粉末冶金TiAl合金.ppt

1、粉末冶金-TiAl系合金,一、-TiAl系合金的性能特点 二、-TiAl系合金的制备工艺 三、-TiAl系合金的应用前景,一、-TiAl系合金的性能特点,-TiAl基合金是一种新型轻质高温合金，与传统钛合金和镍基高温合金相比， 它在性能上有明显优势,-TiAl基合金密度低于钛合金， 比镍基高温合金的一半还小。 从室温到高温， -TiAl基合金的比强度与钛合金相当， 比模量远高于钛合金及镍基高温合金。 热膨胀系数介于钛合金与镍基高温合金之间。 -TiAl基合金在 800 900高温抗氧化性能远高于钛合金与不锈钢。,1、室温拉伸性能,粉末冶金-TiAl系合金的微观组织形态有近态组织、双态组织和全片

2、层组织。 当具备细小晶粒的双态组织或全片层组织时，粉末冶金-TiAl系合金才会表现出较好的综合性能。,从表中可以看出，具备双态组织的-TiAl系合金的抗拉强度和伸长率都优于具备全片层组织的-TiAl系合金。,两种不同组织状态的粉末冶金-TiAl系合金材料的金相组织如图。 双态组织其晶粒比较细小。细小的晶粒可缩短滑移带长度，减少滑移面位错运动长度和位错堆积，降低了滑移面交接处和晶界的应力集中，阻止裂纹的产生。此外， 等轴晶组织和片层组织之间的界面可以阻碍裂纹的扩展。 囚此，细小的双态组织表现出了较高的抗拉强度和较好的伸长率。,2、高温拉伸性能,从图中可以看出粉末冶金-TiAl系合金材料的抗拉强度

3、随温度的变化而发生剧烈变化：800850 ，粉末冶金-TiAl系合金的强度变化不大；当测试温度超过850 时，抗拉强度下降明显，并在1000 时，抗拉强度下降到290 MPa 左右。 粉末冶金-TiAl系合金的伸长率随着测试温度的升高而增加，尤其当测试温度由800 升到900“C时，伸长率急剧增大，而当超过900之后，伸长率变化不大。,3、抗氧化性能,经适当热处理之后粉末冶金-TiAl系合金表现出了良好的抗氧化性能。在900下粉末冶金-TiAl系合金材料的抗氧化性能如图所示。,从图中可以看出，粉末冶金 -TiAl系合金材料在氧化过程中， 其氧化速率逐渐降低，从开始的 0. 41mg/(m2h)

4、减少到54.1g /(m2h)。 经分析，在氧化过程中粉末冶金 -TiAl系合金材料的表面开始形成了致密的氧化膜，阻碍氧化化的剧烈发生。随着氧化时间的延长氧化膜的厚度增加粉末冶金-TiAl系合金的氧化速率也越车越慢，并趋向于一个恒定值。,4、性能缺陷,1、 室温延展性较差 主要与 -TiAl合金的晶体结构和显微组织有关： -TiAl是一种有序的 L10 面心正方结构，位错运动的点阵阻力 （p-N 力）大，位错的可动性差， 从而严重影响了晶体的塑性变形能力。 另外，-TiAl基合金的铸态组织主要由粗大的层片晶团组成， 晶团之间的变形协调能力差。 这两方面的原因直接导致了 -TiAl基合金的室温脆

5、性。,2、冷、 热加工性能差 粗大的显微组织和室温脆性。 3、铸态材料存在严重的疏松、缩孔和成分偏析 熔体粘度高， 补缩能力不足，且在凝固过程中存在包晶反应。 铸造钛铝较差的成形性能成为长期制约该材料实用化进程的关键因素。,二、-TiAl系合金的制备工艺,-TiAl系合金的铸造性能较差，易产生铸态缺陷。粉末冶金方法在消除宏观成分偏析、 疏松、缩孔和近净成形方面具有明显优势， 因而也是制备 -TiAl基合金的主要方法之一。 粉末冶金法避免了对-TiAl基合金的后续塑性加工或机械加工。而且，与铸造-TiAl基合金相比， 粉末冶金法制备的-TiAl基合金组织更均匀， 更细小。 粉末冶金制备-TiAl

6、基合金的具体方法主要有：机械合金化、 自蔓燃高温合成、 反应烧结、 预合金粉末法、 爆炸合成、 等离子喷射成形等。而这些方法并不是独立的， 常常两种或多种方法结合在一起， 很难严格区分。,1、机械合金化,机械合金化是一种合成细晶合金粉末材料的有效方法， 该方法在制备TiAl基合金方面有许多独特的优点。 如：含Al45%60%（粒子数分数）的TiAl基合金采用快冷方法无法获得非晶，而采用机械合金化则可以形成非晶。 利用机械合金化制得的非晶态TiAl基合金粉末， 在其玻璃点温度上压实时，粉末的流动性非常好，可以得到形状复杂、致密度近理想状态的合金试件 。 机械合金化工艺采用的原料既可是单质元素粉末

7、，也可是预合金粉。 Ti、Al单质混合粉经机械合金化， 很容易使Ti、Al组元尺寸细化、形成一种颗粒细小的Ti/Al复合粉；进一步延长球磨时间， 则发生合金化或形成非晶。TiAl预合金粉经机械合金化，其晶粒尺寸能显著细化。 两种经机械合金化方法处理的粉末，其烧结行为有些差异，但均可烧结成致密度大于96%的TiAl基合金材料 。,2、自蔓延高温合成法,自蔓延高温合成法是利用反应物之间高的化学反应热的自加热和自传导作用来合成材料的一种技术。 Ti与Al之间的剧烈放热反应是在Al熔化以后产生的，Al粉颗粒熔化后，在粉末坯料内孔隙形成的毛细力的作用下，Al熔液迅速扩展开，与Ti颗粒接触并发生反应。 由

8、于Ti-Al金属间化合物的生成热相对较低， 因而需用SHS技术的 “热爆”方式来合成。快速加热时，高密度压坯内细小孔隙产生的较大毛细作用力将促进熔融Al迅速扩展开，与Ti粉末颗粒产生反应， 因而有利于燃烧反应的进行以及Ti-Al金属间化合物的合成 。 自蔓延高温合成法也可用于制备TiAl基合金粉末， 这种合金粉末可用某些特殊粉末冶金成形方法成形。,3、反应烧结法,反应烧结法的一般过程是，先进行单质混合粉末的固结和成形加工，然后再进行烧结，将 （Ti+Al）机械混合物组织转变为TiAl基合金组织。反应烧结获得的TiAl基合金制件通常还需进行热等静压加工，以消除残留的孔洞 。该方法与自蔓延高温合成

9、法相比，易于通过改变工艺参数来控制反应过程及最终获得的材料组织。 反应过程的三个步骤：,4、预合金粉末法,预合金粉末法是以部分合金化或完全合金化TiAl基合金粉末为原料，经压制成形与烧结而获得TiAl基合金制件的工艺方法。预合金粉末可以采用快冷、机械合金化、或自蔓延高温合成等方法制备。事实上，非完全合金化预合金粉末坯料的烧结也属于反应烧结的范畴。 预合金粉末坯料在烧结时，会发生晶粒长大。研究表明，在一定温度下，晶粒尺寸与烧结时间呈指数关系。 预合金粉末经注射成形、真空脱脂和真空烧结可获得96.5%以上的相对密度。经对Ti-（45%55%）Al合金的研究发现，Al为52%时合金的抗拉强度最高可达

10、350400MPa，但其维氏硬度却最低， 仅有250MPa。,三、-TiAl系合金的应用前景,性能上的优势使-TiAl基合金在航空航天和先进发动机领域广泛应用。 由于-TiAl的比刚度比发动机中常用材料高 50%，而且低的热膨胀系数使其具有良好的抗热疲劳性能，因此它可用来制作框架、密封支撑、机匣、隔板、涡轮叶片以及喷口区域零件。 -TiAl在 600 750温区内有良好的抗蠕变性能，可部分替代高密度镍基合金。 良好的燃烧性使-TiAl基合金有可能替代密度较大、价格昂贵的钛基阻燃合金。 欧洲国家已将 -TiAl合金研究纳入未来欧洲航空运输研究计划 （FESTIP），着重研究其在高速民用运输机（H

11、SCT）以及可反复使用的单级入轨（SSTO）太空船（RLV）的热结构及热保护性系统中的应用。目前-TiAl合金已成功地应用于高性能汽车发动机排气阀和航空发动机低压涡轮叶片。,航空航天领域,在航空航天领域，粉末冶金-TiAl系合金主要应用的部位有舱体、薄壁夹层结构和发动机等部位。根据粉末冶金-TiAl系合金的点利用热等静压技术和钎焊技术成功研制了壳体、薄壁筒形件、锥形网格和舵芯骨架等典型结构。,粉末冶金-TiAl系合金壳体,粉末冶金-TiAl系合金薄壁筒体,粉末冶金-TiAl系合金骨架及薄壁夹层结构,薄壁夹层结构是TiAl系合金在飞行器上应用的重要部件之一为了推动TiAl系合金的应用，利用粉末冶

12、金技术成功研制TiAl系合金骨架结构，见图(a)。然后在骨架的表面钎焊上TiAI系合金薄板作为蒙皮，行成TiAI系合金薄壁夹层构，见图(b)。粉末冶金TiAl系台金薄壁夹层结构的成功研制使使TiAl系台金在飞行器上的应用成为可能。,先进发动机领域,采用轻质-TiAl合金排气阀对改善发动机的性能具有重要意义，它可以使发动机能耗节省5% 8%，转速提高 300rpm，并能减轻噪音和环境污染。 各国工业界对此非常重视。日本住友公司、美国福特公司 、通用电器公司和德国的一些公司都已相继开发出相应零件。 排气阀属于长杆件。采用精密铸造方法制备该零件时，由于TiAI熔体流动性和充型性差，易在杆部及端部形成

13、缩孔。这些缺陷在后续热等静压过程可以消除，但会改变零件形状，造成弯曲、凹陷等新的缺陷。因此采用铸造法制备-TiAl合金排气阀的成品率较低，采用粉末冶金方法则不存在这一问题。,-TiAl合金排气阀的粉末冶金制备工艺主要有两种： 冷等静压与热等静压相结合工艺和准等静压工艺。,图1 准等静压工艺制备粉末冶金-TiAl合金排气阀,冷等静压与热等静压相结合的工艺也称 Dynamet 工艺，工艺过程包括： 冷等静压制备冷压坯；包套，热等静压制备半成品；后续机加工。 准等静压工艺也称 Ceracon 工艺 ， 是一种采用陶瓷作为传压介质的高温致密化工艺， 过程如图1所示。该工艺的最大优点在于易于实现连续生产。,粉末冶金-TiAl基合金排气阀,总结,-TiAl基合金具有密度轻、高温强度与抗蠕变性能优异等特点，作为新型的高温结构材料，应用潜