TiAl 合金板材的制備及研究現(xiàn)狀

楊 非,孔凡濤,陳玉勇,肖樹龍

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱150001)

TiAl 合金板材的制備及研究現(xiàn)狀

楊 非,孔凡濤,陳玉勇,肖樹龍

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱150001)

本文綜述了鑄錠冶金和粉末冶金方法制備TiA l合金板材的工藝和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,介紹了鑄軋技術(shù)、流延成形以及物理氣相沉積等方法制備TiA l合金板材的工藝過程和材料性能,論述了上述方法的特點和發(fā)展趨勢。

TiA l合金板材;鑄錠冶金;粉末冶金;發(fā)展趨勢

TiA l合金有金屬鍵和共價鍵共存,使之兼有金屬與陶瓷的性能,如高熔點、低密度、高彈性模量、高的高溫強度(700～900℃)、良好的阻燃能力以及優(yōu)異的抗氧化性能和抗蠕變性能等特點,被視為是一種具有廣闊應(yīng)用前景的新型輕質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)材料,主要應(yīng)用于航空航天及汽車等領(lǐng)域,如發(fā)動機用高壓壓縮機葉片、高壓渦輪葉片、低壓渦輪、過渡導(dǎo)管梁、排氣閥、噴嘴等[1-4]。然而,由于TiA l合金的室溫塑性低,成形性差,限制了其廣泛應(yīng)用[5]。為了克服這些不足,近年來世界各國研究者們一直致力于TiA l合金的成分、微觀組織與力學(xué)性能之間的關(guān)系以及加工行為的研究[6-13],促使發(fā)展了多種具有優(yōu)異綜合性能的TiA l基合金材料和不同加工方法。作為超音速飛行器和未來渦輪發(fā)動機的結(jié)構(gòu)部件以及熱防護系統(tǒng)使用的結(jié)構(gòu)材料,TiA l合金板材和箔材的制備是非常必要的[14]。美國NASP(National Aerospace Plan)計劃和歐洲的“Hermes and Sanger”計劃把TiA l合金板材或箔材列為應(yīng)用于600～900℃的高溫航空結(jié)構(gòu)材料。目前,國內(nèi)外多家科研單位開展了對TiA l金屬間化合物板材的制備及性能研究,并取得了豐碩的研究成果。

總體來說,TiA l合金板材的制備方法及技術(shù)包括鑄錠冶金法(Ingot M etallurgy,IM),粉末冶金法(Pow der M etallurgy,PM),EB2PVD技術(shù),流延成形技術(shù)(Tape Casting)等。本文綜述了國內(nèi)外TiA l合金板材的制備技術(shù)及研究現(xiàn)狀,并提出了TiA l合金板材制備方法的發(fā)展趨勢。

1 鑄錠冶金法制備TiAl合金板材

采用鑄錠冶金法制備TiA l合金板材加工路線如圖1所示,先進行熔煉制造出TiA l合金鑄錠,隨后采用熱等靜壓和均勻化退火處理消除鑄錠中的微觀孔洞、疏松和成分偏析等組織缺陷,然后在一定溫度區(qū)間((α+γ)兩相區(qū))和一定應(yīng)變速率(<10-2s-1)條件下,采用一次或多次鍛造來細(xì)化鑄造組織,隨后進行熱處理,為軋制做準(zhǔn)備。通常鍛造的總體變形量達到80%以上。為了防止TiA l合金在鍛造和軋制過程中,鑄錠和鍛餅發(fā)生開裂現(xiàn)象,一般多采用包套鍛造和包套軋制技術(shù),包套材料通常選用不銹鋼。板材的軋制溫度區(qū)間一般選擇在(α+γ)兩相區(qū),軋制時要充分考慮軋制速度和道次變形量兩個工藝參數(shù)。軋制速度太快,道次變形量過大,板材易發(fā)生開裂現(xiàn)象,導(dǎo)致軋制失敗;若軋制速度太慢,溫度散失又太快,從而使得TiA l合金材料的變形抗力提高,板材也容易發(fā)生開裂現(xiàn)象,成功的包套軋制技術(shù)必須滿足以下條件[15,16]:(1)在(α+γ)兩相區(qū)進行近等溫軋制;(2)為了防止TiA l合金材料在軋制過程中發(fā)生宏觀或微觀開裂現(xiàn)象,必須選擇合適的道次變形量和軋制速率;(3)采取措施,防止TiA l合金材料在軋制過程中發(fā)生氧化行為。

圖1 TiAl合金板材加工路線Fig.1 Manufacturing routs of TiA l alloys

德國GKSS研究所與奧地利Plansee AG公司聯(lián)合研究,早在20世紀(jì)90年代就已成功地采用鑄錠冶金法制備了TiA l合金板材,其名義成分為Ti247A l2 2Cr20.2Si和Ti248A l22Cr(原子分?jǐn)?shù)/%)[17],其中Ti2 47A l22Cr20.2Si合金板材經(jīng)過熱處理,得到了四種不同的組織形態(tài)(退火態(tài),近γ,雙態(tài)和全層片),其室溫延伸率可以達到0.8%～1.5%,屈服強度為380～550M Pa,Ti248A l22Cr合金板材的室溫延伸率可達5%。并且這兩種合金板材顯示出較好的超塑性,圖2為Ti247A l22Cr20.2Si合金板材經(jīng)超塑成形后的復(fù)雜部件。近年來,Plansee AG公司發(fā)明了一種先進的TiA l合金板材軋制技術(shù)(Advanced Sheet Rolling Process,ASRP)[14],該技術(shù)能夠利用傳統(tǒng)的熱軋機在(α+γ)兩相區(qū)低速軋制出大尺寸的TiA l合金板材,目前采用該技術(shù)能夠成功軋制出TiA l合金板材的最大尺寸可達1800mm×500mm×1.0mm,常規(guī)條件下能夠軋制出TiA l合金板材的尺寸為800mm×400mm ×1.0mm。美國對TiA l合金板材的包套軋制技術(shù)也進行了大量的研究[18-22],已有報道,美國能軋制的最大TiA l合金板材的尺寸為700mm×400mm,而板材的性能未見詳細(xì)報道。俄羅斯超塑性問題研究所發(fā)明了一種新型的TiA l合金板材的軋制技術(shù)[23],該技術(shù)實現(xiàn)了低溫軋制TiA l合金板材,工藝路線如下:TiA l合金鑄錠經(jīng)熱等靜壓后在(α+γ)兩相區(qū)進行第一步等溫鍛造,隨后在共析溫度(Te)以下進行球化退火,退火后的鍛餅再在Te溫度以下進行第二步鍛造,之后鍛餅在T

圖2 Ti247Al22Cr20.2Si[17]于1000℃條件下在工業(yè)超塑成形機上成形的超塑性部件Fig.2 Ti247Al22Cr20.2Si[17]part formed on an industrial SPF facility at 1000℃

與國外相比,我國采用鑄錠冶金法制備TiA l合金板材的技術(shù)還存在很大的差距,據(jù)文獻報道,中南大學(xué)[24]和北京科技大學(xué)[25]先后采用包套軋制技術(shù)制備了成分為Ti248A l22Cr20.5Mo(原子分?jǐn)?shù)/%)和高鈮TiA l合金板材,其板材厚度分別可達217mm和216mm,而關(guān)于板材的力學(xué)性能和詳細(xì)尺寸未見報道。哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用包套軋制技術(shù)成功制備了一種新型的TiA l合金板材,其名義成分為Ti243A l29V2 0.3Y(原子分?jǐn)?shù)/%)。目前已軋制出的板材尺寸為500mm×300mm。該合金板材室溫強度超過700M Pa,延伸率超過2%,700℃下強度能達到550M Pa,延伸率可達8%。

2 粉末冶金法制備TiAl合金板材

粉末冶金法制備TiA l合金板材主要有元素粉末法和預(yù)合金化粉末法,如圖1所示。具體方法包括冷軋成形+加壓燒結(jié)法[26,27]、元素箔片疊加軋制+反應(yīng)合成法[28,29]、預(yù)合金化粉末熱等靜壓+熱軋法[30]。

2.1 元素粉末法制備TiAl合金板材

元素粉末法制備TiA l合金板材是采用塑性良好的Ti,A l元素粉末和其他合金元素粉末,經(jīng)過混合、壓制、擠壓和軋制等過程成形為混合粉板材,再進行反應(yīng)合成制備TiA l合金板材,或?qū)⒃戏勰┗旌喜⑦M行包套抽氣處理后,直接進行熱軋或熱等靜壓制備TiA l基合金板材。元素Ti,A l可以采用粉末態(tài)、箔片或其他形式。

Ti,A l元素粉末的反應(yīng)合成是一個由擴散控制,包括TiA l3和TiA l2等中間相生成的復(fù)雜過程。由于Ti,A l兩元素之間的擴散系數(shù)相差很大,在無壓燒結(jié)時,會發(fā)生柯肯達爾擴散,形成弗蘭克孔洞,從而產(chǎn)生大幅度的體積膨脹[31]。因此,Ti,A l元素粉末的反應(yīng)合成必須采用熱壓、熱等靜壓、氣壓燒結(jié)等加壓燒結(jié)手段,抑制體積膨脹,消除孔隙,促進Ti,A l元素粉末的致密化行為,從而提高板材的致密度和力學(xué)性能。賀躍輝[27]等人采用低壓燒結(jié)冷軋Ti,A l元素粉末板坯,制備了TiA l合金板材,但其致密度較低,嚴(yán)重影響了板材的力學(xué)性能。

由于Ti,A l粉末在制備過程中容易引入雜質(zhì),加之其表面易于吸附水蒸氣、氧氣等而在表面形成氧化膜,從而造成反應(yīng)合成的材料氧含量高,致密度低。采用由高純Ti,A l箔軋制而成的TiA l合金板材,因其比表面積遠(yuǎn)小于粉末態(tài),因此可顯著降低板材中的氧含量。美國A labama大學(xué)[28]和韓國先進航空材料研究中心[29]分別以Ti箔(70～100μm)和A l箔(70～100μm)為原料采用疊帶軋制法制備了TiA l合金板材,其具體工藝如下:先將所用的Ti箔和A l箔進行交替疊放,一般情況下疊帶層兩端應(yīng)為Ti箔,然后將交替疊放的Ti箔和A l箔進行包套處理,包套材料為不銹鋼,厚度約為1mm,包套后將材料在一定溫度下進行熱處理,促進Ti,A l箔材之間的擴散反應(yīng),使得Ti箔和A l箔進行初步結(jié)合,之后再進行軋制,軋制過程可以在高溫或室溫條件下進行,軋制后的Ti,A l箔材在更高的溫度下進行熱處理,至此完成一個循環(huán)。如此往復(fù),最終獲得TiA l合金板材。軋制和高溫?zé)崽幚淼哪康氖菫榱诉M一步促進Ti箔和A l箔之間的反應(yīng),從而形成TiA l板材。該工藝不僅可制備氧含量低、力學(xué)性能良好的TiA l合金板材,而且可以通過控制軋制Ti箔中的織構(gòu)和擴散反應(yīng)工藝,獲得具有定向?qū)悠Y(jié)構(gòu)的TiA l合金板材,改善材料的抗蠕變性和室溫延性。David等人研究了將疊加的Ti,A l箔通過自蔓延高溫合成制備TiA l基合金板材,制備板材的σUTS可達460M Pa[32]。

2.2 預(yù)合金化粉末制備TiAl合金板材

隨著高質(zhì)量預(yù)合金化粉末制備工藝的完善,采用預(yù)合金化粉末制備TiA l基合金板材引起了人們的興趣。預(yù)合金化粉末法是指采用部分合金化或完全合金化的TiA l合金粉末為原料來制備TiA l基合金板材的工藝[33]。

預(yù)合金化粉末熱等靜壓固結(jié)后再進行熱軋是奧地利Plansee AG公司開發(fā)的ASRP技術(shù)中粉末冶金法制備TiA l合金板材路徑中的一種方法[6]。它是將電極感應(yīng)熔煉氣霧化(Electrode Induction M elting Gas A tom ization,EIGA)或等離子感應(yīng)熔煉氣霧化(Plasma M elting Induction Guiding Gas A tom ization, PIGA)技術(shù)霧化制得的TiA l合金粉末裝入Ti合金包套中,加熱到一定溫度下抽氣,當(dāng)達到預(yù)定的真空度時將包套焊合,之后進行熱等靜壓,實現(xiàn)致密化。試樣去除包套后進行表面處理,之后再在(α+ γ)兩相區(qū)進行軋制。德國GKSS研究所采用該方法制備了γ2TAB(Ti247A l24(Cr,M n,N b,Si,B), γ2M et(Ti246.5A l24(Cr,Nb,Ta,B))(原子分?jǐn)?shù)/%),γ2TNB[30,34]以及Ti245A l25Nb(0,0.5)C (原子分?jǐn)?shù)/%)合金板材[35],這些合金板材具有均勻細(xì)小的組織結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出較高的高溫強度、較小的各向異性以及較好的超塑性能。尤其是Ti2 45A l25Nb2(0,0.5)C(原子分?jǐn)?shù)/%)合金,其室溫強度達1070M Pa,700℃下屈服強度也可達到726M Pa,室溫至500℃下的延伸率在1%左右。

3 其他的TiAl板材制備工藝

3.1 鑄軋技術(shù)制備TiAl合金板材

Matsuo等[36]于1991年首次將鑄軋技術(shù)應(yīng)用于TiA l基合金板材的制備。采用鑄軋技術(shù)制備TiA l基合金板材,需要解決的主要問題是如何細(xì)化鑄軋板材的顯微組織,從而提高TiA l基合金板材的綜合力學(xué)性能。目前,通常采用添加晶粒細(xì)化劑或控制凝固過程來細(xì)化TiA l基合金鑄軋板材的顯微組織。Hana2mu2 ra等[36]研究了在TiA l基合金鑄軋過程中添加TiB2對鑄軋板材顯微組織的影響,發(fā)現(xiàn)未加TiB2時,板材的晶粒尺寸在200μm左右,而加入TiB2時,板材的晶粒尺寸為10μm左右,室溫延性為2.1%,1100℃的σs為200M Pa。

3.2 流延成形制備TiAl合金板材

美國空軍材料研究所采用流延成形方法制備了Ti2 46.6Al22.2Nb21.3Cr20.3Mo20.2B20.3C(原子分?jǐn)?shù)/%)合金板材,其尺寸為50mm×15mm×275μm[37]。制備過程如下:先用TiA l合金粉末與黏結(jié)劑混合制成漿料,再利用特制的澆鑄系統(tǒng)將漿料澆鑄成帶狀,用低碳鋼和純鈦進行包套,試樣和包套材料之間用Ta箔隔開,以防止共晶熔化,然后在一定溫度下去除黏結(jié)劑,將包套焊合后進行熱等靜壓處理,剝套處理后最終獲得TiA l合金板材。采用流延成形的方法可以制備TiA l箔材,其晶粒尺寸比較細(xì)小均勻,從而有望改善其室溫延展性等力學(xué)性能。

3.3 物理氣相沉積制備TiAl合金板材

物理氣相沉積是一種非平衡工藝,其所制備的材料組織結(jié)構(gòu)均勻、細(xì)小,可以獲得細(xì)晶、非晶或者納米晶材料,從而為提高材料的室溫和高溫力學(xué)性能奠定基礎(chǔ)。Senkos等人采用物理氣相沉積方法制備了非晶TiA l基合金板材,并對其結(jié)晶動力學(xué)進行了研究[12,38]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)韓杰才教授等也對物理氣相沉積制備TiA l合金板材進行了研究[39,40]。采用該方法制備的TiA l/Nb復(fù)合層板材尺寸達到150mm× 100mm×0.2mm,研究發(fā)現(xiàn)Nb的存在使得板材在斷裂過程中裂紋發(fā)生了偏轉(zhuǎn),從而增加了裂紋增值的能量,導(dǎo)致韌性斷裂特征的出現(xiàn),說明在TiA l板材中添加Nb層后,板材的塑性得到了提高。

4 結(jié)束語

TiA l合金板材作為未來航空航天發(fā)動機結(jié)構(gòu)部件以及熱防護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的備選材料,已成為國際材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的研究熱點。作為目前TiA l合金板材的主要制備技術(shù),粉末冶金法和鑄錠冶金法具有如下優(yōu)點:(1)粉末冶金法近凈成形性好,能克服TiA l合金冷熱加工變形性差的缺陷,成形范圍廣,適用性強; (2)鑄錠冶金法所得板材致密度高、尺寸大、性能高,且易實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn),有望成為工業(yè)化生產(chǎn)TiA l合金板材的有效途徑。然而,上述TiA l合金板材制備工藝也存在一定的問題:(1)元素粉末法制備工藝容易引入高的雜質(zhì)含量和缺陷密度,難以實現(xiàn)全致密化,從而降低板材的性能;(2)采用預(yù)合金化粉末制備TiA l板材雖然氧含量低,致密度較高,但預(yù)合金化粉末的制備工藝(如EIGA,PIGA技術(shù))造價高,生產(chǎn)成本大,難以實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn);(3)鑄錠冶金法制備的TiA l合金鑄錠組織粗大,且存在縮孔、疏松以及成分偏析等缺陷,需要后續(xù)的熱等靜壓處理及熱機械處理來減少或消除缺陷,細(xì)化粗大的鑄態(tài)組織;(4)流延成形、物理氣相沉積等其他TiA l板材制備技術(shù)目前尚未成熟,還處于起步階段。

綜上所述,作者認(rèn)為未來TiA l合金板材制備技術(shù)研究應(yīng)著重以下方面:(1)加強對TiA l合金鑄錠缺陷的形成機理、控制技術(shù)以及組織均勻化技術(shù)的研究,制備高質(zhì)量的TiA l合金鑄錠;(2)優(yōu)化包套鍛造和包套軋制工藝,進一步提高TiA l合金板材的力學(xué)性能;(3)加強對Ti,A l混合元素粉末合金化機理、組織均勻化機理和燒結(jié)致密化機理的研究,降低預(yù)合金化粉末的制備成本;(4)深化TiA l合金復(fù)合板材制備技術(shù)的研究,克服TiA l合金板材成型困難的缺陷等。

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M anufacture and Present Status of TiA l A lloy Sheet

YANG Fei,KONG Fan2tao,CHEN Yu2yong,XIAO Shu2long
(School of M aterials Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

Two methods and researching status of manufacturing TiA l based alloy sheet,including in2 got metallurgy and pow der metallurgy,w ere briefly review ed.A nd the fabrication p rocesses and ma2 terials p roperties of cast rolling,tape casting and physical vapor deposition were introduced.Mean2 w hile,the p rospects for these techniqueswere also described.

TiA l alloy sheet;ingotmetallurgy;pow der metallurgy;p rospect

TG337.6

A

100124381(2010)0520096205

國家自然科學(xué)基金資助項目(50674037)

2009206222;

2010203212

楊非(1982—),男,博士研究生,從事TiAl合金方面工作的研究,聯(lián)系地址:哈爾濱工業(yè)大學(xué)434信箱(150001),E2mail:fyang0204 @hotmail.com,fyang@hit.edu.cn