TiAl合金的發展歷程及應用前景

隨著航空工業的快速發展，對材料的要求也越來越高，目前，其結構材料正在朝著“更強更輕”的方向發展，更輕的材料意味著飛機能夠非得更高且可以有效減少CO₂的排放。金屬間化合物γ-TiAl合金具有許多優異的性能，如比強度高，質量輕，耐高溫以及良好的高溫抗蠕變性能等。可以很好地滿足航空以及自動化工業的需求，是近幾年來的熱點金屬材料之一，受到了航空工業的青睞。雖然TiAl基合金有許多優點，并在技術上取得了許多重要突破，但仍有許多性能方面的問題需要解決，比如TiAl合金低的室溫塑性及伴隨而來的成形性差，對于1000℃以上使用的高溫部件具有相對較低的高溫強度，800℃以上的抗氧化性能不足，拉伸強度、塑性與斷裂/蠕變抗力具有相反關系等，所以其應用受到一定限制，下面我們看看這種材料的發展歷程和應用前景。

1.第一代TiAl合金

第一代TiAl合金主要為γ-TiAl合金，顧名思義，這類合金主要的相成分為γ相，外加少量α₂相，所以這類合金一般Al元素的含量較高（百分含量在46~48%之間），外加少量β穩定元素，如Cr、Mn、V等。經典的合金為美國生產的Ti-48Al-1V-0.5C合金（通常認為這是第一代TiAl 合金的代表），Ti-46.5Al-4(Cr、Mn、Ta)等合金。之后開展了一系列力學性能、成形工藝和典型試驗件研究。?該合金斷裂韌性較好，可機械加工，可鑄造，但室溫塑性和沖擊性能較低，鑄件易產生表面疏松。采用該合金鑄造的典型結構件包括F100發動機壓氣機葉片毛坯和JT9D發動機低壓渦輪葉片。第一代TiAl合金又稱近γ-TiAl合金，其變形機理為1/2<110}{111}普通位錯外加1/2<11-2}{111}孿晶變形。如figure 1所示為Ti-46.5Al-4(Cr、Mn、Ta)樣品在壓縮變形時的變形機理。

Figure 1

Ti-46.5Al-4(Cr、Mn、Ta)樣品在壓縮5%時的TEM照片，D代表位錯滑移，T代表變形孿晶，可以看出該類合金的變形機理為位錯加孿晶的運動。

2.第二代TiAl合金

第二代TiAl合金也為γ-TiAl合金，不同之處在于其內部加入了少量的Si, B, C等非金屬元素。 其成分可以概括如下：

Ti-（45-48）Al-（1-3）X-（2-5） Y-（ < 1）Z，

其中X=Cr, Mn, V； Y=Nb, Ta, W, Mo； Z=Si, B, C。

非金屬元素的加入有助于合金細化晶粒，尤其是元素B，可以顯著的細化TiAl合金鑄造過程的內部組織，從而達到增強增韌的目的。Si元素的加入可以提升合金的蠕變性能。C元素的添加可以可以拓寬α相區，同時減小α/γ的片層空間，其主要原因是C的添加降低了γ相的層錯能并增加了其形核率，更小的片層空間則有助于提高合金的蠕變性能，在某些時候還可以起到析出強化的作用。在第二代合金中添加β穩定元素，如Nb，Mo等可以將α轉變線向高Al方向推進，縮小了α+γ的相區范圍。通過固溶強化，這些合金元素的添加可以提高合金的強度。在1999年左右,出現了商用γ-TiAl合金,日本三菱公司首次在賽車的渦輪增壓器上使用了TiAl合金，2002年左右,一系列鍛造處理的γ-TiAl合金閥門應運而生。幾年后,美國航空公司宣布，其制造的Ti-48Al-2Nb-2Cr合金成功安裝在波音784飛機的低壓渦輪葉片上。

第二代TiAl合金至少有一個X元素和一個Y元素，這樣添加的目的是考慮到室溫塑性以及高溫蠕變和抗氧化性能的平衡。總體來說，第二代TiAl合金有良好的加工性能，中度的拉伸性能，其室溫塑性大約在1-3%左右，斷裂韌性介于10-25MPa，當然這主要取決于其組織與化學元素成分。典型的第二代鈦鋁合金有三種，其中4822 室溫塑性最高；45XD可鑄性好, 鑄態組織最佳, 高溫強度和疲勞性能好；47WSi合金的高溫(760 ℃)蠕變性能優異。

3.第三代TiAl合金（設計要求，成分，性能）

第三代TiAl合金主要考慮高溫熱加工性能，以降低其應用成本及析出強化，其成分可以總結如下：

Ti-（42-48）Al-（0-10）X-（0-3） Y-（ 0-1）Z-（0-0.5RE），

其中X=Cr, Mn，Nb, Ta；Y=Mo, W, Hf, Zr；Z=C,B,Si；RE代表稀土元素。

與第二代合金不同的是，第三代合金特別注重于添加較高的Nb以及Mo元素，典型的代表為TNM合金。在高溫下（通常在α+γ相區）下，該類合金具有很好的加工性能，可以使用傳統工藝進行鍛造。鍛造后通過熱處理可以調控有序β相的含量，從而調整其力學性能。與第二代合金相比，第三代合金的強度明顯提高，高溫抗氧化性能逐漸提高，其室溫性能可以達到800~1100?Mpa，而拉伸塑性則大于2%。其主要原因是高Nb以及Mo元素抑制了擴散過程，從而降低了位錯的攀移。下面以TNM合金的設計理念為例，具體說明第三代TiAl合金的優越性。

第一代和第二代鈦鋁合金的鍛造方式主要是等溫鍛造，等溫鍛造的成本高昂，嚴重限制的TiAl合金的大規模應用。在TiAl合金中加入大量的β穩定元素，可以在合金內部引入大量的β相，β相具有立方結構，滑移系較多，具有良好的塑性變形能力，從而可以實現鈦鋁合金的自由鍛，所以TNM合金中具有較高的Nb和Mo元素。考慮到要實現傳統自由鍛造，合金的鑄態組織盡量細小且均勻。有鑒于此，TNM合金在設計時應該滿足以下的條件：

1）在合金鑄造凝固之后具有細小的等軸組織且無明顯的織構出現；

2）盡量保證合金在凝固過程中按照L→L+β→β…而非包晶反應L→L+β→α→…，原因是包晶反應會導致元素的偏析。β→α轉變會形成12種變體，可以很好地細化晶粒；

3）后續鍛造時，由于合金含有大量的β相，為塑性變形提供了滑移系，因此提高了合金高溫變性能力，從而可以實現擠壓、鍛造以及軋制。另外大量β相的存在可以有效抑制合金在多步成形和熱處理過程中晶粒的過度生長。但是β相冷卻過程中轉變得到的有序β₀相應該盡量消除，因為他們會導致材料的脆性斷裂；

4）為了避免通過熱處理調控鍛件和鑄件內部晶粒的過度生長，應該盡力避免高溫下單相α區的存在，或者保持α單相區盡量狹小。所以合金中加入擴散能力小的Nb和Mo等元素，便可以有效抑制單相α的過度生長；

5）合金中應該存在匹配很好的γ和α₂相，相含量可以通過后處理來進行調控；

6）在中溫保溫時，通過β相析出的ω相應該被抑制，由于其可以導致材料脆性斷裂；

基于以上的設計理念，加上第一性原理的計算，TNM合金被成功設計出，其花村成分為Ti-43Al-4Nb-1Mo。后來在該合金的基礎上加了0.1B元素，從而形成新一代TNM⁺合金。主要考慮的是B元素具有良好的細化晶粒的作用。第三代合金的AL元素含量略微減小（但對相變影響很大），β溫度元素極大提高。相較第二代合金，強度極大提高，但塑性略有降低。

4.β—TiAl合金（設計要求，成分，性能）

β—TiAl合金嚴格意義來說依然屬于第三代合金，其奠基性的基礎工作則由我國北京科技大學陳國良院士所做。他們組成功開發出了高Nb鈦鋁合金。在第一屆國際TiAl合金大會上，TiAl合金領域的世界權威Y.W. Kim博士指出，由北京科技大學幵發的高Nb—TiAl合金是高溫高性能合金的“首創”。高Nb—TiA合金已經成為新一代高溫合金的發展方向。高Nb合金與普通合金相比，其使用溫度提高60-100℃，室溫強度提高約300-500MPa。其強度性能與渦輪盤用普通變形鎳基高溫合金相近，而比重約為其一半。其抗氧化性能遠優于普通TiAl合金，而抗氧化性與鎳基高溫合金相近。國際上目前發展的多種合金中，都是以高的添加作為合金化基礎的，例如TNB合金（Ti-45Al-8Nb-0.2C）、TNM合金以及Y.W. Kim博士最近倡導研發的β—TiAl合金等。我國發展的高Nb—TiAl合金的成分以Ti-45Al-8.5Nb為基礎。這些合金的特征均以高Ｎb低Ａl為主，然后再在高Ｎｂ合金化的基礎上，通過其它間隙元素、過渡元素和稀土元素進行微合金化，從而實現綜合性能的提高。如Ｗ、Ｍo、Ｔa等過渡元素可通過固溶強化來提高ＴiＡl合金的高溫強度；而Ｃ、Ｓi、Ｎ等可產生沉淀析出，阻礙位錯運動和晶界遷移，形成第二相強化，有利于蠕變性能的提高；Ｂ則可以細化晶粒、減少凝固偏析，提高強度及熱加工性；而Ｙ的添加則可以形成穩定的氧化層。高鈮合金的特點是高溫蠕變和抗氧化性能好，缺點是室溫塑性低, 難以鑄造。采用變形工藝可在一定程度上提高室溫塑性，但Al 偏析問題仍有待解決。

高Ｎb合金化對TiAl合金相圖的主要影響如下(見figure 2)：

（１）熔點提高了約1000℃；

（２）β/β₀相區向高Ａ１方向擴大，β/β₀轉變溫度降低了50-80℃；

（３）α相界線降低約30℃Ｃ，α/α+β相界線降低約50-100℃。α相區變窄，整體向高Ａl區移動；

（４）γ相區向低Ａl區移動，有利于室溫塑性的改善；

（５）α/α₂+γ共析溫度生髙；

（６）當Ｎb含量超過9.5％時，低溫α₂＋γ兩相區變成α₂＋γ＋β₀三相區，β₀相不利于室溫塑性，故而限制了Nb含量合金化的上限。

Figure 2 高Nb含量對相圖的影響

5.TiAl合金的挑戰與前景

在2014 年，美國召開了礦冶?金屬?材料學會第五屆γ-TiAl 國際會議，在總結討論的時候，提出了以下幾方面的問題：(1) 如何進一步提高已獲應用的鑄造合金和技術的成熟度，提高合格率，降低成本？?(2)過去幾十年對變形合金研究得最為充分, 為什么至今未能獲得規模應用? 能否通過進一步研究掃除障礙, 找到出路？(3) 能否找到綜合性能好的第三代合金？高性能的β凝固合金能否完全實現常規工藝鍛造, 能否實現鑄造？(4) 如何評估各種新的工藝？如何保證成分和顯微組織的均勻性和一致性？新工藝的優勢和可實現性到底如何？(5) 未來可以拓展哪些新的應用，需要解決哪些問題？這些問題將是未來鈦鋁合金發展需要面對的主要問題，也是需要解決的技術瓶頸。就目前的情況來看，在鈦鋁合金的發展道路上，以下問題在未來需要解決。

1）鑄造技術的進一步發展與完善；由于TiAl合金相圖的復雜性，凝固顯微組織對凝固條件和合金成分非常敏感。應該采用材料基因組計劃所倡導的集成計算方法，將多尺度的計算模擬相結合，給出成分-相-顯微組織關系的框架，并加以必要的實驗驗證，以更好地理解凝固偏析，改善顯微組織均勻性。

2）難變性能力的挑戰；對于TiAl 這樣的難變形合金，采用變形工藝意味著材料利用率很低，成本很高，這是至今變形合金未實現大批量應用的主要原因之一。 未來需要系統表征顯微組織和織構隨變形工序的演變過程，在此基礎上以最少工序獲得最佳組織，以降低成本。

在應用前景方面，近年來，3D 打印技術快速發展，而鈦鋁合金也成為研究的主要對象之一。歐美對γ-TiAl 合金開展了較大投入的研究。例如，美國德克薩斯大學和加州大學、意大利都靈技術大學和意大利航空工業集團、瑞典Arcam 公司等單位，采用電子束粉末床技術對制備多種γ-TiAl 合金及葉片、葉輪模擬件開展了深入研究；許多發達國家，包括我國都對這一技術在鈦鋁合金的成形與應用中進行了一系列研究，這些3D 打印技術用γ-TiAl 合金制備必將推動新一代制造方法的進步。盡管進展較快，目前仍有很多技術問題沒有解決，如同一工件不同部位性能的一致性、不同批次間性能的一致性、沉積質量與制造效率的矛盾、以及當電子束掃描速率較高時造成的層間偏析等問題還有待深入研究。

歐洲科學基金會在2013 年底出版的材料科學與工程展望報告列出了9 個需要重點關注的研究主題，γ -TiAl 合金和增材制造技術分列第一和第二。而將增材制造技術用于制備低塑性γ-TiAl 合金部件顯然挑戰性更大。各種3D 打印技術仍在加速發展中，有待成熟。所以，3D打印技術在未來的應用前景可觀，但是需要解決若干充滿挑戰的難題。

6 結語

航空發動機被譽為“工業之花”和飛機的“心臟”，也是工業界“皇冠上的明珠”。因此，航空發動機材料彌足珍貴。而TiAl合金作為一種重要的航空發動機材料，應用前景非常廣，是目前替代鎳基高溫合金的理想材料。開發高性能的TiAl合金對航空發動機的生產意義非凡。在同樣的條件下，使用TiAl合金作為葉片，可以減重50%左右，這樣可以大大減少飛機的能耗，還可以減少CO₂的排放，更可以讓飛機非得更高更遠。

本文由虛谷納物供稿。

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