高溫合金講義第十一章

高溫合金講義第十一章第一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六

Ti2Al相研究較少，而且它周圍相區(qū)的情況還不十分確定。

TiAl3相具有DO22超點陣結構，可看作是L12超點陣的派生結構，即在L12超點陣結構的(001)面引入位移矢量為1/2<110>的反相疇界獲得。TiAl3的點陣常數(shù)a=0.3848nm，c=0.8596，c/a=2.23。*熔點較低，1340℃*密度低，3.4g/cm3*抗氧化性能好，Al含量為75％，是Ti-Al系中唯一能在空氣中生成Al2O3氧化膜的金屬間化合物。*比強度，比模量高TiAl3TiAlTi3AlTiAlE/0.630.470.280.270.26*作為新型高溫輕質材料一直受到關注缺點：室溫下很脆第二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六改善塑性的努力

微合金化：用微合金化來促進DO22結構TiAl3的{111}<112]孿生或(001)<110]滑移，從而改善塑性，但未獲成功。宏合金化：加入第三元素，改變四方的DO22結構，使其成為L12，從立方晶體所具有的獨立滑移系數(shù)目來看，對TiAl3變形性能的改善是十分有利的。事實上，TiAl3中加入第四周期中從Cr到Zn以及某些第五、第六周期元素，都能實現(xiàn)結構轉變，在室溫下都有相當程度的壓縮塑性。盡管國內外進行了十多年努力，立方結構的TiAl3基合金仍然太脆，加上它的高溫強度也不高，因而無法實際應用。Ti3Al：后面講

TiAl：后面講

第三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六DO22結構第四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六-TiAl及其合金

第五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六-TiAl的特點

密度低，3.7-3.9g/cm3，僅及Ni基高溫合金的一半，Ni基合金的比重為7.9-9.5g/cm3。對航空航天發(fā)動機高溫零件減輕重量十分有利。

比剛性高，較航空發(fā)動機其他常用結構材料(包括高溫合金)高50％。高剛性有利于要求低間隙的部件，如箱體、構件以及支撐件等。同時可以將噪聲震動移至較高頻率而提高葉片等部件的壽命。

600-700℃良好的抗蠕變性能，比強度高，可能替換某些Ni基高溫合金部件，如渦輪盤、渦輪葉片等，重量還可以減輕一半。

第六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六TiAl合金具有良好的阻燃能力，可替代一些昂貴的阻燃Ti合金。缺點：較低的抗損傷能力，其較低的室溫塑性、斷裂韌性和高的裂紋擴展速率增加了失效的可能性。第七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六-TiAl合金的應用

航空發(fā)動機應用

1993年，美國GE發(fā)動機公司開始將Howmat公司鑄造的Ti-47Al-2Cr-2Nb合金低壓壓氣機葉片裝在CF6－80C2做1000個模擬飛行周次考核，臺架試車，結果葉片完整無損，TiAl合金的延伸率僅0.5%左右。

第八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六1996年，NASA的“AITP”計劃，作GE－90發(fā)動機5級和6級低壓壓氣機葉片，取代Rene77葉片，降低總重量80kg。此外，TiAl合金作為機匣、渦輪盤、支撐架、導梁等應用也在逐步展開。汽車應用日本京都大學和川崎重工株式會社新開發(fā)的Ti-47Al-Fe-B合金用作汽車用廢氣增壓渦輪，外徑80mm，代替鎳基高溫合金重量減輕一半，臺架試車結果表明，以TiAl合金增壓的發(fā)動機加速響應時間顯著減少。這對于改善車用發(fā)動機的加速瞬態(tài)響應特性，減少燃燒不充分造成廢氣污染具有重要意義。

第九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六-TiAl的基本特性

-TiAl的晶體結構及基本特性第十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六晶體結構：L10結構，空間群為P4/mmm，它是由[001]方向上只有Al原子或者只有Ti原子組成的原子面交替重疊排列而成，每個晶胞有4個原子，2個Ti原子，2個Al原子。[100]、[010]方向上的點陣常數(shù)與[001]方向上的不同。-TiAl晶體是一種面心四方結構，a=0.398nm，c=0.404nm，c/a=1.015，隨Al含量增加在1.01-1.03之間變化?；葡担夯泼鏋閧111}，滑移方向有<110]、<101]和<112]。{111}面上的位錯有1/2<110]和1/2<112]普通位錯，以及<011]超位錯。1/2<110]的柏氏矢量最短，<011]超位錯可分解為兩個1/2<011]偏位錯夾一片反相疇(APB)。原子沿三個不同位移矢量，即沿bA(1/2<101])、bc(1/b<211])和bs(1/6<112])運動就分別產生反相疇(APB)、復雜層錯(CSF)和內稟層錯(SISF)。第十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六孿晶：TiAlL10結構有兩種孿晶：真孿晶：所有原子的種類和位置都是孿晶對稱的。第一原理計算的真孿晶界為50-60J/mol。偽孿晶：原子的位置是嚴格的孿晶對稱的，原子種類不符合嚴格的孿晶對稱要求，因此存在APB，偽孿晶界能高達530mJ/mol。有序疇的位向關系：TiAlL10結構中{111}上兩個相鄰的有序疇可能有6種位向關系(和表示平行和反向平行)：第十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六(A)的情況下，兩個有序疇之間或者沒有界面，或者形成一個平移有序層錯疇界。(B)和(C)是等價的，其界面是120旋轉有序層錯疇界。相鄰兩個有序疇的c軸互相垂直。(a)的情況是相當兩相鄰疇具有{111}<11>關系，是一種真孿晶關系。(b)和(c)是等價的，是一種偽孿晶關系，下圖給出了偽孿晶關系的原子排列和電子衍射圖。雙相TiAl合金中的2-Ti3Al和-TiAl的結晶學關系為：第十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六兩相TiAl合金2與的結晶學關系：

相應也有六種變體，見表13-4。

第十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六-TiAl的形成及其基本的固態(tài)相變

第十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六從液態(tài)TiAl冷卻時可以有三種完全不同的凝固路線1.

相凝固多數(shù)TiAl基合金含Al量為46－47％，由液相冷卻時將首先形成相，并擇優(yōu)沿其C軸生長，形成柱狀晶組織，在隨后冷卻過程中，從柱狀晶中析出相，形成＋2板條組織：兩者保持確定位向關系：相共析反應分解也是形成2＋相板條組織。由于相和相之間的位向關系，所有的板條將垂直于相的c軸方向(柱狀晶的生長方向)，最終得到的鑄態(tài)組織有明顯的各向異性特征。當鑄造具有復雜的形狀TiAl部件時，這種柱狀晶織構將導致鑄件不同部位性能的差異。

第十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六相凝固

相凝固組織的柱狀晶特征較之相凝固要弱的多。沿<100>方向擇優(yōu)凝固的相有三個等同的<100>方向。冷卻轉變?yōu)橄鄷r兩相間滿足位向關系：

所以將可能形成十二種不同取向的變體，最終在每個晶粒中得到取向完全不同的板條團。相應地，具有這種組織的部件的機械性能比較一致。相凝固：得到單相組織第十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六化學計量比和冷卻速率對平衡態(tài)組織的影響

計量比影響*TiAl基合金緩冷態(tài)接近平衡的組織隨成分而異，Al含量大于50％的TiAl合金熱處理時多處于單相區(qū)，冷卻至室溫后將得到單相組織。*Al含量為46％－50％(原子分數(shù))的合金在＋兩相區(qū)處理后緩冷至室溫將得到兩相組織，該組織由晶粒和板條晶粒所組成，其中板條晶粒是由高溫相中析出的2和層片所構成。該類組織被稱為雙態(tài)(duplex)組織。*第三種組織是Al含量小于46％的合金在單相區(qū)處理后緩冷所得到的全板條(fully-lamellar)組織。

第十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六冷卻速率影響

TiAl基合金先在單相區(qū)固溶處理后，隨著冷卻速度不同可得到不同的相分解產物。如圖13－4所示。*極緩慢冷卻條件下將得到胞狀(cellular)組織；*在爐冷等較低的冷速下(0.05-3℃/s)，將得到全板條組織；*中等冷速如空冷將得到魏氏組織(Widmanstatten)或羽毛狀(feathery)組織；*水淬可將得到塊狀(massive)組織。*進一步提高冷速和增加過冷度將抑制相的分解而直接有序化而得到單相2組織。

第十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六板條組織

2＋相板條組織不僅可以通過從相中析出相形成，相共析反應分解也是形成2＋相板條組織。試驗表明，典型的共析反應實際上是很難發(fā)生的。因為2和相形核的難易程度有很大區(qū)別：2僅為有序相變(成分變化不大)，而為擴散型相變。相的析出較之有序相變要緩慢得多。通常，-TiAl合金中所得到的2＋板條組織，是通過相由相或有序2相析出而形成。依Al含量的不同，板條組織的形成有兩種不同的方式：(1)高Al合金中相首先析出板條及隨后層片有序化為2；L(＋)L(2＋)，其中L代表板條組織，(2)低Al合金中相首先有序化為2隨后再析出板條2L(2＋)有人認為Al含量大于43％時按前者進行，Al含量小于43％時按后者進行。第二十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六板條組織的形成與層錯有關，基體上的層錯可以成為片狀相的析出核心。層片以短程擴散的臺階移動機制生長。板條組織的板條間距(L)取決于冷卻速度(dT/dt=R)，并可表示為：L-(R)-1/2，圖13-16為不同Al含量的合金的板條間距與冷速的關系。

第二十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六雙相-TiAl基合金的顯微組織

基本的顯微組織控制綜合性能較好的組織特征組織類型：全板條(FL)。

2/的平均體積分數(shù)在0.05-0.25之間。

晶粒尺寸(GS):50-250m。

板條間距():0.05m<<0.5m。

具有鋸齒狀晶界。

TiAl合金的四種典型組織第二十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六等軸近組織(NG)。在剛高于共析溫度的+兩相區(qū)處熱處理，得到的接近完全等軸晶粒的組織，通常還含有少量的晶界細小相顆粒。晶粒度一般較小，調整處理溫度可獲得更細的晶粒。第二十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六雙態(tài)組織(DP)。在Ti-Al相圖上+相兩相區(qū)內，在體積分數(shù)大致相等的溫度(約為Ta-60℃)進行熱處理獲得DP組織。高溫下的組織是等軸和相兩相，此時，相為高溫是無序相，經空冷或爐冷則得到/2層片團，最后得到等軸晶粒加/2層片團構成的雙態(tài)組織。由于相和相在處理溫度保溫時相互釘扎，晶粒長大速度較慢，所以雙態(tài)組織的晶粒尺寸一般較小(10-50m)。第二十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六近片層組織(NL)。在剛低于Ta溫度不遠的+兩相區(qū)進行熱處理，經空冷或爐冷均可得到由/2層片和少量分布于層片團間的等軸晶粒組成的近全層片組織。由于相較少，對相長大的釘扎作用減弱，故產生的片層團較大(200-500m)，晶粒一般小于20m，熱處理溫度愈遠離Ta，則層片團尺寸愈小，但晶粒愈多。第二十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六全層片組織(FL)：在剛高于Ta溫度進行熱處理，高溫下的單相經爐冷就可以得到完全由/2層片團構成的全層片組織。因處理溫度較高，而且沒有相的釘扎，晶粒長大速度很快，所以全層片組織一般較為粗大：鑄態(tài)FL合金的晶粒尺寸多在600－1000m，合理選擇熱加工及處理工藝可將變形FL組織的晶?？刂圃?00－300m。

第二十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六第二十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六組織微觀尺寸的控制

組織微觀尺寸的控制包括有：板條組織含量、晶粒大小控制、2/的平均體積百分比控制、板條間距的控制、晶界(片團界面)控制等。主要是控制加熱溫度和保溫時間、冷卻速率等。對于FL處理，隨溫度上升，晶粒尺寸或FL片團尺寸按指數(shù)規(guī)律增大。隨保溫時間延長，晶粒尺寸或FL片團尺寸按拋物線關系長大。在兩相區(qū)加熱，對NL和DP組織也存在類似關系，但相對于FL處理而言，F(xiàn)L處理對溫度更敏感。因為在兩相區(qū)，和兩相在晶粒長大的過程中會相互阻隔，晶面遷移都很慢，因而可得到細晶組織，在＋兩相區(qū)的某一區(qū)間(1260-1310℃)，DP的晶粒尺寸最小且隨時間增加增長十分緩慢.由于在相區(qū)晶粒長大迅速，而TiAl合金的熱變形又很難均勻化，因而靠簡單地調整再結晶工藝參數(shù)(時間、溫度)只能控制大尺寸的FL晶粒直徑，難以得到均勻細小的FL組織。

第二十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六鑒于一般組織控制方法難于得到細晶又細片組織，發(fā)展了一些新的熱機械加工方法，目前較為成熟的幾種優(yōu)化典型組織的加工工藝有：

熱機械處理板條組織(TMTL)。TMTL組織是將熱變形TiAl合金在單相區(qū)保溫較短時間緩冷而得到的組織。一般片團尺度100－300m，有齒狀界面。因單相區(qū)保溫時晶粒長大速度較快，TMTL合金中一般加入0.03%-0.5%(原子分數(shù))的B，并以TiB2彌散相釘扎在界晶上，冷卻過程中晶粒轉變?yōu)榘鍡l晶粒。含0.05%-0.1%B(原子分數(shù))時，顯示出明顯的晶粒細化作用，而0.2%B(原子分數(shù))可使晶粒細化至100m以下。第二十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六細晶板條組織(RFL)。RFL組織是在＋相區(qū)處理以獲得較細小的晶粒并用較快的冷速(分段)冷卻而獲得。因而片團尺寸較細，片間距較小，如圖13－21所示為GS＝300m，＝0.5m的典型TFL組織。

第三十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六RFL合金一般是添加一定量的合金元素以獲得較低的Ta、較窄的相區(qū)及寬的+相區(qū)，其熱處理的關鍵是保證的少量的相釘扎在相界上抑制其生長。典型的合金是K5(T-46.5Al-2Cr-3Nb-0.2W)合金，其Ta約1320℃、T＋約1335℃、T＋/T>1400℃；處理溫度對K5合金的晶粒大小有影響，其相的含量隨溫度增加而增加，從而有效阻礙晶粒長大。沿晶界的高溫相冷卻時轉變?yōu)榧毿∠?，RFL(K5)合金較之細晶雙態(tài)組織和粗晶全板條組織具有明顯優(yōu)越的綜合性能，但其晶界細小相對蠕變性能不利。第三十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六

熱形變板條組織(MTPL)。TMPL組織是指在高溫熱擠壓而得到的各種形態(tài)及晶粒尺寸的全板條組織。若熱擠壓溫度稍低于Ta，則可得到細晶、均勻分布有極少量晶粒的TMPL組織，見圖13-21c。若擠壓溫度高于Ta，則得到有一定取向的粗晶板條組織。TMPL組織具有優(yōu)異的高溫強度，如TMPL(K5)合金室溫屈服強度為700-800MPa，并有約2％的室溫伸長率。TMPL組織的特例是鍛造織構(TMPAL)組織，其形成是由于鍛造時導致織構形成，而隨后冷卻時板條組織在基體定向析出而得到的。其組織類型為對應于鍛面的[110]纖維織構，TMPAL組織具有優(yōu)越的高溫屈服強度。第三十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六多孿晶合成晶體(PST)的力學性能

多孿晶合成晶體(polysyntheticallytwinnedcrystals-PST)是由定向生長而得到的具有單一取向的全片層(或全板條)晶體，片層由大量孿晶片和片組成，其典型的組織結構職圖15－38所示。

第三十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六因PST晶體只有一個板條團所組成，沒有板條團界存在、所以是研究全板條組織的力學行為及變形特征的最佳材料。圖15－39和15－40是PST晶體室溫下屈服強度及延伸率隨承載角的變化曲線，是外加載荷軸與板條界面間的夾角，如＝0表示外加載荷方向平行于板條界面。

第三十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六PST晶體的屈服強度和延伸率明顯取決于承載角，或者說，板條組織的力學性能具有明顯的各向異性。當外加載荷垂直于板條界時屈服強度最高而延伸率最低，外加載荷平行于板條界時次之，而中間角度時正相反，屈服強度很低而延伸率高達20％。當板條界面平行于或垂直于壓縮載荷時，相沿[111]面的剪切形變與板條界面相截(硬變形)，因此剪切形變必須通過孿晶界、2/界面和2片，形變阻力大；而中間角度時，相沿[111]面的剪切形變與板條界面平行(軟形變)，因此，板條界及2片對剪切形變而言都不是直接的障礙，變形阻力小。另外，從軟形變方向板條的高延伸率來看，與2板條相平衡的相本身具有很好的可變形能力。無論角度的大小，斷裂總是以沒有頸縮的解理脆斷方式發(fā)生，即使延伸率超過10％時仍是如此。主裂紋方向總是垂直于外應力方向，表明正應力對萌發(fā)裂紋具有重要的作用。第三十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六雙相合金典型組織的力學性能

第三十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六DP組織的塑性高，斷裂韌性低，因為晶粒小，強度高，塑性高FL組織的斷裂韌性高，塑性低，因大晶粒使強度低，塑性低，而片層組織使韌性高各種組織強度和塑性取決于晶粒尺寸和層片間距，晶粒細化，縮短滑移帶長度，減少滑移面位錯運動長度和位錯堆積，降低滑移面交截處和晶界的應力集中，不利于裂紋形核，有利于強度和塑性提高。片層界面對裂紋擴展有阻力，片層組織的斷裂抗力高于相，增加片層含量，提高塑性和強度。FL和NL片層含量高，斷裂韌性高，但晶粒尺寸太大，塑性低。NG無片層組織，晶粒粗大，塑性韌性均低，DP組織晶粒細小，塑性高，韌性低。第三十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六晶粒尺寸對室溫塑性和強度的影響

室溫塑性和屈服強度均隨晶粒度的增大而降低。晶粒尺寸由250m增加到2500m，室溫塑性由2.5%降低0.5%。第三十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六各種組織的屈服強度與晶粒尺寸之間滿足Hall-Petch公式，但H-P強化系數(shù)Ky值不同。

第三十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六片層間距與屈服強度也符合Hall-Petch關系

室溫，800℃第四十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六室溫塑性與斷裂韌性的反常依存關系

TiAl合金的塑性和韌性間的反常關系可以從試樣拉伸時宏觀整體和裂紋尖端的不同屈服行為來理解。多晶材料的拉伸塑性主要是由其宏觀可屈服程度所控制的，晶粒越小則塑性越好。但是，在粗晶(>500m)全板條合金的韌性試驗中，裂紋尖端塑變區(qū)(400m)僅僅涉及到裂尖前的一個晶粒，形變行為只與裂尖微區(qū)特性有關。應用拉伸性能和斷裂韌性間的經典方程(15-2)可以估算塑變區(qū)內微觀的拉伸應力－應變曲線，如圖15-47(b)所示。式中C為常數(shù)，n為局部加工硬化系數(shù)，E為彈性模量，y為材料的屈服強度，lf為局部失效真應變，相當于所測裂紋尖端的最大有效應變。第四十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六計算所用雙態(tài)和全板條組織的KIC值分別為10.5MPam1/2和16MPam1/2。對比粗晶全板條合金和細晶雙態(tài)合金裂尖塑變區(qū)內微觀的以及拉伸試樣宏觀的應力－應變曲線(圖15-47(a))。雙態(tài)組織的微觀和宏觀應力－應變曲線相似，對晶粒尺寸大于500m的全板條組織卻極不同。

第四十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六用公式rp=a(KIC/y)2計算裂紋尖端的塑變區(qū)尺寸，雙態(tài)和全板條組織分別為400－500m和300m。大晶粒的全板條組織的裂尖塑變區(qū)是在一個晶粒尺度內，裂尖塑性區(qū)組織相當于PST組織的情況，其局部失效應變平均值約15％－20％，與試驗所測的PST－TiAl合金的最大拉伸應變相吻合。對雙態(tài)組織而言，其塑變區(qū)(約300m)內含有許多隨機取向的細小晶粒，意味著塑變區(qū)內的材料是完全各向同性的，與宏觀組織相似，其裂尖應力－應變曲線基本上與宏觀拉伸曲線相同，失效應變與材料的宏觀失效應變(3%)相當(如圖15－47)。

第四十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六TiAl基合金的抗氧化性能

Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的抗氧化性較差，500h氧化后氧化皮剝落。K5和Alloy7抗氧化性較好，但500h后氧化增重曲線呈直線關系，也產生了退化過程。氧化膜結構：TiAl在高溫氧氣中可以生成連續(xù)的Al2O3膜層，但在空氣中卻只生成TiO2和Al2O3混合膜，其含鋁量不足以生成連續(xù)的Al2O3層，這是其抗氧化性不足的原因。

TiAl基合金大約在750－800℃以下具有抗氧化性。

第四十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六氮對TiAl合金的氧化行為有重大影響，在純氧氣中有連續(xù)的Al2O3膜，氧化很慢，氮氣起明顯的加速氧化作用。一種解釋是在氧化初期，TiN就已生成，形成Al2O3和TiN交替結構，而TiN可以進一步氧化生成TiO2。從而最終形成TiO2和Al2O3混合膜。這種解釋的證明是900℃、1h氧化后在氧化膜和金屬基體界面處TEM觀察到TiN和Al2O3。

第四十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六提高TiAl合金抗氧化性的要素是獲得連續(xù)的Al2O3膜，加入少量合金元素，如Cr、Mn、Y等可以提高其抗氧化性，但并不能生成連續(xù)的Al2O3膜。鈮能有效地改善TiAl合金的抗氧化性，具有最佳抗氧化性的合金成分范圍可以描述為：Al=55%-64%(原子)、Ti/Nb=2～5。此時氧化膜的含有連續(xù)的Al2O3保護層。另外，氧化物TiO2可以被改變成(Ti,Nb)O2，Nb+5替代TiO2中的Ti+4，會降低陰離子空位濃度，改善TiO2的保護能力。當合金含鈮過多時，出現(xiàn)AlNbO4或Nb2O5，使膜疏松而降低膜的保護能力。用防護涂層提高TiAl合金的抗氧化性的有效性與涂層成分有關，Cr-Al-Y是有效的高溫合金涂層，但對TiAl合金有較嚴重的基體反應和熱膨脹系數(shù)差別，對TiAl不是很匹配。用Ti-Al-Cr(>8%~10%)涂層，可以得到連續(xù)的Al2O3保護層。第四十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六合金化及TiAl基合金發(fā)展

TiAl基合金的發(fā)展50年代初期，美國學者首先對Ti-50Al二元合金的性能進行了研究，結果因為TiAl合金室溫塑性太差而放棄。十五年后，即1975－1982年，美國P&W實驗室對近100種不同成分的TiAl合金加以研究，最后發(fā)現(xiàn)具有最佳性能的合金是：Ti-48Al-1V-0.3C(原子)，此即第一代TiAl合金，其室溫塑性可高達2％，但由于各種原因，TiAl基合金并未被作為工程合金而得到發(fā)展。直到80年代末，美國GE公司發(fā)展了第二代TiAl合金(Ti-48Al-2Cr-2Nb)并證明了其良好的綜合性能，才引起對TiAl基合金世界范圍的廣泛興趣。

第四十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六經過大量研究發(fā)展，現(xiàn)已發(fā)展出第三代TiAl合金，見表15－9。第四十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六工程TiAl合金的力學性能(目前已進入應用狀態(tài)的鑄造合金的成分和性能水平)

第四十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六鑄造-TiAl合金的不同溫度拉伸性能

第五十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六合金元素對TiAl合金性能的影響

第五十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六我國TiAl合金的研制

變形TiAl-V-Cr合金

Ti-46.5Al-2.5V-1.0Cr

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細小全層片組織(FFL)可全面提高力學性能首先將熱變形組織在合金共析線以下溫度充分再結晶為晶粒尺寸小于200m的等軸近組織，然后將其重新加熱到高于合金Ta點的溫度，使高溫/層片結構在相基體上形成。第五十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六組織分析發(fā)現(xiàn)，面心正方結構的相中四種取向的{111}面均可作為片狀相析出的慣習面，即相層片可在一個相晶粒內多取向析出，使在單相區(qū)高溫下形成的/層片團的尺寸小于相基體晶粒尺寸。這種在相對細小的相晶粒內生成的尺寸更小的層片團在冷卻過程中被保留下來，其中相原位有序化為2相，就形成了層片團尺寸小于100m的FFL組織。第五十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六該合金FFL組織具有均衡的室溫拉伸性能和斷裂韌性(表15-12)。這種細化全層片組織的工藝對鈦鋁合金的實用具有重要意義。

第五十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六(2)微合金化改善熱加工性能

TiAl合金的高溫變形性能對熱加工溫度和變形速率均很敏感，熱加工窗口較小。試驗發(fā)現(xiàn)，添加微量Mg(如0.007%)可顯著提高TiAl-V-Cr合金的熱加工性能，使其可熱加工工藝參數(shù)范圍明顯增大(圖15-74)。這里的可熱加工是指熱模擬試驗中，熱壓試樣應變達到80％后，在100倍光學顯微鏡下檢查表面無裂紋的工藝條件。

第五十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六(3)鑄造TiAl-V-Cr合金

經高于Ta點均勻化處理(真空熱處理或HIP)，得到粗大全層片組織，經多步熱處理(MHT)，可得到FFL組織。熱處理的第一步是在900℃或950℃至略高于合金共析線的溫度間循環(huán)熱處理，以在完整的層片結構中引入大量層片間斷點。

第五十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六根據(jù)Ti-Al二元相圖可以推算，當TiAl合金由900℃升溫到共析溫度或由共析溫度降溫至900℃，合金中將有約36％體積的2相發(fā)生溶解或析出相變。另一方面，在此溫度區(qū)間內原本平直的層片會在表面能驅動下發(fā)生形狀擾動，進而產生瑞利分解(圖15－77)。試驗證明，在循環(huán)熱處理過程中存在的溶解、析出相變可以促使層片在更多位置上的失穩(wěn)擾動達到瑞利分解的臨界值，增加層片形狀失穩(wěn)擾動致層片間斷發(fā)生的普遍性和均勻性。第五十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六第二步熱處理是在略高于共析線溫度，如1150℃溫度，等溫處理。由于吉布斯－湯姆斯效應(Gibbs-Thomsoneffect)，分布有間斷點的層片分段發(fā)生連續(xù)粗化，結果使粗大層片團的層片組織分解并等軸化為晶粒尺寸較小的近組織(圖15－78)。

第五十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六熱處理的最后一步是在略高于合金Ta點溫度短時保溫后空冷下來，形成鑄造TiAl合金的FFL組織(圖15－79)

第五十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六鑄造TiAl-V-Cr合金的室溫塑性尚不能通過單一熱處理顯著提高，而需經多步長時熱處理才能得到明顯改善。

第六十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六高Nb的TiAl合金

高Nb的TiAl合金，已被國內外承認為發(fā)展高性能TiAl合金的首例，目標是在800℃以上使用。高鈮TiAl合金可以在較低的溫度處理得到較細晶粒全板條組織。采取適當?shù)臒崽幚淼玫絅G、DP、NFL和FL典型組織，各種組織的參數(shù)見表15－17。第六十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六圖中列出K5合金的數(shù)據(jù)作為參考。可以看出，高鈮合金化顯著提高了TiAl合金的屈服強度。

第六十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六TiAl-W-Si合金相變研究

Ti-47Al-2W-0.5Si蠕變行為和變形機理研制制備：鑄錠變形；鑄造；粉末冶金第六十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六Ti3Al及合金

Ti3Al合金的發(fā)展Ti3Al金屬間化合物與普通鈦合金相比，其密度相當而使用溫度更高，因此引起人們很大的興趣和關注。從20世紀50年代開始，一些國家就開展了Ti3Al金屬間化合物的研究，但由于脆性問題遲遲未被突破，曾一度處于低潮。60年代，人們試圖通過Nb元素的添加去克服室溫脆性。直到70年代后期，第一個呈現(xiàn)一定室溫塑性的Ti3Al合金[Ti-24Al-11Nb,%(原子)]問世，使Ti3Al合金走出低谷。80年代初，在室溫和高溫強度等方面更具優(yōu)越性的超2合金[Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo,%(原子)]被發(fā)明。高壓壓氣機匣、高壓渦輪支承環(huán)等典型零件先后通過發(fā)動機試車以及3.2t重量級鑄錠等產品的研制成功，標志著Ti3Al合金的發(fā)展已進入應用研究階段。

第六十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六其后，包括中國、俄羅斯在內的世界各國廣泛地開展Ti3Al合金的研究，并取得重要進展。中國在強韌化機制、合金化、制造工藝、組織性能研究基礎上發(fā)展而成的TD2[Ti-24.5Al-10Nb-3V-1Mo,%(原子)]、TAC-1[Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo,%(原子)]合金都已進入應用研究階段，作為轉子零件的TD2合金的渦輪導風板也成功地經受了發(fā)動機試車考驗。利用TAC-1合金優(yōu)異的超塑性和良好的焊接性能，已制作成功宇航用渦輪體組件、衛(wèi)星波紋板以及姿態(tài)發(fā)動機部件等多個試驗件。80年代末和90年代，美國又在上述2相為基的合金研究基礎上，發(fā)展了以O相(Ti2AlNb)為基的合金，其中有代表性的合金有Ti-24.5Al-23.5Nb、Ti-22Al-27Nb等。第六十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六Ti3Al相的基本特性

Ti3Al具有DO19結構，是-Ti結構的有序結構，亦稱2相。當量成分Ti3Al的密度為4.2，而Ti3Al基合金的密度為4.1-4.7。Ti3Al基合金的楊氏模量在100－145GPa。楊氏模量對成分和結構都比較敏感，其實測值的波動范圍較大。過當量成分Ti3Al(26Al)的測量值為149GPa，剪切模量為58GPa，泊松比為0.29。第六十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六Ti3Al的合金化和組織

最有效的強韌化元素是Nb，隨含Nb量增加，Ti3Al基合金的強度和塑性同時得到提高。因此，現(xiàn)代Ti3Al基合金都以Ti-(23-25)Al-(10-30)Nb為基礎成分，再進一步合金強化。Nb顯著提高Ti3Al基合金塑性的機理尚不完全清楚，少量Nb是取代Ti的位置，并促進更多滑移系開動，因而有利于塑性，但此時只是略為提高塑性。當Nb量較多時促進相或有序的B2相析出，它將可能進一步提高塑性。

第六十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六再增加Nb量，以致有O相析出，則進一步改善強度和塑性。含Nb的Ti3Al基合金基本上有三種類型，Nb含量10％－12％的2合金或超2合金；Nb含量14％－17％時的2+兩相合金和高Nb量(23%-27%)的O相為基的多相合金。提高合金的含Al量也有利于提高強度,不同Al含量合金,具有網(wǎng)欄狀組織。在不同Al-Nb含量的Ti-Al-Nb基礎合金中加入其他穩(wěn)定元素(V、Mo等)可以進一步提高強度，不同元素復合強化效果較好。第六十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六控制組織是得到最佳綜合性能的關鍵。Ti3Al基合金的熱處理顯微組織及性能與普通Ti合金有許多相似之處。只是Ti3Al因是有序結構而更脆一些。2-Ti3Al基合金高溫進入相區(qū)，冷卻下來可以得到不同的顯微組織。例如Ti-25Al-7.5Nb合金自高溫冷卻下來經相轉變可以得到幾種不同組織：

等軸組織帶有較多的一次2相；魏氏組織基體及少量一次2相；粗大的全魏氏組織2相；細小的全魏氏組織2等。第六十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六熱機械過程(TMP)能更有效地控制顯微組織，包括晶粒的形狀與分布，一次2相的尺寸與數(shù)量，二次2片的形態(tài)及厚度(間距)等，一種是區(qū)熱機械加工(加工)，一種2＋相區(qū)熱機械加工(2+加工)，此種方法可以控制一次2相的數(shù)量及大小，魏氏組織2相一般較細小。調整一次2相的大小、數(shù)量、2相及相的比例和形態(tài)可以得到最佳的強度塑性配合，含有最少相的網(wǎng)欄狀2相組織蠕變性能最好，增加相有利于塑性但降低蠕變強度。第七十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六可以看出，B2相不利于蠕變強度，O相合金的蠕變強度比2相合金要好，22Al-27Nb(O+B2)和27Al-21Nb(O相)合金的蠕變速率比高溫合金IN718還低。目前，O相合金是發(fā)展的重點。圖13－10具有2＋B2、2、O＋2、O相組織的Ti3Al基合金的蠕變性能對比，圖中列出IN718高溫合金的數(shù)據(jù)作參考

第七十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六對于Ti-24/25Al-低Nb基合金系列，當成分為25Al及約12%穩(wěn)定元素總量時蠕變強度最好。第七十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六用V、Mo合金化得到Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo合金(超2合金)具有極好的蠕變強度，尤其是得到固溶處理后的片狀團(colonytype)組織后有最佳的蠕變強度。這個合金的蠕變速率應力指數(shù)n隨溫度升高而下降，是一種攀移型蠕變和晶界滑動蠕變的混合蠕變。隨溫度升高和應力降低，晶界滑動在混合蠕變中的貢獻更大。進一步研究其蠕變性能認為，還可以進一步用Si、Zr提高蠕變強度。第七十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六增加Nb含量(原子分數(shù))到17％為2＋O雙相合金，進一步用Mo強化得到的Ti-25Al-17Nb-1Mo是2＋O雙相合金，并優(yōu)化兩相組織，可以使強度和塑性同時不斷提高。具有極高的蠕變強度，比Ti-25Al-17Nb合金和2＋兩相Ti3Al合金都好，而且其塑性也優(yōu)于Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo超2合金，但其塑性還不是很高。第七十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期六為此可以進一步增加Nb含