反應(yīng)合成層狀多孔TiAl復(fù)合板材的組織演變

李學(xué)問 劉剛 索轉(zhuǎn)霞 魏博鑫 房文斌

摘 要：以純Ti箔、純Al粉、純Nb粉為原材料，首先采用粉末冶金工藝制備Al-Nb復(fù)合箔材，再采用箔箔冶金工藝制備層狀多孔TiAl合金板材。研究結(jié)果表明：真空熱壓后，Ti/Al-Nb復(fù)合板材無新相生成，Ti箔與Al-Nb復(fù)合箔材結(jié)合方式為機(jī)械結(jié)合，板材厚度均勻。分步熱處理后的薄板由Al3Nb、TiAl3、TiAl2、TiAl、AlNb2和Ti3Al六種相層組成，其中TiAl相層厚度約為100 μm，Ti3Al相層厚度約為12 μm，（Ti， Nb）Al3相層厚度約為80 μm，TiAl2相層厚度約為2 μm。AlNb2分布于（Ti， Nb）Al3相層中，并在（Ti， Nb）Al3相層中形成了不規(guī)則分布的孔洞。

關(guān)鍵詞：TiAl合金;粉末冶金;堆疊燒結(jié);多孔材料

DOI：10.15938/j.jhust.2019.05.007

中圖分類號： TB331

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）05-0034-05

Abstract：In this paper， pure Ti foil， pure Al powder and pure Nb powder are used as raw materials. Firstly， Al-Nb composite foil was prepared by powder metallurgy process， and then layered porous TiAl alloy sheet is prepared by foil metallurgy. The results show that after vacuum hot pressing， there is no new phase in the Ti/Al-Nb composite sheet， and the combination of Ti foil and Al-Nb composite foil is mechanically combined， and the thickness of the sheet is uniform. The thin plate after step heat treatment is composed of six phase layers of Al3Nb， TiAl3， TiAl2， TiAl， AlNb2 and Ti3Al， wherein the TiAl phase layer has a thickness of about 100 μm， the Ti3Al phase layer has a thickness of about 12 μm， and the （Ti， Nb） Al3 phase layer thickness. It is about 80 μm and the thickness of the TiAl2 phase layer is about 2 μm. AlNb2 is distributed in the （Ti， Nb）Al3 phase layer， and irregularly distributed pores are formed in the （Ti， Nb）Al3 phase layer.

Keywords：TiAl alloy; powder metallurgy; stack sintering; porous material

收稿日期： 2019-07-01

基金項(xiàng)目： 國家自然科學(xué)基金（51704088）;黑龍江省本科高校青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃（UNPYSCT-2017084）;亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（201805）.

0 引 言

TiAl合金由于其具有低密度、高比強(qiáng)度和剛度的特性[1-2]，以及良好的高溫抗氧化性能和抗蠕變性能[3-4]，在航空航天和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[5-6]。但是其室溫塑性差、難加工以及850℃以上高溫性能不足限制了TiAl合金的應(yīng)用[7-8]。

利用元素箔材為原料，通過層狀堆疊燒結(jié)及后續(xù)熱處理直接反應(yīng)合成制備TiAl合金[9]，避免了TiAl合金變形，直接合成TiAl合金，降低了加工難度[10]。同時(shí)，方便在TiAl合金中添加合金，優(yōu)化TiAl合金的性能[11-12]，其中添加Nb元素可以使TiAl合金的抗氧化能力明顯提高[13]，研究表明，高Nb-TiAl合金的使用溫度要比普通TiAl合金的使用溫度高60～100℃，高溫抗氧化性也比普通TiAl合金高10倍左右[14]，充分展現(xiàn)了高Nb-TiAl合金作為耐高溫材料的潛力。

本文采用熱壓與分步熱處理工藝，制備層狀多孔高Nb-TiAl合金。對合金在不同階段顯微組織中孔洞的形成規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

以Al粉、Nb粉和Ti箔為原料，原料規(guī)格如表1所示。采用粉末冶金工藝制備Al/Nb復(fù)合箔材，將制備的Al/Nb箔材與Ti箔交替堆疊，通過真空熱壓與分步熱處理相結(jié)合的工藝制備名義成分為Ti-43Al-4Nb（at.%）合金。具體工藝流程如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

Al/Nb復(fù)合板材燒結(jié)工藝如圖2所示，將Al/Nb元素粉末以5℃/min的升溫速度升溫至640℃，在640℃溫度下加40MPa壓力，保溫2h，隨爐冷卻至室溫。燒結(jié)后的塊體材料以8℃/min的升溫速度升溫至580℃，并在580℃溫度下加30MPa壓力，保溫2h，隨爐冷卻至室溫。

TiAl復(fù)合板材熱處理工藝如圖3所示，以10℃/min的升溫速度升溫至660℃，不加壓力，保溫10h，隨爐冷卻至室溫。將第一步熱處理后的材料以8℃/min的升溫速度升溫至1200℃，在1200℃溫度下加10MPa壓力，保溫2h，然后以4℃/min的升溫速度升溫至1250℃，在1250℃溫度下不加壓力，保溫30min。保溫結(jié)束后，隨爐冷卻至室溫。

利用Philips X′pert X射線衍射儀對實(shí)驗(yàn)各階段的材料相組成進(jìn)行分析，掃描角度為20°-90°，掃描速度為5°/min。利用FEI Zeiss型掃描電子顯微鏡及搭配的EDS能譜分析儀對材料的顯微組織及元素含量進(jìn)行觀察。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 Al/Nb復(fù)合板材微觀形貌

燒結(jié)后的Al/Nb復(fù)合板材微觀形貌如圖4所示，圖中白色圓形顆粒為Nb，深灰色區(qū)域?yàn)锳l，從圖4（a）可看出，宏觀上Nb單質(zhì)均勻分布于Al基體內(nèi)，且沿著軋制方向，Nb單質(zhì)有呈層狀分布。在局部微觀區(qū)域呈現(xiàn)團(tuán)聚狀，如圖4（b）所示。Al-Nb復(fù)合箔材的原始組織對燒結(jié)后TiAl合金的組織有重要影響。

2.2 層狀TiAl復(fù)合板材的微觀形貌

利用掃描電子顯微鏡對熱壓后的TiAl復(fù)合板材的截面進(jìn)行觀察。在580℃下熱壓后的層狀TiAl復(fù)合板材的微觀形貌和x射線衍射掃描分析結(jié)果如圖5所示。圖中淺灰色層為純Ti箔層，黑色層為Al/Nb復(fù)合箔層，銀白色物質(zhì)為Nb單質(zhì)。各層界面垂直，沒有發(fā)生層間開裂現(xiàn)象。Ti層和Al/Nb層的層厚與初始箔材相比保持不變。該溫度下沒有發(fā)生變形現(xiàn)象，界面緊密結(jié)合，并沒有出現(xiàn)擴(kuò)散層或反應(yīng)層。Nb元素在Al/Nb層中呈現(xiàn)不規(guī)則分布，在小部分位置形成了團(tuán)聚現(xiàn)象。在Nb單質(zhì)和Al層的交界處界面平直，在Ti層和Al/Nb層的交界處，出現(xiàn)了細(xì)小的鋸齒狀邊緣，這證明了Ti層和Al/Nb層間結(jié)合方式為機(jī)械結(jié)合。

根據(jù)對界面處的線掃描觀察（圖6）可以發(fā)現(xiàn)，在Ti/Al界面處出現(xiàn)4μm左右的擴(kuò)散層，界面處的線掃描沒有發(fā)現(xiàn)Nb單質(zhì)的存在，表明該溫度下Al/Nb層中的Nb單質(zhì)沒有發(fā)生顯著擴(kuò)散。根據(jù)對Nb單質(zhì)與Al層交界處的線掃描觀察（圖7），在Nb單質(zhì)與Al層交界處的邊界同樣發(fā)現(xiàn)了厚度極小的擴(kuò)散層。在Al/Nb層中富Al區(qū)域中幾乎沒有Nb單質(zhì)的存在。根據(jù)層狀TiAl復(fù)合板材的xrd掃描分析（圖5（b））可知，物相為Ti、Al和Nb三種單質(zhì)相，沒有檢測到金屬間化合物，表明熱壓后的層狀TiAl復(fù)合板材主要為Ti箔層和Al/Nb箔層的機(jī)械結(jié)合，沒有金屬間化合物的生成，該結(jié)論與界面處的線掃描結(jié)果一致。

2.3 熱處理后層狀多孔TiAl復(fù)合板材的組織形貌

圖8（a）為層狀多孔TiAl復(fù)合板材在1250℃熱處理后的微觀形貌。根據(jù)圖像可以得知，大致分為三層，白色層、深灰色層和淺灰色層。白色層中存在零散分布的黑色孔洞，在深灰色層與白色層、深灰色層與淺灰色層之間存在著細(xì)小的襯度不同的層，經(jīng)過1250℃熱處理后，原Al/Nb層變薄，而原Ti層厚度變化不明顯，孔洞的形成是由于兩種金屬元素的原子擴(kuò)散系數(shù)不同造成的。Ti的原子擴(kuò)散速度比Al的原子擴(kuò)散速度慢，原位置的Al原子擴(kuò)散后形成的空位并不能及時(shí)的被擴(kuò)散速度較慢的Ti原子所補(bǔ)充，空位發(fā)生了聚集，形成了孔洞。

為了進(jìn)一步分析分步熱處理后的微觀組織演變，對界面層進(jìn)行了線掃描分析，結(jié)果如圖9所示。結(jié)合圖8（b）xrd分析結(jié)果，分析表明從上至下依次為（Ti，Nb）Al3層、TiAl2層、TiAl層和Ti3Al層。其中Ti3Al層較厚，厚度為100 μm。TiAl層厚度較薄，厚度為12 μm。Al3Nb相和TiAl3相混合形成（Ti，Nb）Al3層。在（Ti，Nb）Al3層和TiAl層中存在著極薄的TiAl2層，厚度為2 μm。根據(jù)線掃描結(jié)果可以得知，在經(jīng)過660℃/10h與1200℃/2h的分步熱處理后，Ti和Al均發(fā)生了明顯的擴(kuò)散現(xiàn)象，形成了金屬間化合物。Nb單質(zhì)并沒有發(fā)生顯著擴(kuò)散現(xiàn)象，僅存在與白色的（Ti，Nb）Al3層中，與Al反應(yīng)生成少量AlNb2相。

根據(jù)TiAl合金的相圖以及上述分析結(jié)果，在層狀多孔TiAl復(fù)合板材的組織演變中，存在著相的變化。粉末燒結(jié)及熱壓復(fù)合板材的過程中并沒有發(fā)生相的轉(zhuǎn)變，僅發(fā)生了復(fù)合板材的熱壓結(jié)合。在660℃熱處理后Al與Ti反應(yīng)生成的TiAl3相，熱處理后Al反應(yīng)完全，Ti仍有剩余。在1250℃高溫?zé)崽幚硐拢Ｓ嗟腡i與低溫?zé)崽幚硇纬傻腡iAl3發(fā)生

反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)門iAl相層和Ti3Al相層，轉(zhuǎn)變過程中伴隨著過度相的出現(xiàn)，例如TiAl2等。Nb單質(zhì)由于擴(kuò)散速度較低，并沒有明顯擴(kuò)散，僅在原Al-Nb層中形成了（Ti，Nb）Al3相和少量AlNb2相。在經(jīng)過分步熱處理后， Al原子由于與Ti原子的互擴(kuò)散系數(shù)不同，發(fā)生了柯肯達(dá)爾效應(yīng)[15]。Al原子離開原位置而向Ti層擴(kuò)散，Ti原子同樣向Al/Nb層擴(kuò)散，Ti原子由于擴(kuò)散速度較慢，無法完全填補(bǔ)Al原子擴(kuò)散形成的空位，在Al/Nb層中空位聚集并形成了孔洞。由于粉末燒結(jié)后的材料中Al和Nb的成分不均勻，因此形成的孔洞大小、位置都呈現(xiàn)無序性，相層的形貌呈現(xiàn)不規(guī)則形狀。

3 結(jié) 論

1）熱壓燒結(jié)后的復(fù)合板材中僅存在Ti、Al、Nb三種單質(zhì)相，沒有形成金屬間化合物，各層間界面平直，緊密結(jié)合。

2）熱處理后的層狀TiAl復(fù)合板材中，在原Al/Nb箔材中形成了層狀分布的不同規(guī)格孔洞，富Nb區(qū)域孔洞較少。

3）層狀TiAl復(fù)合板材由（Ti，Nb）Al3層、TiAl2層、TiAl層、Ti3Al層和AlNb2相層組成，其中TiAl2層位于（Ti，Nb）Al3層和TiAl層交界處，AlNb2位于原Al/Nb層區(qū)域。

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（編輯：王 萍）