Ti2AlNb金屬間化合物研究進(jìn)展

劉鵬

摘要：Ti2AlNb是一種極具潛力的航空材料，詳細(xì)介紹該合金特點(diǎn)及性質(zhì)，并介紹該合金研究進(jìn)展，以期該合金得到有效利用。

關(guān)鍵詞：Ti2AlNb;金屬間化合物。

1.Ti2AlNb金屬間化合物簡(jiǎn)介

隨著航空、航天、航海、車輛等對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，在滿足一定加工性能的前提下，制備更高比強(qiáng)度、比模量、服役溫度及綜合性能的新型材料是發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。Ti-Al系金屬間化合物正是順應(yīng)這一需求發(fā)展起來(lái)的一種新型高溫結(jié)構(gòu)材料，它已經(jīng)引起了材料界的廣泛關(guān)注[2-4]。

金屬間化合物是指由兩個(gè)或更多的金屬組元以整數(shù)比（化學(xué)劑量）組成的具有不同于其組成元素的長(zhǎng)程有序晶體結(jié)構(gòu)、且具有金屬基本特性的化合物[5]。金屬間化合物由于其原子排列的長(zhǎng)程有序以及原子間金屬鍵與共價(jià)鍵共存，使其有可能兼顧金屬的較好塑性和陶瓷的高溫強(qiáng)度，從而成為新一代高性能的高溫結(jié)構(gòu)材料。

Ti2AlNb基金屬間化合物是在Ti3Al金屬間化合物基合金的增強(qiáng)增韌研究中新發(fā)展起來(lái)的一類Ti-Al-Nb系金屬間化合物材料。Ti2AlNb基金屬間化合物是在1988年由印度Banerjee率先發(fā)現(xiàn)的。他們發(fā)現(xiàn)Ti3Al基金屬間化合物中隨著Nb含量超過12.5at%時(shí)，出現(xiàn)了一種化學(xué)計(jì)量配比為Ti2AlNb的新相，空間點(diǎn)群為CmCm，屬于有序正交結(jié)構(gòu)（Orthorhombic），使用溫度范圍內(nèi)的平衡組織也由以2相為主逐步變?yōu)橐設(shè)相為主。同時(shí)，研究表明該合金的塑性及斷裂韌性得到進(jìn)一步提高，且強(qiáng)度和蠕變抗力也明顯增強(qiáng)。1989年Rowe[6]正式提出了Ti-Al-Nb系O相合金的概念。

以O(shè)相合金為主要組成相的Ti2AlNb金屬間化合物具有較高的比強(qiáng)度、室溫塑性、高斷裂韌性、高蠕變抗力、低的熱膨脹系數(shù)、無(wú)磁性和阻燃性能好等優(yōu)點(diǎn)，與Ni基高溫合金相比，Ti2AlNb基金屬間化合物從室溫到750℃范圍內(nèi)都具有較高的比強(qiáng)度;與高溫Ti合金相比，可比其使用溫度高200℃，已展現(xiàn)出在航空航天領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。被認(rèn)為具有工程意義的該類金屬間化合物的基本成分范圍為Ti-（22～25）Al-（20～27）Nb。

2.Ti2AlNb基金屬間化合物研究現(xiàn)狀

國(guó)外Ti2AlNb研究工作開展較早，且研究進(jìn)展較快。印度Banerjee領(lǐng)導(dǎo)的研究小組[7-10]首先發(fā)現(xiàn)了Ti-Al-Nb系中的O相結(jié)構(gòu)，并對(duì)O相中的原子占位、O相合金的相平衡、相轉(zhuǎn)變、O相的滑移變形機(jī)制以及O相合金的典型微觀結(jié)構(gòu)，拉伸性能，蠕變性能，蠕變機(jī)制等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。Rowe等人[11]研制的Ti-22Al-27Nb金屬間化合物的室溫抗拉強(qiáng)度b可達(dá)1415MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)1290MPa，室溫延伸率為3.5%，650℃真空抗拉強(qiáng)度b可達(dá)1260MPa，屈服強(qiáng)度0.2可保持在1120MPa，延伸率為8%。日本的Hagiwara等人[12，13]用Mo、W、V取代Ti-22Al-27Nb金屬間化合物中的部分Nb，以進(jìn)一步提高材料的蠕變性能。德國(guó)的Kumpfurt等人[14]研究了Ti-22Al-25Nb的非平衡相轉(zhuǎn)變，得到了Ti-22Al-25Nb的相轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)（TTT）曲線。

美國(guó)已經(jīng)將Ti2AlNb金屬間化合物列為下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵材料，列入了IHPTET計(jì)劃和2003年后續(xù)啟動(dòng)的VAATE計(jì)劃，開展了較大規(guī)模的工作，取得了積極進(jìn)展。目前已試制成功該金屬間化合物壓氣機(jī)內(nèi)環(huán)、機(jī)匣、噴管等部件。在以F119核心機(jī)/驗(yàn)證機(jī)為驗(yàn)證平臺(tái)的CAESAR項(xiàng)目中，Ti2AlNb金屬間化合物壓氣機(jī)機(jī)匣、葉片和輪盤部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的驗(yàn)證被列為其重要研究?jī)?nèi)容。

國(guó)內(nèi)的一些單位，如鋼鐵研究總院、北京有色金屬研究總院、沈陽(yáng)金屬所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等也都開展了Ti2AlNb基金屬間化合物的研制工作，其中鋼鐵研究總院開展研究工作最早，研究成果最顯著。“九五”期間鋼鐵研究總院[15]采用Nb-Ta復(fù)合強(qiáng)化的方法，研制出的Ti-22Al-20Nb-7Ta和Ti-22Al-24Nb-3Ta金屬間化合物綜合力學(xué)性能達(dá)到美國(guó)同類合金水平。“十五”期間為了滿足用戶單位進(jìn)一步降低材料密度和材料成本、改善材料加工性能的要求，新研制了名義成分為Ti-22Al-25Nb金屬間化合物，該金屬間化合物的密度約為5.2g/cm3。典型的室溫拉伸性能斷裂強(qiáng)度b為1150MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)1150MPa，室溫延伸率為7-10%，650℃下的斷裂強(qiáng)度b為1000MPa，屈服強(qiáng)度0.2可保持在900MPa，延伸率為11-15%。北京有色金屬研究總院的吳波[16]等人用CALPHAD技術(shù)計(jì)算了Ti2AlNb金屬間化合物鑄造凝固特性，用量子力學(xué)從頭算法，預(yù)測(cè)了O相合金的有序無(wú)序轉(zhuǎn)變。西北工業(yè)大學(xué)的曾衛(wèi)東等人[17]基于動(dòng)態(tài)材料模型（DMM），建立了 Ti2AlNb基金屬間化合物（Ti-22Al-25Nb）在溫度 940℃～1060℃，應(yīng)變速率0.001s-1～10s-1范圍內(nèi)的加工圖，并利用該圖分析了金屬間化合物的高溫變形特性。

3.結(jié)論

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推重比和功重比的提高，未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)的自身重量將受到更為苛刻的限制。其中先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)要求其重量與流量比需較原有發(fā)動(dòng)機(jī)減少40-50%。因此通過技術(shù)探索，實(shí)現(xiàn)葉盤輕量化將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提升具有重要意義。

采用新型輕質(zhì)高溫材料作為葉盤材料，是實(shí)現(xiàn)其輕量化的一個(gè)重要途徑。Ti2AlNb金屬間化合物是以先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)為主要應(yīng)用目標(biāo)研發(fā)的輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料，具有高比強(qiáng)度、高比模量、低膨脹、抗燃燒等突出特點(diǎn)。以其替代現(xiàn)有高溫合金，可使葉盤材料減重約35%，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高意義重大。

因此有必要繼續(xù)對(duì)Ti2AlNb金屬間化合物進(jìn)一步研究，使其得到廣泛實(shí)際應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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