粉末冶金TiAl合金課件

粉末冶金γ-TiAl系合金一、γ-TiAl系合金的性能特點(diǎn)二、γ-TiAl系合金的制備工藝三、γ-TiAl系合金的應(yīng)用前景一、γ-TiAl系合金的性能特點(diǎn)γ-TiAl基合金是一種新型輕質(zhì)高溫合金，與傳統(tǒng)鈦合金和鎳基高溫合金相比，它在性能上有明顯優(yōu)勢(shì)

γ-TiAl基合金密度低于鈦合金，比鎳基高溫合金的一半還小。從室溫到高溫，γ-TiAl基合金的比強(qiáng)度與鈦合金相當(dāng)，比模量遠(yuǎn)高于鈦合金及鎳基高溫合金。熱膨脹系數(shù)介于鈦合金與鎳基高溫合金之間。γ-TiAl基合金在800~900℃高溫抗氧化性能遠(yuǎn)高于鈦合金與不銹鋼。1、室溫拉伸性能粉末冶金γ-TiAl系合金的微觀組織形態(tài)有近γ態(tài)組織、雙態(tài)組織和全片層組織。當(dāng)具備細(xì)小晶粒的雙態(tài)組織或全片層組織時(shí)，粉末冶金γ-TiAl系合金才會(huì)表現(xiàn)出較好的綜合性能。

從表中可以看出，具備雙態(tài)組織的γ-TiAl系合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率都優(yōu)于具備全片層組織的γ-TiAl系合金。2、高溫拉伸性能

從圖中可以看出粉末冶金γ-TiAl系合金材料的抗拉強(qiáng)度隨溫度的變化而發(fā)生劇烈變化：800—850℃

，粉末冶金γ-TiAl系合金的強(qiáng)度變化不大；當(dāng)測(cè)試溫度超過850℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度下降明顯，并在1000℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度下降到290MPa左右。粉末冶金γ-TiAl系合金的伸長(zhǎng)率隨著測(cè)試溫度的升高而增加，尤其當(dāng)測(cè)試溫度由800℃升到900“C時(shí)，伸長(zhǎng)率急劇增大，而當(dāng)超過900℃之后，伸長(zhǎng)率變化不大。3、抗氧化性能

經(jīng)適當(dāng)熱處理之后．粉末冶金γ-TiAl系合金表現(xiàn)出了良好的抗氧化性能。在900℃下．粉末冶金γ-TiAl系合金材料的抗氧化性能如圖所示。

從圖中可以看出，粉末冶金γ-TiAl系合金材料在氧化過程中，其氧化速率逐漸降低，從開始的0.41mg/(m2·h)減少到54.1μg/(m2·h)。

經(jīng)分析，在氧化過程中．粉末冶金γ-TiAl系合金材料的表面開始形成了致密的氧化膜，阻礙氧化化的劇烈發(fā)生。隨著氧化時(shí)間的延長(zhǎng)．氧化膜的厚度增加．粉末冶金γ-TiAl系合金的氧化速率也越車越慢，并趨向于一個(gè)恒定值。4、性能缺陷1、室溫延展性較差

主要與γ-TiAl合金的晶體結(jié)構(gòu)和顯微組織有關(guān)：γ-TiAl是一種有序的L10

面心正方結(jié)構(gòu)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)陣阻力（p-N力）大，位錯(cuò)的可動(dòng)性差，從而嚴(yán)重影響了晶體的塑性變形能力。另外，γ-TiAl基合金的鑄態(tài)組織主要由粗大的層片晶團(tuán)組成，晶團(tuán)之間的變形協(xié)調(diào)能力差。這兩方面的原因直接導(dǎo)致了γ-TiAl基合金的室溫脆性。2、冷、熱加工性能差粗大的顯微組織和室溫脆性。

3、鑄態(tài)材料存在嚴(yán)重的疏松、縮孔和成分偏析熔體粘度高，補(bǔ)縮能力不足，且在凝固過程中存在包晶反應(yīng)。鑄造鈦鋁較差的成形性能成為長(zhǎng)期制約該材料實(shí)用化進(jìn)程的關(guān)鍵因素。二、γ-TiAl系合金的制備工藝

γ-TiAl系合金的鑄造性能較差，易產(chǎn)生鑄態(tài)缺陷。粉末冶金方法在消除宏觀成分偏析、疏松、縮孔和近凈成形方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，因而也是制備γ-TiAl基合金的主要方法之一。粉末冶金法避免了對(duì)γ-TiAl基合金的后續(xù)塑性加工或機(jī)械加工。而且，與鑄造γ-TiAl基合金相比，粉末冶金法制備的γ-TiAl基合金組織更均勻，更細(xì)小。粉末冶金制備γ-TiAl基合金的具體方法主要有：機(jī)械合金化、自蔓燃—高溫合成、反應(yīng)燒結(jié)、預(yù)合金粉末法、爆炸合成、等離子噴射成形等。而這些方法并不是獨(dú)立的，常常兩種或多種方法結(jié)合在一起，很難嚴(yán)格區(qū)分。2、自蔓延高溫合成法

自蔓延高溫合成法是利用反應(yīng)物之間高的化學(xué)反應(yīng)熱的自加熱和自傳導(dǎo)作用來合成材料的一種技術(shù)。

Ti與Al之間的劇烈放熱反應(yīng)是在Al熔化以后產(chǎn)生的，Al粉顆粒熔化后，在粉末坯料內(nèi)孔隙形成的毛細(xì)力的作用下，Al熔液迅速擴(kuò)展開，與Ti顆粒接觸并發(fā)生反應(yīng)。由于Ti-Al金屬間化合物的生成熱相對(duì)較低，因而需用SHS技術(shù)的“熱爆”方式來合成?？焖偌訜釙r(shí)，高密度壓坯內(nèi)細(xì)小孔隙產(chǎn)生的較大毛細(xì)作用力將促進(jìn)熔融Al迅速擴(kuò)展開，與Ti粉末顆粒產(chǎn)生反應(yīng)，因而有利于燃燒反應(yīng)的進(jìn)行以及Ti-Al金屬間化合物的合成。自蔓延高溫合成法也可用于制備TiAl基合金粉末，這種合金粉末可用某些特殊粉末冶金成形方法成形。4、預(yù)合金粉末法

預(yù)合金粉末法是以部分合金化或完全合金化TiAl基合金粉末為原料，經(jīng)壓制成形與燒結(jié)而獲得TiAl基合金制件的工藝方法。預(yù)合金粉末可以采用快冷、機(jī)械合金化、或自蔓延高溫合成等方法制備。事實(shí)上，非完全合金化預(yù)合金粉末坯料的燒結(jié)也屬于反應(yīng)燒結(jié)的范疇。

預(yù)合金粉末坯料在燒結(jié)時(shí)，會(huì)發(fā)生晶粒長(zhǎng)大。研究表明，在一定溫度下，晶粒尺寸與燒結(jié)時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系。預(yù)合金粉末經(jīng)注射成形、真空脫脂和真空燒結(jié)可獲得96.5%以上的相對(duì)密度。經(jīng)對(duì)Ti-（45%~55%）Al合金的研究發(fā)現(xiàn)，Al為52%時(shí)合金的抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)350~400MPa，但其維氏硬度卻最低，僅有250MPa。航空航天領(lǐng)域

在航空航天領(lǐng)域，粉末冶金γ-TiAl系合金主要應(yīng)用的部位有艙體、薄壁夾層結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)等部位。根據(jù)粉末冶金γ-TiAl系合金的點(diǎn)．利用熱等靜壓技術(shù)和釬焊技術(shù)成功研制了殼體、薄壁筒形件、錐形網(wǎng)格和舵芯骨架等典型結(jié)構(gòu)。粉末冶金γ-TiAl系合金殼體粉末冶金γ-TiAl系合金薄壁筒體粉末冶金γ-TiAl系合金骨架及薄壁夾層結(jié)構(gòu)

薄壁夾層結(jié)構(gòu)是TiAl系合金在飛行器上應(yīng)用的重要部件之一為了推動(dòng)TiAl系合金的應(yīng)用，利用粉末冶金技術(shù)成功研制TiAl系合金骨架結(jié)構(gòu)，見圖(a)。然后在骨架的表面釬焊上TiAI系合金薄板作為蒙皮，行成TiAI系合金薄壁夾層構(gòu)，見圖(b)。粉末冶金TiAl系臺(tái)金薄壁夾層結(jié)構(gòu)的成功研制使使TiAl系臺(tái)金在飛行器上的應(yīng)用成為可能。先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域

采用輕質(zhì)γ-TiAl合金排氣閥對(duì)改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能具有重要意義，它可以使發(fā)動(dòng)機(jī)能耗節(jié)省5%~8%，轉(zhuǎn)速提高300rpm，并能減輕噪音和環(huán)境污染。各國(guó)工業(yè)界對(duì)此非常重視。日本住友公司、美國(guó)福特公司、通用電器公司和德國(guó)的一些公司都已相繼開發(fā)出相應(yīng)零件。排氣閥屬于長(zhǎng)桿件。采用精密鑄造方法制備該零件時(shí)，由于TiAI熔體流動(dòng)性和充型性差，易在桿部及端部形成縮孔。這些缺陷在后續(xù)熱等靜壓過程可以消除，但會(huì)改變零件形狀，造成彎曲、凹陷等新的缺陷。因此采用鑄造法制備γ-TiAl合金排氣閥的成品率較低，采用粉末冶金方法則不存在這一問題。

γ-TiAl合金排氣閥的粉末冶金制備工藝主要有兩種：冷等靜壓與熱等靜壓相結(jié)合工藝和準(zhǔn)等靜壓工藝。

圖1準(zhǔn)等靜壓工藝制備粉末冶金γ-TiAl合金排氣閥

冷等靜壓與熱等靜壓相結(jié)合的工藝也稱Dynamet工藝，工藝過程包括：冷等靜壓制備冷壓坯；包套，熱等靜壓制備半成品；后續(xù)機(jī)加工。

準(zhǔn)等靜壓工藝也稱Ceracon工藝，是一種采用陶瓷作為傳壓介質(zhì)的高溫致密化工藝，過程如圖1所示。該工藝的最大優(yōu)點(diǎn)在于易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。粉末冶金γ-TiAl基合金排氣閥總結(jié)

γ-TiAl基合金具有密度輕、高溫強(qiáng)度與抗蠕變性能優(yōu)異等特點(diǎn)，作為新型的高溫結(jié)構(gòu)材料，應(yīng)用潛力極大。粉末冶金法制備γ-TiAl基合金，具有成形范圍廣、適用性強(qiáng)等工藝特點(diǎn)。該方法不