TiAl金属间化合物的合金设计及研究现状

分析合金元素对TiAl合金晶体结构及组织性能的影响.采用高合金化(如高Nb,V,Cr,Mn等)引入高温β相,使TiAl合金具有较好的可成形性.添加少量C,B,RE等元素改善TiAl合金组织和性能.介绍热处理及热机械处理控制TiAl合金显微组织的方法.概述TiAl合金成形技术及应用,并分析TiAl合金的发展趋势.     

变形TiAl合金研究进展

变形TiAl合金以其低密度、高强度和优异抗氧化性等优点,成为最有潜力替代航空航天动力系统中较重镍基合金的高温结构材料。经过多年的研究,变形TiAl合金的发展已经取得了很大进步。本工作主要综述了近年来变形TiAl合金在合金化、熔炼、热加工(锻造、挤压和轧制)、粉末冶金和后续热处理等方面的研究进展。探讨变形TiAl合金存在的问题,并认为进一步提高合金的热加工性和室温塑性,开展合金化、热加工工艺优化、数值模拟等方面的研究,实现TiAl合金的工程化应用是未来TiAl合金领域的发展方向。     

TiAl金属间化合物缺口断裂性能

 TiAl合金作为准脆性材料,在其服役过程中由于缺口的存在使得断裂对缺口非常敏感,严重降低了其使用性能,因此需要研究TiAl合金在缺口作用下的断裂性能。采用带缺口的组合拉伸试样研究了温度和拉伸速率对具有近全片层组织Ti-48Al-2Cr-2Nb合金缺口断裂性能的影响。结果表明,室温下TiAl合金对缺口非常敏感,随着温度的升高,TiAl合金对缺口敏感性降低,当温度为800 ℃时,TiAl合金对缺口不敏感。TiAl合金在低温区塑性变形是通过位错滑移和变形孪晶引起的,高温下是由扩散控制的位错攀移作用引起的。研究还表明,200 ℃下拉伸速率较低时TiAl合金对缺口不敏感,当拉伸速率增加到较高时,TiAl合金对缺口很敏感。     

稀土元素La,Ce对机械合金化TiAl合金显微组织和性能的影响

采用机械合金化结合粉末冶金技术制备Ti-44.7Al-xLa-yCe(原子分数/%,下同)合金材料.利用扫描电镜和金相显微镜研究不同La,Ce添加量对机械合金化TiAl基合金的显微组织的影响,并对合金的力学性能进行测试.研究表明,通过机械合金化在TiAl基合金系统中添加微量稀土元素La,Ce对TiAl基合金的细化作用非常明显,TiAl的强度开始随着稀土元素La的增加而增加,当La元素含量为0.5%时,达到峰值,然后强度随稀土含量的增加而下降;而合金的强度却随添加Ce的含量的增加而直线下降,同时添加稀土La的TiAl合金的强度远高于加稀土Ce的TiAl合金的强度.     

Ni基合金／γ-TiAl基合金的超塑扩散连接

通过对Ni基合金进行激光熔覆γ TiAl基合金涂层处理,对γ TiAl基合金进行激光表面熔凝处理,将异种合金间的连接转化为具有相似显微组织特征的同种合金间的连接。研究了Ni基合金激光熔覆涂层的显微组织特征,探讨了激光表面改性处理和连接温度对Ni基合金/γ TiAl基合金扩散连接质量的影响。结果表明,激光表面改性技术提高了Ni基合金/γ TiAl基合金的连接质量。在连接温度900℃,连接压力60MPa,连接时间1h的连接条件下,可实现Ni基合金/γ TiAl基合金的连接。     

改善TiAl合金高温抗氧化性能的研究进展

综述了改善TiAl合金高温抗氧化性能的近期研究进展,着重介绍了合金元素对TiAl合金高温抗氧化性能的影响、表面改性及抗氧化涂层对改善其高温抗氧化性能的作用等.综合来看,通过合金化并结合先进的表面防护方法是改善TiAl合金800℃以上高温抗氧化性能的非常有效的途径.     

一种TiAl合金高温低循环疲劳性能及失效机理

通过对TiAl合金进行总应变范围控制的高温(750℃)低循环疲劳实验,研究双态(Duplex,DP)和全片层(Fully Lamellar,FL)组织形态对TiAl合金低循环疲劳性能和寿命的影响,并采用总应变幅-寿命方程对两类组态TiAl合金低循环疲劳寿命进行预测。结果表明:在相同温度和应变条件下,DP组态TiAl合金稳态迟滞回线对应的平均应力明显低于FL组态TiAl合金稳态迟滞回线对应的平均应力;采用总应变幅-疲劳寿命方程能够准确预测两种组态TiAl合金在750℃下的疲劳寿命,预测寿命基本位于试验寿命的±2倍分散带以内;另外,DP组态TiAl合金的疲劳源区位于试样的近心部,而FL组态TiAl合金的疲劳源区位于试样的次表面,两类组态TiAl合金的高温疲劳失效机理存在明显差异。     

阳极氧化对TiAl合金高温氧化行为和力学性能的影响

采用电化学阳极氧化技术在含NH4F的乙二醇电解液中对TiAl合金进行阳极氧化处理。研究阳极氧化对TiAl合金高温氧化行为和力学性能的影响。结果表明:由于“卤素效应”,阳极氧化处理的TiAl合金经高温氧化后表面形成致密、连续的Al₂O₃氧化膜,有效阻止了氧的内扩散,进而显著提高合金的抗高温氧化性能。经1000℃氧化100 h后,阳极氧化试样增重由未经阳极氧化处理试样的85.86 mg/cm²降至0.67 mg/cm²。另一方面,阳极氧化TiAl合金表面硬度和弹性模量随高温氧化时间延长呈先降低后升高的趋势。阳极氧化TiAl合金在高温服役后,合金的摩擦系数较未经阳极氧化处理试样上升,但表面耐磨性先降低后升高。这是由于TiAl合金经阳极氧化后,表面形成了一层富铝含氟氧化膜,由于氧化膜中F元素在高温氧化过程中与Ti、Al结合形成卤化物,卤化物蒸气选择性扩散在原始氧化膜处形成致密的Al₂O₃保护膜。阳极氧化对TiAl合金力学性能的影响主要是由于氧化膜中Al₂O₃的含量变化所致。     

全片层TiAl合金的片层取向和片层间距控制的研究现状

全片层TiAl合金的片层取向和片层间距对其断裂韧性、屈服强度、蠕变性能和疲劳性能等力学性能具有重要影响。本文从片层取向控制和片层间距控制两方面,系统的综述了全片层TiAl合金的性能和组织间的关系,并总结了提升全片层TiAl合金的性能的手段。指出取向与晶体生长方向相同、片层间距细小的全片层TiAl合金具有最优的综合力学性能;减小Al当量、增大生长速度和环境压力可减小全片层TiAl合金的片层间距,增大Al当量是最简单有效的细化片层的手段;自引晶法是控制片层取向的新兴方法,是未来TiAl合金片层取向控制的重要发展方向。     

TiAl合金精密成形技术研究进展

综述了TiAl合金成形技术的研究现状,着重介绍了铸锭冶金、粉末冶金、精密铸造、挤压和锻造、板材制备等精密成形技术。     

铸造钛铝合金组织与力学性能

根据对钛铝合金铸态组织的金相观察,分析了合金元素Ｃｒ,Ｖ,Ｎｂ对铸锭组织的影响。研究发现,合金元素Ｃｒ,Ｖ有利于柱状晶生长,在这种柱状晶组织中γ／α２层片排列具有较强的择优取向,即层片界面垂直于柱状晶生长方向;而Ｎｂ抑制柱状晶生长,且含Ｎｂ的ＴｉＡｌ合金宏观等轴晶区和柱状晶区内层片组织均由等轴状的层片团构成,并以四点弯曲试验结果对不同合金化条件的钛铝合金的力学性能的方向性做了评价。     

增材制造钛铝合金研究进展

钛铝合金具有轻质、高强、耐高温等优异特性,在航空领域,特别是在航空发动机涡轮叶片上具有重要应用价值。然而,钛铝合金的室温脆性大、热变形能力低,使得采用传统的锻造、精密铸造、粉末冶金等技术均难以制造具有复杂形状,特别是具有内部空腔结构的钛铝合金叶片,限制了其性能的进一步提升。增材制造技术能够突破形状的制约,有望发展成为制造钛铝合金复杂结构零部件的新技术。目前,应用于钛铝合金的增材制造技术主要有电子束选区熔化、选区激光熔化和激光金属沉积。本文调研了增材制造钛铝合金领域2010~2020年的文献,对上述3类增材制造技术的原理和特性、所使用合金粉末的特性、打印构件的相组成、组织形貌和热处理工艺、宏观和微观力学性能及其在航空领域的应用等研究进行了对比分析和评述,并对增材制造钛铝合金发展中所存在的问题及下一步研发重点进行了总结和探讨。     

钛铝金属间化合物基合金中的孪生与孪生交互作用

因其具有的低对称正方点阵结构,孪生在钛铝金属间化合物基合金塑性变形中的重要性愈来愈引起广泛注意,被认为对塑性、加工硬化和断裂过程有重要影响。因此,对钛铝基合金中孪生和孪生交互作用机理的研究是近几年来的一个热点。综述了该研究领域取得的一些进展和目前对孪生和孪生交互作用机理的认识水平及未来的研究方向     

热变形对高铌TiAl合金微观组织的影响

通过对Ti-45Al-8.0Nb-0.2W-0.2B-0.1Y(原子百分数)合金的热压缩分析发现,其变形温度和变形速率对合金的真实应力-应变曲线以及变形后的组织有显著的影响。在低的变形温度和高的变形速率下,随应变量的增加合金呈现明显的软化现象,变形后存在大量的流线型组织,当变形温度达到1250℃、变形速率降到1×10^-3s^-1时,合金变形后的组织逐渐得到充分的再结晶,铸态组织得到明显的细化。     

Deposition of aluminide and chromium-modified aluminide coatings on TiAl alloys using the halide-activated pack cementation method

ＦｕｒｔｈｅｒａｄｖａｎｃｅｓｉｎａｅｒｏｓｐａｃｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｄｅｍａｎｄｍａｔｅｒｉａｌｓｗｉｔｈｈｉｇｈｅｒｕｓｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓａｎｄｌｏｗｅｒｄｅｎｓｉｔｙｔｈａｎｔｈｅｃｕｒｅｎｔｌｙｕｓｅｄＮｉ－ｂａｓｅｓｕｐｅｒａ...     

Electron Beam-Physical Vapor Deposited TiAl-based Laminated Composite Sheet with Nb Layer Toughening

The TiAl-based laminated composite sheet of 150mm×100 mm×0.2mm, with 24 TiAl layers and 23 Nb layers laid alternately one on another, was successfully fabricated using the electron beam-physical vapor deposition (EB-PVD) method. The microstructure and properties of the sheet were investigated on an atomic force microscope (AFM), a scanning electron microscope (SEM) and a tensile testing machine. The results indicate that the evenly distributed Nb layers are well joined with the TiAl layers, and the interfaces between layers are transparent, and every interlayer spacing is of about 8 μm. The fractures appear to be a mixture of intergranular fractures and somewhat ductile quasi-cleavage ones. Despite its slight influence on ultimate tensile strength, the inserts of Nb layers efficiently in-crease the room temperature ductility of TiAl-based alloys due to the crack deflection effect.     

基于最小加工表面裂纹的TiAl合金铣削参数优化

TiAl合金以其优异的性能被广泛应用于航空、航天制造领域,但由于TiAl合金自身的物理、化学特性,导致其切削性能较差,加工过程中容易出现工件表面烧伤、表面微裂纹等问题。为了研究TiAl合金铣削加工过程中切削工艺参数对加工表面裂纹的影响规律,设计了TiAl合金切削参数与加工表面裂纹之间的正交试验。结果表明:切削速度对TiAl合金铣削表面裂纹的影响最大,其次是切削深度和切削宽度,每齿进给量对表面裂纹的影响最小。基于遗传算法,以表面裂纹长度为目标函数,优化得到的最优参数组合为:ae=0. 2 mm、ap=0. 2003 mm/z、fz=0. 02001 mm/z、vc=20. 0004 m/min。采用优化后的参数铣削TiAl合金,发现工件表面的实际加工裂纹长度和经过算法优化的裂纹长度相差较小,该优化方法可行性较高,误差较小。     

加强航空材料的使用性研究

 本文试图对航空材料的使用性提出确切的定义,即材料的使用性是指一个特定结构件所使用的材料在该构件的制造过程和使用期间必须具备的性能。 为了使我国自行设计的飞机尽快地赶上世界先进水平,作者根据国内外以往的研究与使用经验,对常用的航空材料、低密度材料和高温合金等在如何改进其使用性方面,提出一些看法和意见。