鈦鋁合金是一種綜合性能較好的輕質(zhì)高溫合金,密度低、比強度高、耐熱性好,抗高溫蠕變性能和抗高溫氧化能力的優(yōu)勢較為顯著。因其具有很多出眾的特點,可以制作飛機發(fā)動機和其他耐沖擊部件,是目前輕質(zhì)高溫合金中研究的重點方向。Ti-Al合金歷經(jīng)幾代的發(fā)展,組成成分如表1所示。Ti-Al系金屬間化合物主要存在TisAl'TiAl'TiAh幾種基本結(jié)構(gòu)。其中TisAl在高溫中使用性能不夠穩(wěn)定，抗高溫氧化性能較差;TiAh抗高溫氧化性能比較突出，但是塑性太差導(dǎo)致機械加工性能不好。鈦鋁合金在室溫下摩擦系數(shù)高、耐磨性差，延展性及變形加工性較差;工作溫度超過800 °C時，抗高溫氧化性能急劇下降;當工作溫度超多1000°C時，強度降低。上述缺陷嚴重制約了鈦鋁合金的使用范圍，研究開發(fā)新工藝制備鈦鋁合金技術(shù)顯得尤為重要。

一、鈦鋁合金國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前鈦鋁合金可以通過以下幾種方法制備:鑄錠冶金技術(shù)、粉末冶金技術(shù)、快速冷凝技術(shù)、復(fù)合材料技術(shù)等。其中粉末冶金技術(shù)優(yōu)勢明顯，制備出的鈦鋁合金組織均勻細小，而且便于成型不同形狀的零件、變形加工性能良好，有效解決了難于加工成形的問題叫1952年美國的P.Duwez等首次提出鈦鋁二元系中存在Ti-Al相,以及晶格常數(shù)、固溶范圍與Ti/Al比的關(guān)系叭Ti-Al二元相圖如圖1所示。上世紀50年代美國學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，鈦鋁合金在950°C環(huán)境中工作依然可以保持良好的抗氧化性和抗蠕變性能。在隨后半個多世紀，美國的研究員投入大量時間研究了鈦鋁合金的各相性能問。美國國家材料咨詢局研究了 Ti-Al合金的各種性質(zhì)和及未來應(yīng)用在國防工業(yè)的可能性。與此同時，前蘇聯(lián)和日本金屬學(xué)會以及一些工業(yè)發(fā)達國家也相繼對Ti-Al合金報道了一些研究成果。近些年來，隨著科技技術(shù)的不斷提高，出現(xiàn)了各種性能優(yōu)良的Ti-Al合金冋。

近年來，我國開發(fā)出了新一代的高溫高性能高鋸鈦鋁合金材料，被認為是一種性能優(yōu)越的發(fā)動機材料，阻燃、抗氧化、抗蠕變性能十分突出，并且相繼開發(fā)出了一系列的高鋸鈦鋁合金。高規(guī)鈦鋁合金主要元素有Ti、Al、Nb、C、W、Y ,其中主要元素為Ti,其次鋁含量高達45?46%,Nb含量為8?10%,是一種均勻的細晶全片層組織，片間距0.3?0.4pni,晶粒細小。可以在840?900 °C工作環(huán)境中保持良好的使用性能。    標志著我國航空航天發(fā)動機材料處于國際領(lǐng)先水平。對于高規(guī)鈦鋁合金，我國具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的高溫合金專利,帶動了世界范圍內(nèi)該領(lǐng)域的研究開發(fā)。

二、粉末冶金制備鈦鋁合金技術(shù)現(xiàn)狀

2.1噴射成型技術(shù)

噴射成形技術(shù)20世紀60年代在傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種快速凝固制坯技術(shù)。可以制備出形狀各異的半成品坯件，而且該材料密度低、比強度高以及良好的高溫蠕變性、抗氧化性，作為一種高溫部件廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域中。噴射成形技術(shù)也逐步得到材料研究者們的關(guān)注,在一些特定的領(lǐng)域中應(yīng)用亦愈加明顯。由于鈦鋁合金熔點高，容 易與圮塢、伸液管發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生雜質(zhì)，因此該技術(shù)在鈦鋁合金制備方向應(yīng)用相對較為滯后。在噴射成型過程中,金屬溶液液滴直接注入到噴射圓錐范圍內(nèi)并快速沉淀凝固成型，減少了何靜在高溫環(huán)境中的氧化時間。成型的鈦鋁合金微觀組織晶粒細小，呈層狀或等軸狀,其中TiB?增強相與基體充分結(jié)合，比其他方法制備的鈦鋁合金有更高的塑性韌性和蠕變抗

性。劉星星何等基于噴射成型技術(shù)制備了鈦鋁合金。工藝流程如圖2所示，首先將粉末鈦鋁融化成金屬溶液,金屬液流轉(zhuǎn)化成細小液滴,金屬液沿噴嘴的軸線方向飛行，在一定形狀的模具中沉淀凝固成型，凝固速度快、組織致密。Ti-Al合金噴射成型技術(shù)應(yīng)用在C-Ti-Al基合金上的報道較為多見,可制備出一系列C-Ti-Al基復(fù)合材料。通過添加塑性增強相 TiC、、Al2O3TiN> TiB2> Al2Ti4C2^ Ti5Si3> I^AIN、TiNb、NbC、SiC等的方法來提高C-Ti-Al基合金的塑性韌性。資料顯示添加體積分數(shù)為10%TiNb顆粒,C-Ti-Al基合金的室溫韌性可以提高2倍之多。

2.2粉末注射成型燒結(jié)技術(shù)

粉末注射成形工藝是一種粉末冶金成形技術(shù),其優(yōu)勢是可以精確制備出形狀各異的半成品或成品合金零件。基于TiAl合金粉末注射成型工藝流程，如圖3所示。首先將一定質(zhì)量分數(shù)的Ti粉末、A1粉末與石蠟基粘結(jié)劑按照一定的比例充分混煉,將其在注塑機上進行注射成型,接著在三氯乙烯溶劑中脫除石蠟基粘結(jié)劑，最后在高溫下燒結(jié)而得到近凈成型的TiAl合金問。趙麗明等問利用粉末注射成型技術(shù)制備了 TiAl合金。將混煉后的Ti粉末、A1粉末與石蠟基粘結(jié)劑在注塑機上注射成型,將成型坯分別稱重在三氯乙烯溶劑中脫脂，接著利用真空熱脫脂方法脫除殘余粘結(jié)劑,最后將坯料在高真空鋁絲爐中進行高溫燒結(jié),得到全片層組織的TiAl合金。實驗結(jié)果表明：在高溫下，燒結(jié)體組織起初的雙態(tài)組織消失殆盡，隨著片層團的增加，最終轉(zhuǎn)變?yōu)槿瑢咏M織;燒結(jié)體在A+C相區(qū)保溫lh時，相對密度分別為73%,在A相區(qū)同樣保溫lh時，相對密度可達到85%0在1450°C 保溫30min時,合金的抗壓強度達到2105MPa,壓縮率為30.9%,相對密度達到95%。粉末注射成型工藝的優(yōu)勢在于適合制備形狀復(fù)雜的零件，機械加工成本較低,而且十分有利于小尺寸合金的成型，可制備力學(xué)性能更好的合金,有效提高成型合金的質(zhì)量。

2.3自蔓延高溫合成鈦鋁合金

自蔓延高溫合成技術(shù)是一種利用物質(zhì)反應(yīng)熱的自傳導(dǎo)作用，在極短的時間內(nèi)利用高溫使物質(zhì)之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，來制備一些熔點較高的金屬間化合物或陶瓷等的工藝由前蘇聯(lián)學(xué)者在1976年研發(fā)并發(fā)展至今，其優(yōu)勢為:設(shè)備相對簡單、能耗較低和生產(chǎn)周期短。于歡等網(wǎng)以不同質(zhì)量分數(shù)的鋁粉、鈦粉、石墨粉和納米碳化硅粉末為原料，利用自蔓延高溫合成技術(shù)制備了 Al-Ti-C-SiC中間合金，研究了不同質(zhì)量分數(shù)SiC納米顆粒對產(chǎn)物的組成成分和TiC組織形態(tài)的影響。認為SiC與Ti發(fā)生反應(yīng)生成TiC和Si,而生成的Si與鋁形成Al-Si系合,Al3Ti含量減少。當SiC質(zhì)量分數(shù)為5%時，由于其含量較低，生成的TiC含量也較少而且比較分散,且TiC為八面體晶體結(jié)構(gòu)，顆粒細小，粒度大小在1?2pm,而少量的AbTi以針狀分布。當SiC質(zhì)量分數(shù)增加到10%時,試樣組織中存在大量TiC顆粒，為五面或六面體立方體晶體結(jié)構(gòu),但粒度大小各異導(dǎo)致均一性較差=當SiC質(zhì)量分數(shù)為15%時,TiC顆粒有球化的趨勢，

其中顆粒體積增加轉(zhuǎn)變?yōu)轾Z卵石狀，粒度大小各異、均一性差。SiC的加入使得TiC的粒度增大，晶粒球化。在自蔓延高溫合成Al-Ti-C中間合金的過程中，隨著SiC納米顆粒含量的增加，TiC晶粒隨之增大，同時異常長大的晶粒數(shù)量也會增加。

梁寶巖等血采用自蔓延高溫合成技術(shù)制備鈦鋁氮陶瓷材料。將Ti粉,A1粉和TiN粉體按照一定的質(zhì)量分數(shù)充分混合均勻在鋼模具中壓制成厚度約為5mm的坯體，利用自蔓延高溫反應(yīng)得到TizAlN陶瓷材料。

研究不同質(zhì)量分數(shù)的原料對TizAlN組織的影響并分析其形成機制。結(jié)果表明:Ti/Al/TiN體系自蔓延高溫合成產(chǎn)物主要成分為TiN,Al3Ti和TizAlN。在熱反應(yīng)中,A1的熔點最低，與Ti原子生成Al3Ti,在高溫作用下Ti-Al液相包裹住TiN晶粒，發(fā)生一系列熱反應(yīng)最終生成板條狀的Ti2AlN，合成產(chǎn)物中有少量的Ti3N2,而沒有較多的AlxTiy化合物。當Ti粉、A1粉和TiN粉按照1:1:1時，材料主要的相為TiN以及AhTi和少量的Ti2AlN；原料中適當添加過量的Al或Ti粉，材料主要生成的相為TizAlN,可獲得預(yù)期的鈦鋁氮材料。

2.4等靜壓成型技術(shù)

利用粉末鈦熱等靜壓技術(shù)制備出的鈦合金材料性能可與鍛件相媲美，而且成本較低。合成的鈦合金材料致密度高、殘余應(yīng)力小、內(nèi)部組織均勻細小，而且無缺陷,無織構(gòu),無偏析等現(xiàn)象,材料利用率高、生成周期短，易于制備形狀復(fù)雜的構(gòu)件佝。近年來我國在粉末鈦合金熱等靜壓技術(shù)方面取得了 一定進展，開發(fā)出一系列性能優(yōu)越的鈦合金材料，應(yīng)用于航 空航天等重要領(lǐng)域，如航天器、飛機起落架、導(dǎo)彈殼體、航空發(fā)動機壓氣機和引擎排風管、飛機蒙皮等呵。鮑穎阿利用氣霧化方法制備了 Ti-47.5Al-2Cr-2Nb-0.2W-0.2B合金粉末,再通過熱等靜壓技術(shù)將粉末燒結(jié)成形,對其組織、性能進行分析,繪制合金材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，研究了高溫變形溫度和應(yīng)變速率對合金的流變應(yīng)力的影響。實驗表明該合金熱等 靜壓燒結(jié)后顯微組織呈雙態(tài)組織，晶粒細小、均勻。

三、添加元素對粉末冶金TiAl合金組織和性能影響

TiAl合金是一種重要的高溫結(jié)構(gòu)材料,在航空航天軍事領(lǐng)域有著舉足輕重的作用。而鈦鋁合金的室溫脆性和加工成本頗高限制了合金在很多領(lǐng)域的應(yīng)用。添加合金元素是制備鈦鋁合金的發(fā)展趨勢，可以改善TiAl合金晶體結(jié)構(gòu);稀土元素不但在合金冶煉中起到脫氧、除硫作用，而且可以細化晶粒、提高合金韌性；在金屬基復(fù)合材料添加石墨烯可以晶粒細化，改善復(fù)合材料綜合力學(xué)性。針對粉末冶金TiAl合金添加元素可以實現(xiàn)固溶強化和第二相強化，使得TiAl合金在更廣泛的應(yīng)用在各種復(fù)雜的高溫環(huán)境中何，引起了學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。

3.1添加合金元素對粉末冶金TiAl合金組織和性能影響

TiAl合金合金化可以有效改善其性能和作用。趙俊才如在TiAl合金中分別添加Si、Mo、Zr、Mn等合金元素，制備了 Ti-48Al-2Cr-2Nb-0.6x （x=0、Si、Zr、Mo、Mn）合金。研究了合金元素對該合金組織及力學(xué)性能的影響，并對合金化后的TiAl合金進行熱處理。

實驗表明，分別添加的4種合金元素后,都可以形成不同的金屬間化合物,作為非均勻形核核心，提高了形核率，最終細化了組織，而且引起晶格畸變，鈦鋁合金的強度得到了提高。Mn、Si元素的加入阻礙了晶粒的長大,Mn元素提高了鈦鋁合金的塑性。其中Si元素的作用最為明顯，減少合金中等軸狀Y晶團的出現(xiàn)，冷卻速度變大，而冷卻速度越大，合金的組織越細小,力學(xué)性能越好。當添加Si的質(zhì)量分數(shù)為0.4%時，合金的屈服強度相比基體合金提升了 35.1%,斷裂強度提高了 49.7%,組織細小均勻，片層間距也較小。隨后將試樣進行熱處理,1310°C固溶處理后合金顯微組織為含少量等軸7晶團的片層組織;1350°C條件下熱處理,其顯微組織為晶粒細小的全片層組織，合金呈現(xiàn)了較好的綜合力學(xué)性能，相對原合金提高了 50%。劉慧初等將Ti粉、A1粉和少量Mg粉按照一定的配比充分混合后真空熱壓燒結(jié)制備碳納米管/鈦鋁合金復(fù)合材料。

分析了 Mg元素對復(fù)合材料組織與性能的影響。結(jié)果表明：當Mg含量為1.0%時，材料的組織均勻、細小，較為添加Mg元素的材料顯微硬度提高了 24.1%；當Mg含量為2.0%時，層片狀組織增多，極大地改善了材料的韌性，相應(yīng)的硬度有所下降;當Mg含量達到3.0%時,顯微組織中出現(xiàn)非層片狀組織,過量的Mg原子生成孔隙，導(dǎo)致材料相對致密度降低，硬度急劇下降。

3.2添加稀土元素對粉末冶金TiAl合金組織和性能影響

對TiAl合金而言，加入稀土元素可以細化晶粒、提高塑性。李陽旳通過熱等靜壓將Ti48A12Cr2Nb粉、稀土La粉燒結(jié)制備出TiAl基合金，分析合金的組織及性能。研究發(fā)現(xiàn)，在1150°C、150MPa壓力下保壓4h熱等靜壓下制備的合金組織晶粒非常細小，一般不超過30pm,多為等軸丫相。在1420°C、保溫2小時熱等靜壓后，合金的組織為一種全片層組織勵卄，由白色的足相和灰色的Y相構(gòu)成。合金中添加La元素后，發(fā)揮了于細晶強化和彌散強化的作用，強度增大;當加入過量的La后，由于網(wǎng)狀分布和大塊狀的富La第二相存在,導(dǎo)致性能反而下降。當La含量超過0.5at%時，富La第二相呈網(wǎng)狀或大塊狀，晶團邊界存在一些缺陷,如孔洞等,導(dǎo)致致密度會下降。狄玉麗列利用粉末冶金法研究了稀土 LaFs及燒結(jié)工藝對多孔Ti-Al合金材料性能的影響。認為添加少量的稀土氟化錮多孔Ti-Al合金的孔隙率影響并不明顯，而隨著氟化精添加量的增大多孔鈦鋁的力學(xué)性能和開孔率都是呈先增大后減小的趨勢。當氟化精的添加量為0.3wt%時為最佳工藝，其彈性模量能達0.97GPa,抗壓屈服強度能達到47.52MPa,晶粒細化導(dǎo)致燒結(jié)過程中晶粒長大程度略有不同，從而導(dǎo)致開孔率變大。

3.3添加石墨烯對粉末冶金TiAl合金組織和性能影響

石墨烯的力學(xué)性能優(yōu)異,加入到合金中可以制備綜合力學(xué)性能更高的TiAl合金。李文文采用冷壓壓制和真空熱壓燒結(jié)技術(shù)在TiAl合金粉末中添加了片狀石墨烯，制備了石墨烯/TiAl基合金自潤滑復(fù)合材料。研究不同含量的石墨烯對材料的物理性能及力學(xué)性能的影響。首先石墨烯與基體界面結(jié)合良好,而且其本身強度很高,使材料受到的應(yīng)力相應(yīng)的減少，材料制備過程中的化學(xué)反應(yīng)生成了少量的TizAlC相起到第二相強化的作用。但是隨著石墨烯含量的增多，有一些石墨烯團聚在一起，最終導(dǎo)致材料內(nèi)部空洞增多而影響了使用性能。隨著石墨烯含量的增多，材料的沖擊韌性并沒有發(fā)生明顯變化，而密度、硬度和強度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。當石墨烯的質(zhì)量分數(shù)為0.7%時為最工藝,材料的綜合力學(xué)性能最好。同時針對復(fù)合材料進行了干摩擦磨損試驗,認為在高溫環(huán)境中，復(fù)合材料表面產(chǎn)生一層由共晶體潤滑劑和石墨烯共同作用的潤滑膜，使得材料潤滑特性十分優(yōu)良。

四、其他工藝及展望

近年來將微波應(yīng)用在粉末冶金領(lǐng)域中來制備新材料越來越得到各國學(xué)者們的廣泛關(guān)注。羅銅等利用微波燒結(jié)鈦鋁粉末，制備出鈦鋁合金，分析了試樣的顯微結(jié)構(gòu)、密度和硬度，認為物料配比、壓坯壓力、燒結(jié)溫度等因素對TiAl合金性能的影響較為明顯。當氫化鈦含量低于15%時,隨著氫化鈦含量的增加,合金的密度逐漸降低、而硬度逐漸上升;燒結(jié)溫度越高,合金的硬度越大，當燒結(jié)溫度達到800 °C時，試樣兩相分布較為均勻；當壓坯壓力為20MPa時，合金的硬度較大，但是過高壓力會抑制金屬的液相流動，導(dǎo)致鈦鋁兩相分布不均勻,影響了合金的硬度。鈦鋁合金性能優(yōu)良，為了滿足日益提高的性能要求，開發(fā)低成本、設(shè)備簡單的新工藝是目前研究的熱點岡。在粉末冶金技術(shù)中制備TiAl合金過程中，施加一定的壓力，可以使合金組織更加均勻細小。

相對熱等靜壓技術(shù)高昂的加工費用，在普通加熱爐中采用增加配重的方法來實現(xiàn)機械式的增壓,Ti、Al粉末在高溫、壓力下燒結(jié)成型。該工藝設(shè)備簡單、易于實現(xiàn)，有望得到與利用熱等靜壓技術(shù)制備的合金性能相媲美的TiAl合金,而且生產(chǎn)成本較低。

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