（材料学专业论文）tial基合金的制备及高温变形行为研究.pdf

中南大学博士学位论文摘要 摘要 t i a l 基合金的难加工问题一直是制约其大规模应用的主要原因。 本文将三种采用不同工艺制备的t i a l 基合金进行对比研究，通过分 析其高温变形流变曲线、材料常数( 如形变激活能等) ，结合其相应组 织的演化规律等，阐述了影响t i a l 基合金高温流变应力和形变激活 能的因素，提出了提高t i a i 基合金热加工性能的有效途径。研究内 容包括：( 1 ) 采用冷坩埚磁悬浮熔炼方法制备了成分为 t i 4 5 a 1 7 n b 一0 4 w - 0 15 b ( a t ，下同) 的高n b t i a i 基合金铸锭；通过 热模拟试验、o m 、s e m 、t e m 及x 射线衍射等手段，研究了该合 金高温塑性变形过程中的流变应力与应变、应变速率及温度的相关性 以及动态再结晶等形变机制；利用回归分析的方法得出了高温变形的 材料常数；同时试验了其在常规压力加工条件下的热加工工艺，系统 分析了锻态合金在随后的热处理过程中的组织演化机理。( 2 ) 采用预 合金粉末结合准等静压工艺制备了t i 4 6 a 1 2 c r - 2 n b 0 2 w - 0 1 5 b 合 金；探讨了其高温变形行为，得出了其高温形变材料常数；分析并讨 论了其在高温变形过程中的组织演变规律和形变机制；( 3 ) 发明了控 制烧结元素粉末冶金新工艺，并采用此种工艺制备了 t i 4 5 a 1 7 n b 一0 4 w 合金；研究了其反应合成过程及致密化机制；分析 了其高温变形行为及材料常数；最终也探讨了变形过程中的组织演变 规律和形变机制。通过以上研究得到如下结论： 1 ) 铸态t i 一4 5 a 1 7 n b 一0 4 w - 0 1 5 b 合金具有良好的热加工性能，可以 在仑1 0 0 0 和s 1 1 0 j s j 区间内进行压缩变形；该合金属负温度 敏感材料和正应变速率敏感材料，其流变应力曲线的升高、降低 及稳定过程对应了加工硬化和应变软化的交替控制和动态平衡过 程；采用z e n e r h o l l o m o n 参数法计算了合金的热激活能为 q = 3 8 4 k j m o l 一，计算结果与文献接近；回归分析结果表明，该合 金高温流变应力与参数占、t 与q 之间满足用双曲正弦函数形式修 正的a r r h e n i u s 关系；其高温变形机制是以层片晶团的扭折、弯曲、 球化及再结晶等过程为主；晶界块状b 2 相由于其良好的高温塑性 在高温变形中起了积极的作用；变形组织的微结构分析表明，孪 生变形是t i a i 基合金高温变形的重要方式之一。 2 ) 铸造t i 4 5 a 1 7 n b 一0 4 w - 0 1 5 b 合金在常规压力加工条件下运用包 中南大学博士学位论文摘要 套锻造工艺可以进行大变形量热加工。对锻造合金的热处理研究 表明：在仅2 竹两相区热处理时，晶粒随温度升高而逐渐长大，且 在1 2 3 0 左右迅速粗化；残留b 2 相的消除受偏析元素的扩散控 制。试验证明，锻造组织在1 2 3 0 左右热处理可以得到完全消除 b 2 相、晶粒尺寸长大不明显的均匀细晶组织。 3 1 ) 采用准等静压工艺制备了近全致密的 t i 4 6 a 1 2 c r - 2 n b 0 2 w - 0 1 5 b 合金，其微观组织为细小的近丫组织； 此种合金具有较好的热加工性能，在仑1 0 0 0 和占1 1 0 之s 。的条 件下可以保证变形不开裂；与铸造t i 4 5 a 1 7 n b 0 4 w - 0 15 b 合金 相比，本合金表现出了低得多的流变应力和变形激活能，其热激 活能q = 3 1 9 k j m o l ，计算结果与文献报道的细晶近丫或双态组织 的热激活能数据接近；该合金的高温压缩变形主要受晶界的滑移 和晶粒的动态再结晶等机制控制。 4 ) 通过控制烧结元素粉末冶金新工艺制备了较大尺寸的 t i 4 5 a 1 。7 n b 0 4 w 合金，其致密度达到9 8 以上。烧结机制分析 表明：烧结过程中，颗粒破碎重排机制，压力导致的致密化驱动 力的增加等因素促进了合金的致密化；此合金的热加工性能相对 较差，其可加工区间为：眨1 1 0 0 和占5 l 1 0 - 2 s ，变形激活能q = 4 2 0 k j m o l ；变形组织分析表明，其变形机制与具有层片组织的 铸造t i a l 基合金高温变形机制类似。 5 、) t i a l 基合金的高温流变应力及激活能受到合金的制备工艺、组织 状态和成分等因素的影响。晶粒细小的近y t i a l 基合金及双态t i a l 基合金的流变应力及激活能要远低于粗大的层片t i a l 基合金；采 用元素粉末制备的t i a l 基合金中高的氧含量引起的高的层片稳定 性导致了合金较高的流变应力和热激活能；同时，高n b 合金化 也会使合金的流变应力及激活能提高。通过细化原始晶粒尺寸及 提高组织均匀性、合理添加合金元素及严格控制各合金元素含量、 减少锻坯的内部缺陷、合理选择加工工艺等手段可以明显提高 t i a l 基合金的高温变形性能。 关键词：t i a l 基合金，热变形行为，激活能，粉末冶金，致密化 i i 中南大学博士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed i f f i c u l t yi np r o c e s s i n gi st h em a i nf a c t o rr e s t r i c t i n gt h em a s s a p p l i c a t i o no ft i a lb a s e da l l o y s i nt h i ss t u d y , t h r e et i a lb a s e da l l o y s p r e p a r e db yd i f f e r e n tp r o c e s s e sw e r er e s e a r c h e d t h ef a c t o r st h a ta f f e c t t h ef l o ws t r e s sa n dd e f o r m a t i o na c t i v a t i o ne n e r g yw e r er e p r e s e n t e d t h r o u g ha n a l y z i n gt h e d e f o r m a t i o nc u r v e ，m a t e r i a lc o n s t a n t sa n di t s c o r r e s p o n d i n g e v o l u t i o no ft h em i c r o s t r u c t u r e e f f e c t i v e w a y s o f e n h a n c i n gd e f o r m a t i o np r o p e r t yo ft i a lb a s e da l l o y sw e r ep u tf o r w a r d a l s o t h es t u d yi n c l u d e s ：( 1 ) h i g hn b - t i a lb a s e da l l o y i n g o tw i t h n o m i n a lc o m p o s i t i o no ft i 一4 5 a 1 7 n b 一0 4 w - 0 15 b ( a t ) w a sp r e p a r e d b yc o l dc r u c i b l ei n d u c t i o ns u s p e n s i o nm e l t i n g ( i s m ) t e c h n o l o g y b y u s i n gm e t h o d so ft h e r m a ls i m u l a t i o nt e s t ，o m ，s e m ，t e ma n dx r a y d i f f r a c t i o n ，t h er e l a t i o n s h i po ff l o ws t r e s sa n ds t r a i n ，s t r a i nr a t ea n d t e m p e r a t u r ew a sr e s e a r c h e d d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o nb e h a v i o ro ft h e a l l o yi nh i g ht e m p e r a t u r ep l a s t i cd e f o r m a t i o nw a ss t u d i e da sw e l l t h e h i g ht e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o nm a t e r i a lc o n s t a n t sw e r eo b t a i n e dt h r o u g h r e g r e s sa n a l y s i s a l s o ，t h i sr e s e a r c ht e s t e dt h eh e a tf o r m i n gt e c h n o l o g y u n d e rn o r m a l p r e s sw o r k i n gc o n d i t i o na n da n a l y z e dt h e s t r u c t u r a l e v o l u t i o nm e c h a n i s mo ft h ea s f o r g e da l l o yt h r o u g hs u b s e q u e n th e a t t r e a t m e n t ( 2 ) t i 一4 6 a l 一2 c r 2 n b o 2 w 二o 15 b ( a t ) a l l o yw a sp r e p a r e d t h r o u g h c e r a c o n t e c h n o l o g yu s i n g t i a l a l l o yp o w d e r t h eh i g h t e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o nb e h a v i o r , a sw e l la sm i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o n a n dd e f o r m a t i o nm i c r o m e c h a n i s m ，w e r es t u d i e d a n dt h e h i g h t e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o nc o n s t a n t sw e r ew o r k e do u ts i m u l t a n e o u s l y ( 3 ) t i - 4 5 a 1 7 n b 一0 4 w ( a t ) a l l o yw a sp r e p a r e db yc o n t r o l l e ds i n t e r i n g e l e m e n t a lp o w d e rm e t a l l u r g y ( p m ) m e t h o d r e a c t e ds y n t h e s i sa n d d e n s i f i c a t i o nm e c h a n i s m ，a l o n gw i t hh i g ht e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o n b e h a v i o rw e r es t u d i e d ，a n dt h eh i g ht e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o nc o n s t a n t s w e r eo b t a i n e d r e s u l t ss h o w ： 1 ) a s c a s t e dt i 4 5 a 1 7 n b o 4 w 二o 15 b ( a t ) a l l o yh a sf i n eh o t w o r k i n gp r o p e r t i e sw i t h i nt h er a n g eo ft e m p e r a t u r e i 0 0 0 。ca n d s t r a i nr a t es1 10 qs t h i sa l l o yi san e g a t i v et e m p e r a t u r es e n s i t i v e m a t e r i a la n dn o r m a ls t r a i nr a t es e n s i t i v em a t e r i a l r is ea n df a l la n d i l i 中南大学博士学位论文 a b s t r a c t s t a b i l i z a t i o no ff l o w s t r e s sc u r v ea r ec o r r e s p o n d i n gw i t ha l t e r n a t e c o n t r o l l i n g a n dd y n a m i cb a l a n c i n gi nw o r kh a r d e n i n ga n ds t r a i n s o f t e n i n gp r o c e s s z e n e 卜h o l l o m o np a r a m e t d cm e t h o di s u s e dt o c a l c u l a t e t h et h e r m a la c t i v a t i o ne n e r g y ( q = 38 4 k j m o l 叫) ，a n dt h e r e s u l ti sc l o s et ot h er e f e r e n c e s r e g r e s sa n a l y s i ss h o w st h a tr e l a t i o n a m o n gh i g ht e m p e r a t u r ef l o ws t r e s s a n ds t r a i nr a t e ，d e f o r m a t i o n t e m p e r a t u r em e e t st h ea r r h e n i u sr e l a t i o nc o r r e c t e db yh y p e r b o l i cs i n e f u n c t i o n h i g ht e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h i sa l l o y m a i n l y r e f e r st ot h e k i n k i n g ，b e n d i n g ，s p h e r o i d i z a t i o n a n d r e c r y s t a l l i z a t i o no ft h el a m e l l a rg r a i n s t h ee x i s t e n c eo fb 2p h a s e p l a y sap o s i t i v er o l ei nh i g ht e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o n m i c r o s t r u c t u r e a n a l y s i si n d i c a t e s t h a tt w i n n i n gd e f o r m a t i o ni sa ni m p o r t a n th i g h t e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft i a lb a s e da l l o y s b yu s i n gc a n n e df o r g i n gt e c h n o l o g y , t i 一4 5 a 1 7 n b 一0 4 w - 0 15 b ( a t ) a l l o y c a nb ep r e f o r m e ds e v e r ed e f o r m a t i o n ( a b o u t8 0 ) u n d e r c o n v e n t i o n a lp r e s s - w o r k i n gc o n d i t i o n r e s e a r c ho ns u b s e q u e n th e a t t r e a t m e n ti n d i c a t e st h a ta sb e i n gh e a tt r e a t e di nt w o p h a s er e g i o n ， g r a i n sg r e wu pg r a d u a l l ya n d c o a r s er a p i d l ya st e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g f r o ma b o u t12 30 r e m o v a lo fr e m a i n e db 2p h a s ei sc o n t r o l l e db y d i f f u s i o nr a t eo ft h es e g r e g a t e de l e m e n t s e x p e r i m e n tp r o v e st h a tf i n e a n dh o m o g e n e o u sm i c r o s t r u c t u r ew i t h o u tb 2p h a s ec a nb eo b t a i n e d a sh e a tt r e a t e da t1 2 3 0 f o r4h o u r s p mt i 4 6 a 1 2 c r - 2 n b 一0 2 w - o 15 b ( a t ) a l l o yw a sp r e p a r e db y c e r a c o nt e c h n o l o g y ；t h i sa l l o yi sc l o s et of u nd e n s ew i t haf i n en e a r 丫 m i c r o s t r u c t u r e t h i sa l l o yh a sb e t t e rh o tw o r k i n ga b i l i t y , w h i c h e n s u r e sd e f o r m a t i o nw i t h o u tc r a c ka tt e m p e r a t u r e 10 5 0 a n ds t r a i n r a t esl lo 2 s 一c o m p a r e dw i t ha s c a s tt i 一4 5 a l - 7 n b - 0 4 w - 0 15 b ( a t ) a l l o y , p mt i 一4 6 a 1 - 2 c r - 2 n b 一0 2 w - 0 15 b ( a t ) a l l o yp r o p o s e s m u c hl o w e rf l o ws t r e s sa n dd e f o r m a t i o na c t i v a t i o ne n e r g y , a n di t s t h e r m a la c t i v a t i o ne n e r g y ( q = 319 1 ( j m o l “) i sc l o s et ot i a lb a s e d a l l o yw i t hf i n en e a ryo rd u p l e xs t r u c t u r ei nr e f e r e n c e s t h i sa l l o y s h i g ht e m p e r a t u r ec o m p r e s s i n gd e f o r m a t i o ni sm a i n l yc o n t r o l l e db y g r a i nb o u n d a r ys l i d i n ga n dd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ，e t c al a r g eb i l l e tw i t hn o m i n a lc o m p o s i t i o no ft i 4 5 a 1 7 n b - 0 4 w ( a t ) i v 、-、 2 3 4 i sp r e p a r e db yc o n t r o l l e ds i n t e r i n ge l e m e n t a lp mm e t h o d ，a n dt h e d e n s i t yi so v e r9 8 d u r i n gc o n t r o l l e ds i n t e r i n g ，r e a r r a n g e m e n to f b r o k e np a r t i c l e sa n di n c r e a s i n go fd e n s i f i c a t i o nd r i v i n gf o r c ec a u s e d b yp r e s s u r ea c c e l e r a t et h ea l l o y sd e n s i f i c a t i o n t i 一4 5 a 1 - 7 n b 一0 4 w ( a t ) a l l o yh a sr e l a t i v e l yw o r s e h o tw o r k i n ga b i l i t ya n dn a r r o w e r p r o c e s s i n gr a n g e ( t 1 1 0 0 a n dg 冬1 1 0 呓s ) i t s d e f o r m a t i o n a c t i v a t i o n e n e r g y i s q = 4 2 0 k j m o l 一a n a l y s i s o fd e f o r m e d m i c r o s t r u c t u r es h o w st h a th i g ht e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s m o ft i 4 5 a 1 7 n b 一0 4 w ( a t ) a l l o yi ss i m i l a rt ot h a to fl a m e l l a r s t r u c t u r ei nc a s ta l l o y 5 ) h i g l lt e m p e r a t u r ef l o ws t r e s sa n da c t i v a t i o ne n e r g yo ft i a lb a s e d a l l o y a r ea f f e c t e d b yp r e p a r a t i o nm e t h o d ，m i c r o s t r u c t u r e a n d c o m p o s i t i o n e t c c o m p a r e dw i t h t i a lb a s e da l l o y sw i t hc o a r s e l a m e l l a rm i c r o s t r u c t u r ew h i c hp r e p a r e db yc a s t i n gp r o c e s sa n de p m m e t h o d ，t h eh i g ht e m p e r a t u r ef l o ws t r e s sa n da c t i v a t i o ne n e r g yo f t h e a l l o yp r e p a r e du s i n ga l l o yp o w d e ri sm u c hl o w e r b e c a u s eo fi t sf i n e m i c r o s t r u c t u r e h i g ho x y g e nc o n t e n to f t i a lb a s e da l l o yp r e p a r e db y e l e m e n t a lp o w d e rc a u s e sh i g hs t a b i l i t yo fl a m e l i a ，w h i c hc a nl e a d st o a l l o y sh i g hf l o ws t r e s sa n dt h e r m a la c t i v a t i o ne n e r g y ；a l s o ，a d d i t i o n o fn be l e m e n ti n c r e a s e st h ef l o ws t r e s sa n dt h e r m a la c t i v a t i o ne n e r g y ； m e t h o d s l i k e r e f i n i n go r i g i n a lg r a i n s i z ea n d i m p r o v i n g m i c r o s t r u c t u r eu n if o r m i t y , a d d i n ga p p r o p r i a t ea l l o y e l e m e n t sa n d s t r i c t l yc o n t r o l l i n g e l e m e n t s c o n t e n t ，r e d u c i n go r i g i n a l m a t e r i a l i n t e r n a ld e f e c te t c ，c a nl a r g e l ye n h a n c e t h e h i g ht e m p e r a t u r e d e f o r m a t i o np r o p e r t i e s k e yw o r d s ：t i a lb a s e da l l o y , t h e r m a ld e f o r m a t i o nb e h a v i o r , a c t i v a t i o n e n e r g y , p o w d e rm e t a l l u r g y , d e n s l t i c a t i o n 一一 一 v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其它单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期：2 0 0 8 年鱼月整日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：导师签名重鱼耋日期：2 0 0 8鱼月翌日 中南大学博士学位论文 第一章文献综述 1 1 引言 第一章文献综述 高温结构材料的研究、发展和应用是与航空、航天工业的发展息息相关的， 也是2 l 世纪航空航天推进系统实现革命性变革和发展的关键因素。对于航空发 动机而言，发动机的温度和空气压缩比与燃料消耗速率和发动机的推力直接相 关，提高工作温度和减轻发动机部件的重量是改善现有发动机的性能、研究高推 重比新型发动机的两项主要措施。因此，航空和航天器发动机的选料应具备“更 轻，更刚、更强和更耐热”四种特性。近二十年来，具有低密度、高熔点，较高 弹性模量，有一定塑性的结构会属间化合物材料得到了广泛关注【1 4 】，成为提供 这些特性的最佳候选材料之一。欧、美、日等发达国家及我国都先后分别设立了 金属间化合物研究项目，大力开展了金属间化合物的研究，如美国的n a s p 及 i h p e t 航天计划、t u r b o j e t r a m j e t s c r a m j e t 新型发动机组工程、中国的“8 6 3 ”高 技术新材料领域的金属间化合物研究等。近年来国内外重点研究并取得重大进展 的金属间化合物主要有：n i a l 、t i a l 、f e a l 三个体系的a 3 b 和a b 型化合物 和具有复杂结构和更高熔点的新体系金属间化合物如n b a 1 、b e n b 和m o s i 等 体系【5 ，6 】。在接近端际固溶体的a 3 b 化合物中，n i 3 a l 、t i 3 a l 和f e 3 a 1 基合金研究 已经较成熟。相对于n i 基合金，n i 3 a l 基合金研究比强度优势不大，但其具有良 好的抗氧化、渗碳及耐磨等性能，使其在民用工业有较大的应用前景。与t i 基 合金相比，仅有通过高n b 合金化后的t i 3 a l 基合金有一定的优势。f e 3 a l 基合金 正力求在耐腐蚀、抗氧化领域应用。t i a l 3 基合金的研究因脆性问题难以解决已 趋于停止。能在更高温度使用的高熔点金属间化合物材料，如m 0 5 s i 3 、m o s i 2 和 l a v e s 相等，其晶体结构和变形机制复杂，脆性问题更不易解决，一直没有太大 的研究进展。在a b 化合物中温区，f e a l 合金由于常温时的低塑性和低的断裂 抗力以及高于6 0 0 后低的高温强度和蠕变强度，尤其是其环境脆化，影响着它 的应用；n i a i 合金同样面临着脆性无法解决的问题，但其各项性能对比t i a l 没 有任何优势，且比重相对较大，故其研究高峰已基本过去。 t i a i 基合金由于其具有独特的富有吸引力的综合性能，即低密度、高强度、 高熔点和优良的抗蠕变【7 ，8 1 、抗氧化性能【9 ，1 0 1 及耐高温性能【1 1 彤】，在用于高温航 空结构材料方而得到了广泛的关注。t i a l 基合金与钛合金、t i 3 a l 和镍基高温合 金的性能比较如图1 1 【1 4 】所示。由图1 1 可见，t i a l 基合金具有很好的比刚度， 中南大学博士学位论文 第一章文献综述 即具有高的弹性模量与密度比，其比刚度比其它常用结构材料高出约5 0 。高模 量的重要之处在于发动机的许多静态零件的设计准则是尽量减少它们在工作温 度下承载时的弹性挠度。这些零件的设计应力很低，它们中许多并不处于断裂的 危险部位，决定性的设计指标是这些零件在工作环境中是否具有足够的刚度以保 持它们的形状。常规钛合金由于刚度不足，在多数情况下不能胜任，工业用钛合 金在温度上升至5 4 0 时，模量迅速下降到约7 0 g p a ，而t i a l 基合金在1 0 0 0 时的模量比钛合金的室温模量还高【1 5 】。高温条件下，t i a i 基合金的屈服强度远 远高于钛合金，温度高于5 4 0 时它的比强度甚至高于n i c o n e l 7 1 8 合金，与r 2 2 0 c 合金接近【1 6 】。此外，t i a l 基合金的导热系数甜1 7 1 ，是镍基合金的两倍，可通过 外部冷却方法而进一步提高使用温度。而且，这种合金的热膨胀率较低，其热膨 了一 羹 o ( b ) 弘t i t a n i u m 歉啤1 i ! ! 爨 k 蕊 警豢只僦 3 【j ui j i u1 ( j 0z o u i j t e m p e 憎m 怕( k ) 图1 1t i a i 基合金与其他常用高温结构合金的性能比较 ( a ) 比模量( b ) 比强度 f i g 1 - ls p e c i f i cp r o p e r t i e sf o rs t r u c t u r a la l l o y sa n ds e l e c t e di n t e r m e t a l l i c s ：( a ) s p e c i f i cm o d u l u s v e r s u st e m p e r a t u r e ，( b ) s p e c i f i cs t r e n g t hv e r s u st e m p e r a t u r e 2 中南大学博士学位论文第一章文献综述 胀系数随温度的变化趋势与些典型结构材料接近，从而可选用不同的材料与 t i a l 基合金相匹配，更方便地设计、制造所需要的高性能部件。低密度、低膨胀 率和高热导率是燃气涡轮对服役部件的基本物理性能要求【l 引，在转动部件的设计 中，若密度增加l o ，涡轮盘寿命将缩短三分之一，而低膨胀率和高热导率可以 减小服役部件的热应力和热疲劳破坏倾向。 t i a l 基合金由于具备了上述优异性能，故被公认是最有希望的金属间化合物 材料，具备有在下个十年推动结构材料变革的潜力。目前t i a l 基合金已经开始作 为轻型高温结构材料使用，大有取代n i 基高温合金的趋势。 1 2t i a i 基合金的发展和应用状况 1 2 1 研究背景 二十世纪五十年代，有关于t i a l 基合金性能的报道己相继出现，然而由于单 相y t i a l 基合金存在严重的室温脆性，在后来相当长的时间内，这种合金没有引 起材料研究者们的广泛重视。直n - 十世纪七十年代中期，材料科学家们才开始 关注这种合金。最早提出t i a l 基合金发展项目的是美国p & w 实验室【1 9 】，这个项 目通过对几种成分合金的延性和抗蠕变性能的评价，确定了第一代t i a l 基合金的 最佳成分为：t i 4 8 a 1 1 v o ( 0 1 c ) ( a t ) ，该合金的基体相为丫t i a l ，含有少量第 二相t 1 2 ，它的室温伸长率达到了1 5 。8 0 年代末，美国g e 公司s c h u a n g 博士 开发出第二代t i a i 基合金t i 一4 8 a 1 2 c r - 2 n b t 2 0 】，引起人们对t i a l 基合金广泛的研究 兴趣。近年来，随着对y t i a l 基合金基本原理、工艺、组织和性能等方面的研究 都有了很大的进展，又开发出第三代t i a i 基合金。前三代具有代表性的丫t i a i 基 合金如表1 1 所示【2 1 1 。目前，t i a l 基合金的发展己经进入了关键阶段，合金成分 多种多样，但它们的共性都是兼顾了合金的综合性能，为即将到来的实用化提供 有力的性能支持。 近年来，国内外t i a l 基合金的研究出现了三种趋势：一、研究发展熔点更高， 可以在9 0 0 左右工作的新型t i a i 基金属间化合物。主要以高熔点金属n b 、w 、 m o 、t a 与t i a l 形成的多元化合物以及结构更复杂的含a i 、s i 多元化合物【2 2 乃】。二、 发展以t i a l 基合金为基的复合材料。开发用s i c 、a 1 2 0 3 、t i b 2 纤维和t i b 2 、t i c 、 t i 2 a i c 、n b c 等质点作为增强剂强化t i a i 基复合材料和一系列新工艺【摊26 。三、 通过控制显微组织来提高t i a l 基合金性能。研究者一直希望通过改变化合物的化 学成分来提高t i a l 基合金的性能，但是，过去几年的研究发展表明，t i a i 基合金 的性能主要受微观结构控制，该控制甚至超过了外来缺陷【2 7 , 2 8 】，因此显微组织 中南大学博士学位论文第一章文献综述 表1 1 丫t i a l 基合金的发展历程【2 l 】 t a b l e 1 - 1c l a s s i f i c a t i o n so fg a m m at i a ia l l o y s 的控制是提高t i a l 基合金性能的方向之一。采用先进的加工工艺，如粉末冶金、 机械合金化、定向凝固、热机械处理等，可使其室温性能有较大改善。近年来的 基础研究工作也加深入对其塑化、韧化机制的研究，为设法改善其性能奠定了基 础。 在t i a l 基合会的第一种研究趋势中，对t i a l 化合物合金化加入高含量的高 熔点过渡族元素如n b 、z r 、h f 和t a ，成为该趋势的主流【2 9 , 3 0 】。在近期内发展起 来的高n b t i a l 基合金在高温强度及抗氧化性方面已取得了很大进展。该体系化 合物保持了t i a l 基合金晶体结构简单、比重低和易于通过组织控制改善性能的 优点，同时高熔点组元n b 提高了合金的熔点和有序温度，从而使合金的使用温 度达到9 0 0 以上。该体系合金显示出来的潜力具有代替n i 基合金的趋势，已 成为t i a l 基合金研究的重要方向【3 。最近， k i myw 博士在第二届国际金属 间化合物会议上指出，目前高n b t i a l 基合金是t i 灿基合金中最先进最具有发 展潜力的合金。因而，在此基础上的合金设计，进一步优选合金、采用先进工艺 及进一步组织改进对第三代t i a i 基合金的进展有很大的推动作用。 4 中南大学博士学位论文 第一章文献综述 1 2 2t i a i 基合金应用 针对t i a l 基合金的性能特点，t i a l 基合金至少在以下三方面具有广阔的应用 前景：( 1 ) t i a j 基合金高的弹性模量使它适于制备航空发动机要求低间隙的结构 件，如机匣、支撑架和鼓筒等；优于传统结构材料5 0 的比模量可将声学原因造 成的震动移向较高的频率，适于制作发动机叶片和喷管中的相关部件；( 2 ) 低的 密度和在6 0 0 9 0 0 具有较好的抗蠕变性能，t i a l 基合金可以代替高温合金，制 备相应的结构件；( 3 ) t i a l 基合金具有优异的阻燃性能( 接近高温合金) ，可以 替代比重大和昂贵的阻燃钛合金。为此，在t i a l 基合金的应用研究方面，美、欧 等国做了大量的研究工作【3 2 3 4 1 。 1 9 9 3 年，全套共9 8 片成分为t i 一4 8 a 1 2 c r - 2 n b ( a t ) 的t i a l 基合金低压涡轮叶 片在通用电器公司( g e ) 的c f 6 8 0 c z 型低压涡轮发动机第五级转子系统中通过 了两次共1 5 0 0 转的模拟飞行测试，试验取得完全成功，这次测试被称为t i a l 基合 金研究的一个里程碑【3 ”。1 9 9 6 年又有n a s a 的“a 1 盯p ”计划，作g e 9 0 发动机5 级 和6 级低压气机叶片，研究工作包括叶片设计，近终形叶片制备工艺研发和实际 考核。取代原来的r e n e 7 7 叶片，降低重量8 0 k g ，在压气机叶片台架试车取得良好 的结果。同时，t i a l 基合金作为机匣、涡轮盘、支撑架、导粱等应用试验也逐步 展开【3 6 枷】。 与汽车上常用的高温结构材料比较，t i a i 基合金室温和高温比强度及高温高 周疲劳寿命优于汽车上常用的奥氏体耐热钢和锻造镍基合金，而蠕变强度与铸造 镍基合金相当，其热周疲劳寿命优于3 0 4 奥氏体不锈钢。因此，t i a l 基合金对于 汽车工业具有极大的吸引力。目前g e n e r a l 公司、v o l v o 、f o r d 汽车公司及同本 的n i s s a n 汽车公司均己成功地进行了t i a l 基合金汽车发动机阀门的试车运行。 使用t i a l 基合金制作汽车发动机的进排气阀门，可以减轻阀门的重量，降低阀 门动作惯性，从而提高发动机性能。还可以减少废气排放，减少磨擦和降低嗓音， 节省燃料达8 左右，具有巨大的社会经济效益。目f j i f ，已经提出了多种生产进 排气阀门的制备工艺，其中一种是采用粉末冶金方法，即将合金元素粉末混合 后经过几次挤压近净成型，烧结加后续处理后制成阀门初坯，此时的阀门再经过 热处理，调整材料组织达到最佳综合力学性能，经精抛光后制作成成品阀门。近 来开发出了金属永模浇注( p e r m a n e n tm o l dc a s t ) + 压力铸造的新工艺用来生产 t i a i 基合金汽车发动机阀门，其工艺步骤为：制锭、冷坩埚熔炼、浇注、加压处 理和脱模。比较两种工艺路线，后者因为省去几道挤压工序、后续锻造工艺及成 品前的热处理工艺，工艺流程较短，应用较广泛。t i a l 基合金在汽车上的另一应 用是制作涡轮增压的涡轮机转子。质量轻的转子减少了增压滞后现象的发生，有 5 中南大学博士学位论文 第一章文献综述 利用汽车发动机加速器的反