TiAl 合金板材的制備及研究現狀

楊 非,孔凡濤,陳玉勇,肖樹龍

(哈爾濱工業大學材料科學與工程學院,哈爾濱150001)

TiAl 合金板材的制備及研究現狀

楊 非,孔凡濤,陳玉勇,肖樹龍

(哈爾濱工業大學材料科學與工程學院,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外研究現狀,介紹了鑄軋技術、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展趨勢。

TiA l合金板材;鑄錠冶金;粉末冶金;發展趨勢

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用前景的新型輕質耐高溫結構材料,主要應用于航空航天及汽車等領域,如發動機用高壓壓縮機葉片、高壓渦輪葉片、低壓渦輪、過渡導管梁、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、微觀組織與力學性能之間的關系以及加工行為的研究[6-13],促使發展了多種具有優異綜合性能的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動機的結構部件以及熱防護系統使用的結構材料,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用于600～900℃的高溫航空結構材料。目前,國內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包括鑄錠冶金法(Ingot M etallurgy,IM),粉末冶金法(Pow der M etallurgy,PM),EB2PVD技術,流延成形技術(Tape Casting)等。本文綜述了國內外TiA l合金板材的制備技術及研究現狀,并提出了TiA l合金板材制備方法的發展趨勢。

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,然后在一定溫度區間((α+γ)兩相區)和一定應變速率(<10-2s-1)條件下,采用一次或多次鍛造來細化鑄造組織,隨后進行熱處理,為軋制做準備。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,鑄錠和鍛餅發生開裂現象,一般多采用包套鍛造和包套軋制技術,包套材料通常選用不銹鋼。板材的軋制溫度區間一般選擇在(α+γ)兩相區,軋制時要充分考慮軋制速度和道次變形量兩個工藝參數。軋制速度太快,道次變形量過大,板材易發生開裂現象,導致軋制失敗;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,板材也容易發生開裂現象,成功的包套軋制技術必須滿足以下條件[15,16]:(1)在(α+γ)兩相區進行近等溫軋制;(2)為了防止TiA l合金材料在軋制過程中發生宏觀或微觀開裂現象,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公司聯合研究,早在20世紀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(原子分數/%)[17],其中Ti2 47A l22Cr20.2Si合金板材經過熱處理,得到了四種不同的組織形態(退火態,近γ,雙態和全層片),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合金板材經超塑成形后的復雜部件。近年來,Plansee AG公司發明了一種先進的TiA l合金板材軋制技術(Advanced Sheet Rolling Process,ASRP)[14],該技術能夠利用傳統的熱軋機在(α+γ)兩相區低速軋制出大尺寸的TiA l合金板材,目前采用該技術能夠成功軋制出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報道。俄羅斯超塑性問題研究所發明了一種新型的TiA l合金板材的軋制技術[23],該技術實現了低溫軋制TiA l合金板材,工藝路線如下:TiA l合金鑄錠經熱等靜壓后在(α+γ)兩相區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合金板材的技術還存在很大的差距,據文獻報道,中南大學[24]和北京科技大學[25]先后采用包套軋制技術制備了成分為Ti248A l22Cr20.5Mo(原子分數/%)和高鈮TiA l合金板材,其板材厚度分別可達217mm和216mm,而關于板材的力學性能和詳細尺寸未見報道。哈爾濱工業大學采用包套軋制技術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(原子分數/%)。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+加壓燒結法[26,27]、元素箔片疊加軋制+反應合成法[28,29]、預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,再進行反應合成制備TiA l合金板材,或將原料粉末混合并進行包套抽氣處理后,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、箔片或其他形式。

Ti,A l元素粉末的反應合成是一個由擴散控制,包括TiA l3和TiA l2等中間相生成的復雜過程。由于Ti,A l兩元素之間的擴散系數相差很大,在無壓燒結時,會發生柯肯達爾擴散,形成弗蘭克孔洞,從而產生大幅度的體積膨脹[31]。因此,Ti,A l元素粉末的反應合成必須采用熱壓、熱等靜壓、氣壓燒結等加壓燒結手段,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性能。賀躍輝[27]等人采用低壓燒結冷軋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,嚴重影響了板材的力學性能。

由于Ti,A l粉末在制備過程中容易引入雜質,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,因其比表面積遠小于粉末態,因此可顯著降低板材中的氧含量。美國A labama大學[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,使得Ti箔和A l箔進行初步結合,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。如此往復,最終獲得TiA l合金板材。軋制和高溫熱處理的目的是為了進一步促進Ti箔和A l箔之間的反應,從而形成TiA l板材。該工藝不僅可制備氧含量低、力學性能良好的TiA l合金板材,而且可以通過控制軋制Ti箔中的織構和擴散反應工藝,獲得具有定向層片結構的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 預合金化粉末制備TiAl合金板材

隨著高質量預合金化粉末制備工藝的完善,采用預合金化粉末制備TiA l基合金板材引起了人們的興趣。預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]。

預合金化粉末熱等靜壓固結后再進行熱軋是奧地利Plansee AG公司開發的ASRP技術中粉末冶金法制備TiA l合金板材路徑中的一種方法[6]。它是將電極感應熔煉氣霧化(Electrode Induction M elting Gas A tom ization,EIGA)或等離子感應熔煉氣霧化(Plasma M elting Induction Guiding Gas A tom ization, PIGA)技術霧化制得的TiA l合金粉末裝入Ti合金包套中,加熱到一定溫度下抽氣,當達到預定的真空度時將包套焊合,之后進行熱等靜壓,實現致密化。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))(原子分數/%),γ2TNB[30,34]以及Ti245A l25Nb(0,0.5)C (原子分數/%)合金板材[35],這些合金板材具有均勻細小的組織結構,表現出較高的高溫強度、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(原子分數/%)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 鑄軋技術制備TiAl合金板材

Matsuo等[36]于1991年首次將鑄軋技術應用于TiA l基合金板材的制備。采用鑄軋技術制備TiA l基合金板材,需要解決的主要問題是如何細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性能。目前,通常采用添加晶粒細化劑或控制凝固過程來細化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,發現未加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(原子分數/%)合金板材,其尺寸為50mm×15mm×275μm[37]。制備過程如下:先用TiA l合金粉末與黏結劑混合制成漿料,再利用特制的澆鑄系統將漿料澆鑄成帶狀,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,其晶粒尺寸比較細小均勻,從而有望改善其室溫延展性等力學性能。

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構均勻、細小,可以獲得細晶、非晶或者納米晶材料,從而為提高材料的室溫和高溫力學性能奠定基礎。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,并對其結晶動力學進行了研究[12,38]。哈爾濱工業大學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復合層板材尺寸達到150mm× 100mm×0.2mm,研究發現Nb的存在使得板材在斷裂過程中裂紋發生了偏轉,從而增加了裂紋增值的能量,導致韌性斷裂特征的出現,說明在TiA l板材中添加Nb層后,板材的塑性得到了提高。

4 結束語

TiA l合金板材作為未來航空航天發動機結構部件以及熱防護系統結構的備選材料,已成為國際材料科學與工程領域的研究熱點。作為目前TiA l合金板材的主要制備技術,粉末冶金法和鑄錠冶金法具有如下優點:(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,且易實現規模化生產,有望成為工業化生產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含量和缺陷密度,難以實現全致密化,從而降低板材的性能;(2)采用預合金化粉末制備TiA l板材雖然氧含量低,致密度較高,但預合金化粉末的制備工藝(如EIGA,PIGA技術)造價高,生產成本大,難以實現規模化生產;(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,需要后續的熱等靜壓處理及熱機械處理來減少或消除缺陷,細化粗大的鑄態組織;(4)流延成形、物理氣相沉積等其他TiA l板材制備技術目前尚未成熟,還處于起步階段。

綜上所述,作者認為未來TiA l合金板材制備技術研究應著重以下方面:(1)加強對TiA l合金鑄錠缺陷的形成機理、控制技術以及組織均勻化技術的研究,制備高質量的TiA l合金鑄錠;(2)優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致密化機理的研究,降低預合金化粉末的制備成本;(4)深化TiA l合金復合板材制備技術的研究,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,聯系地址:哈爾濱工業大學434信箱(150001),E2mail:fyang0204 @hotmail.com,fyang@hit.edu.cn