移系数目有限、超结构位错柏氏矢量大、位错交滑移困难等因素使其室温下的拉伸塑性和断裂韧性较低,解决TiAl金属间化合物室温脆性问题是其实用化的前提

[1]

TiAl金属间化合物合金的成形,可采取类似于钛合金的精密铸造和接近于镍基高温合金的热机械加工。但其铸造时存在熔体的化学活泼性强、重力压头小、充型流动性不高等问题。其变形合金所用铸锭一般具有粗大的层片组织,其中不同取向的层片团变形抗力差异较大,热塑性变形能力有限。许多研究表明,TiAl合金的力学性能对其组织状态十分敏感

[5]

。因此,其工程应用

需要在现有热成形技术基础上进行工艺创新,并且需要在这些工艺过程中形成有利的组织。

TiAl合金工程实用化的关键在于其可靠性和工艺成熟度,本文介绍了针对铸造和变形TiAl合金分别开展的成分-工艺-组织-性能关系研究所取得的成果,根据应用研究进展评述结构减重可以产生的技术推动效果,并对TiAl合金材料与工艺技术的发展趋势进行了展望。

。上世纪80年代发现通过调整Ti/

Al原子比由化学配比偏向富Ti、即在γ-TiAl相中引入适当比例的αTil相而形成TiAl基双相合金,再施以2-3ACr,V,Mn等元素合金化和热机械处理细化组织,显著地改善了TiAl合金的室温塑性

[2-3]

,从而,发展出一系

列两相TiAl合金,并有针对性地开展工艺、组织、性能研究,其中钢铁研究总院开发的Ti-46.5Al-2.5V-1.0Cr合金较好地解决了TiAl合金的室温脆性问题[4]。

　提高变形钛铝合金可靠性的研究

.　解决

合金塑性、韧性反常关系的途径

研究表明,变形TiAl合金晶粒尺寸细小的双态组织可以具有高的室温拉伸塑性,但断裂韧性一般却较低;而层片团尺寸在200μm以上的全层片组织室温拉伸塑性较低,但断裂韧性却比较高

[3]

收稿日期:2009-11-30

基金项目:科技部973计划项目(2007CB613304)通信作者:张　继,男,1961年生,教授

,这样使得这两种典型

组织的TiAl合金很难具有工程应用价值。10

中国材料进展第29卷

采用增加稳定β相元素含量的方法,引入高温β相控制α相长大,得到层片团尺寸在100～200μm的全层片组织,其室温塑性有所提高,断裂韧性略有下降

[6]

获得理想开坯效果的工艺方法。将所建立的流变应力本构模型和变形组织预报模型嵌入商业化有限元模拟软件Deform3D,对TiAl合金挤压工艺进行了预测和分析,得出了有利于应变均匀的模具半锥角。对不同挤压比挤压后应变场模拟结果表明,在模具半锥角为60°,初始变形温度约1100℃,挤压速度15mm/s条件下,挤压比达到6时可以在挤压棒材中形成较均匀的应变场。但综合考虑温度场和应变速度场对TiAl合金动态再结晶的影响,直径在200mm以上TiAl合金铸锭挤压开坯的挤压比应超过10

[10]

。

本研究对锻造后的Ti-46.5Al-2.5V-1.0Cr合金首先在略低于共析线温度热处理得到等轴晶粒近γ组织,然后再加热到α单相区温度,短时保温冷却后得到了层片团尺寸小于100μm的全层片组织,这种细小全层片组织具有较好且均衡的室温拉伸塑性、断裂韧性和高温强度性能

[7]

。因而,得到细小全层片或近全层片组织是克服

TiAl合金塑性、韧性的反常关系,从而提高其可靠性的重要技术途径。.　均匀细化变形

合金组织的工艺

。对采用真空自耗方法制备的200mm直

径Ti-46.5Al-2.5V-1.0Cr-0.3Ni合金锭,其挤压比达14的挤压开坯实验,得到了冶金质量良好的棒材,解剖进行组织观察发现,宏观流线均匀,微观为近γ组织,晶粒均匀细小约20～30μm,且沿挤压方向略被拉长(见图2)。可见,挤压比达到14可以实现理想的开坯效果,为下一步研制锻造航空发动机压气机叶片和航天用小尺寸整体叶盘奠定了坚实的基础。

影响变形TiAl合金可靠性的另一重要因素是其组织的均匀性,尤其是当推动变形TiAl合金的工程应用需要扩大锭型时。一般认为,增加锻造开坯的变形量是改善材料组织均匀性最有效的工艺途径,对TiAl合金采用多火次锻造可以改善组织的均匀性,但变形坯中仍有许多残余层片结构

[8]

。分析认为,这是因为分步锻造

总的变形量不够大和变形量分配不合理。通过数值模拟和实验相结合的方法研究发现,当采用60%+62.5%两步近等温锻造时,锻坯中均匀变形区体积分数达到90%,均匀变形区内层片组织破碎完全,变形组织为再结晶的细小近等轴γ晶粒和少量α2晶粒

[9]

(见图1)。

这种均匀的变形组织可为随后通过热处理获得均匀的热处理组织和稳定的力学性能提供坚实的保证。

图1　60%+62.5%两步锻造TiAl合金锭坯的宏观组

织(a)和均匀变形区微观组织(b)

Fig.1　Macro(a)andmicrostructures(b)inthe60%+

62.5%two-stepforgedTiAlpancake

图2　真空自耗法制备的200mm直径TiAl合金锭(a)和挤

压比14的棒材宏观(b),微观组织(c)

Fig.2　TiAlingots(a)preparedbyconsumablearcmelting,

macro(b),andmicrostructures(c)intheextrudedrod

挤压过程中坯料承受三向压应力,可以产生较大的塑性变形而不易开裂,是有利于较大尺寸TiAl合金铸锭　第2期

.　添加稀土改善变形

张　继等:TiAl金属间化合物工程实用化研究与进展合金层片组织的均匀性

11

[12]

在共析线温度发生分解。由于这种分解是层片的分段粗化并重结晶等轴化的过程,从而可以细化铸态组织

。

然后再将得到的近γ组织重新加热到α单相区温度短时保温后冷却,利用γ※α转变形成细小层片团的γ/α层片结构,冷却后即可得到铸造钛铝合金细小全层片组织

[13]

变形TiAl合金获得细小全层片或近全层片组织的热处理温度均高于或接近α单相区温度,α相晶粒长大难以控制,会影响层片组织的层片团尺寸和均匀性。研究发现,添加稀土元素Gd有利于层片团组织的均匀细化,且析出相包括高熔点的Gd-Al中间相和少量Gd氧化物,其中Gd-Al中间相在热加工和热处理过程中有溶解和再析出,可以被分散、细化(见图3)。添加Gd的TiAl合金经1300℃/2h/AC热处理可以获得层片团尺寸均匀、平均为40μm的近层片组织,其室温拉伸强度705MPa,塑性达到3.5%。可见,添加稀土元素Gd不仅有助于得到均匀细小的层片组织,且有可能进一步提高变形TiAl合金的力学性能。

。这种细小层片组织的铸造TiAl合金的室温塑性

可以达到3.0%,但由于其层片间距较宽,拉伸强度不够高。

.　层片组织力学性能各向异性的利用

TiAl合金凝固过程中α相柱状晶的择优生长方向是[0001],在随后的冷却过程中是γ相按照<110>//<1120]‖{111}//(0001)取向关系、沿α相的(0001)惯习面析出形成层片结构,而在铸造的板状部件试样中,柱状晶是垂直于表面向内生长,则最终得到的层片组织将会平行于板片的表面体研究的结果

[15]

[14]

。根据TiAl合金PST晶

,这种层片择优取向的铸造TiAl合金

在平行于板片表面方向应力作用下,有可能具有良好的拉伸塑性与强度匹配。通过控制合金的Ti/Al原子比和凝固冷却速度得到了全柱状晶,其中的层片是平行于板片表面的铸态组织(图4)度

[17]

[16]

,并实验得出了可以消除

铸造缺陷、同时保持层片组织形貌和取向的热等静压制

。从板片中切取标准试样、沿与层片平行方向施加载荷进行力学测试,结果表明,这种择优取向层片组织相比无取向的层片组织具有明显的强韧性优势和可观的室温塑性,且综合性能优异(见表1,表2)。近年,已在增压器涡轮叶片和工业燃机叶片缩比件中实现这种平行表面的层片组织设计,提高了这些部件的可靠性。

图3　添加Gd的TiAl合金锻造态(a)和1300℃热处理组织

中析出相的背散射电子像(b)

Fig.3　Back-scatteringimagesofforgedTiAlalloy(a)withadding

andpreciptitate(b)insampleannealedat1300℃

　铸造钛铝合金室温塑性的改善

.　细化铸造

合金组织的热处理方法

铸造工艺具有近净成形的优势,是TiAl合金较具工程应用价值的成形方式,但通过细化铸造TiAl合物组织来提高其室温塑性的难度较大。添加TiB2变质处理产生的晶粒细化效果明显,但TiB2粒子却增加了材料的脆性

[11]

图4　平行于铸态TiAl合金板片表面择优取向层片组织

的宏观(a)和微观(b)组织

Fig.4　Macrophoto(a)andmicrostructure(b)oflamellar

structurewithpreferredorientationparalleltosurfaceofforgedTiAlPlate

。所以热处理细化晶粒和形成有利的铸态组

织是铸造TiAl合金实用化的重要前提。

研究发现,微量Ni可使TiAl合金的γ单相区在共析温度附近向富Ti方向扩大,从而促进铸态层片组织12

表1　沿与层片平行方向施加载荷的拉伸性能

中国材料进展第29卷

Table1　TensilepropertiesofforgedTiAlplateloadedparallelto

laminatedstructurePropertiesTensilestrength

RPam/MElongationA/%

Testtemperature/℃225222.0

8005758.0

85052226.7

表2　沿与层片平行方向施加载荷的蠕变和疲劳性能Table2　CreepandfatiguepropertiesofforgedTiAlplateloaded

paralleltolaminatedstructurePropertiesNotchtensile

strength/MPa

Condition22℃/K=3t

σbHq(σ/σH)tbb

Results605

0.86>100

图5　离心铸造成形的TiAl车用增压器涡轮和航空涡流器

实件

Fig.5　ComponentsofTiAlalloysproducedbycentrifugalcasting

Creeprupture

800℃/200MPa

life/hRotarybending750℃/220MPafatigue/CycleR=-1

>1×107

　部件研制和应用研究进展

.　铸造

机叶片

　　在真空感应悬浮炉中用离心铸造方法研制出了车用增压器涡轮、航空涡流器实件(见图5)。其中,车用TiAl增压器涡轮,按增压器试验规范进行了全系列试车考核和发动机实验。与装配镍基高温合金增压器涡轮的发动机对比发现,配备TiAl合金涡轮增压器可使某型柴油机全负荷加速响应时间减少约35%(见图6),发动机比油耗降低3g/kW·h,稳态烟度降低0.2波许,实验证明,应用这种轻质新材料可以显著提高车用发动机的性能,并产生明显的节能、减排效果,具有重要的技术推动意义和巨大的市场前景。

研制的航空涡流器实件进行了挂片试验,未出现材料失效现象。对燃机叶片材料做了700℃/2000h和700℃/10000h的热暴露试验,发现γ相等轴晶粒的体积分数随挂片时间延长略有增加,在2000h内变化的幅度高于2000至10000h过程中的变化;而10000h后层片间距并未发生明显变化,表明这种层片组织具有优异的热稳定性.　变形

体叶盘

　　在较大锭型冶炼和挤压开坯技术取得突破后,通过热模拟实验得出了调整变形组织的热处理制度和二次变形特点,以有利于实现二次热加工成形与材料组织性能[18]

合金车用增压器涡轮、航空涡流器和燃

图6　配备TiAl合金(a)与镍基高温合金(b)涡轮增压器的

发动机加速响应曲线

Fig.6　Accelerationresponsecurvesofadieselenginewithtur-bochargersusingTiAl(a)andNi-basedsuperalloys(b)

的匹配。在工艺上采用软包套绝热并连续润滑等措施,以热模锻方式研制出了变形TiAl合金航空发动机压气机叶片,并进一步机加工出了完整的叶型和榫头(见图7),有关用户部门已安排进行TiAl合金叶片的振动疲劳试验和发动机短时考核。

以研制航天用变形TiAl合金整体叶盘为目标,首先通过实验得出了电极与工件间隙、电解液配比、阴极设计、电解混气等工艺参数对TiAl合金加工精度和表面质量的影响规律,将TiAl合金镦饼预成形后进行电解加工,现己制备出表面质量和尺寸精度合格的航天用整体叶盘(见图7),串装后进行了平台转动实验,实验中。

合金航空发动机压气机叶片和航天用整

　第2期张　继等:TiAl金属间化合物工程实用化研究与进展

13

已明确反映出应用TiAl合金,具有易于实现整体叶盘高精度动态平衡和瞬态变速的优点。

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图7　变形TiAl合金热模锻及机加工成形航空叶片和航天整

体叶盘

Fig.7　ComponentsofwroughtTiAlalloysmanufacturedbyforging

andmachining

　结　语

经过20余年的努力,以改善TiAl合金室温脆性为目标的材料改性研究己取得突破,针对应用部件的制备技术及在制备过程中实现成分和组织设计的研究也有显著进展,一些部件如车用增压器涡轮已进入实际应用。实验证明,应用TiAl合金可以通过结构减重产生明显的技术推动作用。因而有必要针对这种新材料的制备技术和应用研究中暴露的技术问题,结合国内工业条件和材料开发及应用特点进一步加强基础研究,提升部件成形与组织匹配技术,从组织均匀性和稳定性的角度更充分地保证TiAl合金的可靠性,并通过扩大应用进一步提高工艺成熟度、降低工艺成本。参考文献　

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