鈦鋁合金是一種綜合性能較好的輕質高溫合金,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,是目前輕質高溫合金中研究的重點方向。Ti-Al合金歷經幾代的發(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幾種基本結構。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，但是塑性太差導致機械加工性能不好。鈦鋁合金在室溫下摩擦系數高、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顯得尤為重要。

一、鈦鋁合金國內外研究現狀

目前鈦鋁合金可以通過以下幾種方法制備:鑄錠冶金技術、粉末冶金技術、快速冷凝技術、復合材料技術等。其中粉末冶金技術優(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、固溶范圍與Ti/Al比的關系叭Ti-Al二元相圖如圖1所示。上世紀50年代美國學者研究發(fā)現，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合金的各種性質和及未來應用在國防工業(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，隨著科技技術的不斷提高，出現了各種性能優(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先水平。對于高規(guī)鈦鋁合金，我國具有獨立知識產權的高溫合金專利,帶動了世界范圍內該領域的研究開發(fā)。

二、粉末冶金制備鈦鋁合金技術現狀

2.1噴射成型技術

噴射成形技術20世紀60年代在傳統(tǒng)粉末冶金技術的基礎上發(fā)展起來的一種快速凝固制坯技術?？梢灾苽涑鲂螤罡鳟惖陌氤善放骷?，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用在航空航天領域中。噴射成形技術也逐步得到材料研究者們的關注,在一些特定的領域中應用亦愈加明顯。由于鈦鋁合金熔點高，容 易與圮塢、伸液管發(fā)生反應而產生雜質，因此該技術在鈦鋁合金制備方向應用相對較為滯后。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合金噴射成型技術應用在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粉末注射成型燒結技術

粉末注射成形工藝是一種粉末冶金成形技術,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?；赥iAl合金粉末注射成型工藝流程，如圖3所示。首先將一定質量分數的Ti粉末、A1粉末與石蠟基粘結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劑，最后在高溫下燒結而得到近凈成型的TiAl合金問。趙麗明等問利用粉末注射成型技術制備了 TiAl合金。將混煉后的Ti粉末、A1粉末與石蠟基粘結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劑,最后將坯料在高真空鋁絲爐中進行高溫燒結,得到全片層組織的TiAl合金。實驗結果表明：在高溫下，燒結體組織起初的雙態(tài)組織消失殆盡，隨著片層團的增加，最終轉變?yōu)槿瑢咏M織;燒結體在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，可制備力學性能更好的合金,有效提高成型合金的質量。

2.3自蔓延高溫合成鈦鋁合金

自蔓延高溫合成技術是一種利用物質反應熱的自傳導作用，在極短的時間內利用高溫使物質之間產生化學反應，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)學者在1976年研發(fā)并發(fā)展至今，其優(yōu)勢為:設備相對簡單、能耗較低和生產周期短。于歡等網以不同質量分數的鋁粉、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制備了 Al-Ti-C-SiC中間合金，研究了不同質量分數SiC納米顆粒對產物的組成成分和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質量分數為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為八面體晶體結構，顆粒細小，粒度大小在1?2pm,而少量的AbTi以針狀分布。當SiC質量分數增加到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構,但粒度大小各異導致均一性較差=當SiC質量分數為15%時,TiC顆粒有球化的趨勢，

其中顆粒體積增加轉變?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量也會增加。

梁寶巖等血采用自蔓延高溫合成技術制備鈦鋁氮陶瓷材料。將Ti粉,A1粉和TiN粉體按照一定的質量分數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得到TizAlN陶瓷材料。

研究不同質量分數的原料對TizAlN組織的影響并分析其形成機制。結果表明:Ti/Al/TiN體系自蔓延高溫合成產物主要成分為TiN,Al3Ti和TizAlN。在熱反應中,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)生一系列熱反應最終生成板條狀的Ti2AlN，合成產物中有少量的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,可獲得預期的鈦鋁氮材料。

2.4等靜壓成型技術

利用粉末鈦熱等靜壓技術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、殘余應力小、內部組織均勻細小，而且無缺陷,無織構,無偏析等現象,材料利用率高、生成周期短，易于制備形狀復雜的構件佝。近年來我國在粉末鈦合金熱等靜壓技術方面取得了 一定進展，開發(fā)出一系列性能優(yōu)越的鈦合金材料，應用于航 空航天等重要領域，如航天器、飛機起落架、導彈殼體、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將粉末燒結成形,對其組織、性能進行分析,繪制合金材料的應力-應變曲線，研究了高溫變形溫度和應變速率對合金的流變應力的影響。實驗表明該合金熱等 靜壓燒結后顯微組織呈雙態(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構材料,在航空航天軍事領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域的應用。添加合金元素是制備鈦鋁合金的發(fā)展趨勢，可以改善TiAl合金晶體結構;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；在金屬基復合材料添加石墨烯可以晶粒細化，改善復合材料綜合力學性。針對粉末冶金TiAl合金添加元素可以實現固溶強化和第二相強化，使得TiAl合金在更廣泛的應用在各種復雜的高溫環(huán)境中何，引起了學術界的極大關注。

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，冷卻速度變大，而冷卻速度越大，合金的組織越細小,力學性能越好。當添加Si的質量分數為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，合金呈現了較好的綜合力學性能，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制備碳納米管/鈦鋁合金復合材料。

分析了 Mg元素對復合材料組織與性能的影響。結果表明：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，相應的硬度有所下降;當Mg含量達到3.0%時,顯微組織中出現非層片狀組織,過量的Mg原子生成孔隙，導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粉燒結制備出TiAl基合金，分析合金的組織及性能。研究發(fā)現，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，由于網狀分布和大塊狀的富La第二相存在,導致性能反而下降。當La含量超過0.5at%時，富La第二相呈網狀或大塊狀，晶團邊界存在一些缺陷,如孔洞等,導致致密度會下降。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,晶粒細化導致燒結過程中晶粒長大程度略有不同，從而導致開孔率變大。

3.3添加石墨烯對粉末冶金TiAl合金組織和性能影響

石墨烯的力學性能優(yōu)異,加入到合金中可以制備綜合力學性能更高的TiAl合金。李文文采用冷壓壓制和真空熱壓燒結技術在TiAl合金粉末中添加了片狀石墨烯，制備了石墨烯/TiAl基合金自潤滑復合材料。研究不同含量的石墨烯對材料的物理性能及力學性能的影響。首先石墨烯與基體界面結合良好,而且其本身強度很高,使材料受到的應力相應的減少，材料制備過程中的化學反應生成了少量的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，最終導致材料內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、硬度和強度呈現先增加后降低的趨勢。當石墨烯的質量分數為0.7%時為最工藝,材料的綜合力學性能最好。同時針對復合材料進行了干摩擦磨損試驗,認為在高溫環(huán)境中，復合材料表面產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

近年來將微波應用在粉末冶金領域中來制備新材料越來越得到各國學者們的廣泛關注。羅銅等利用微波燒結鈦鋁粉末，制備出鈦鋁合金，分析了試樣的顯微結構、密度和硬度，認為物料配比、壓坯壓力、燒結溫度等因素對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;燒結溫度越高,合金的硬度越大，當燒結溫度達到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、設備簡單的新工藝是目前研究的熱點岡。在粉末冶金技術中制備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機械式的增壓,Ti、Al粉末在高溫、壓力下燒結成型。該工藝設備簡單、易于實現，有望得到與利用熱等靜壓技術制備的合金性能相媲美的TiAl合金,而且生產成本較低。

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