Ti2AlNb基合金的研究进展

Ti2 A1Nb基合金的研究进展 司玉锋 孟丽华 陈玉勇 (1 哈尔滨工业大学科学与工程学院，哈尔滨 150001) (2 营口职业技术学院机电工程系，营口 115000) 文 摘 着重介绍了TizAINb基合金的成分、显微组织及性能，综述了合金元素及热处理工艺对Ti AI． Nb基合金组织性能的影响，介绍了Ti AINb基合金熔炼凝固特性，并展望Ti：AINb基合金的未来。 关键词 Ti A1Nb基舍金，显微组织，性能，影响因素 Research Development of Ti2 A1Nb-Based Alloy Si Yufeng Meng Lihua Chen Yuyong (1 School of Materials Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001) (2 Department of Electmmechanical Engineering，YingkOn Vocational Technology College，Yingkou 1 15000) Abstract In this paper the components，microstructures and properties of Ti2 A1Nb—based alloy is introduced emphatically．The effect of alloy elements and heat treatment process on microstructure of Ti2 AINb alloy is dis- cussed．Th e melt—solidification characteristics of Ti2A1Nb-based alloy are introduced，and the future development of Ti2AINb-based alloy can be expected． Key words Ti2 A1Nb-Based alloy，Microstructure，Property，Affecting factor 1 前言 轻质的1ri Al基合金由于具有突出的高温比强 度和高弹性模量而引起人们的广泛关注 j，成为制 造航空航天发动机的首选材料之一，然而室温时由 于缺乏足够的形变方式和超点阵位错低的可动性等 特点，显示出了室温性脆和韧性低的缺点 j。 1988年Banerjee等人 在Ti一25 一15Nb合金 B相区淬火后回火时首先发现了O相，他们认为O 相是一种畸变的 相(Cmcm空间群)，其成分为Ti： A1Nb。以O相为主要相组成的Ti2AINb基合金具有 较高的比强度、室温塑性、断裂韧性和蠕变抗力，且具 有较好的抗氧化性、无磁性等优点H胡]。O相 Ti：A1． Nb基合金是目前 Ti 基合金研究中的热点 j。 2 Ti2AINb基合金成分、显微组织及性能 2．1 合金成分 Ti2A1Nb基合金的成分通常在 Ti一(18％ 30％)Al一(12．5％一30％)Nb(原子分数，下同)，由 于Nb含量不同，Ti AINb基合金各相区的温度范围 不同，在此基础上热处理得到的Ti：AlNb基合金显 微组织及性能也不同。一般认为当Nb<25％时，在 13／B +O+d 三相区热处理得到三相合金，称为第 一 代O相合金，名义合金成分主要有 Ti一25A1— 17Nb、Ti一21AI一22Nb以及 Ti一22A1—23Nb。其相 组成为 2+B／B2+0。当Nb≥25％时，在B／B2+0 两相区热处理得到的B +0相合金称为第二代 0 相合金 J，其名义合金成分主要有 Ti一22A1— 25Nb、Ti一22A1—27Nb。该合金的特点为高 Nb低 A1，其相组成为B +O相。研究明，O相的强化作 用比 ：相大，经过热处理，得到B：相基体上分布着 O相板条的合金具有最佳的综合性能，特别是合金 具有良好的蠕变性能和抗氧化性能。因此目前各国 研究的重点在第二代O相合金上。 收稿 日期：2005—04—11 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50274035) 作者简介：司玉锋．1969年出生，博士研究生，主要从事Ti3Al基合金的研究工作 一 lO一 宇航材料工艺 2006年 第3期 维普资讯 http://www.cqvip.com 2．2 显微组织及性能 Ti：A1Nb基合金一般由 、O和B：中的两相或三 相构成。其中B ／B相为体心立方结构，B相为无序 bcc结构，B 相为有序bcc结构；or2相为密排六方结构 的有序相；O相为有序正交结构，空间群为Cmcm，其形 成机制存在几种不同观点 。。。一种观点认为，O相形 成于亚稳的B：相；另一种观点认为O相形成于 相。 Bendersky等人【1 通过空间群与子群的关系经过理论 得出，O相的形成有两种方式：一种是O相形成于 相；另一种是B2相经过中间过渡相B 转变为O相， 已经得到实验证实。 ：相与B2相遵从著名的Burgers 位向关系：[111] ／／[1120] ；(011)B)／／(0001) 。 由于0相与Ot2相具有图1所示的点阵关系，其中大圆 圈代表纸面上的原子，小圆圈代表纸面外原子面上的 原子，O相与B：相之间一般具有以下位向关系 ： (001)o／／(110)B2，[110]o／／[111]B2。 a2相 O Nb ●Al 图1 O相(001)面与理2相基面原子投影的比较 Fig．1 Projections of atoms of 0·phase(001)and 理2-phase base face 1ri： Nb基合金在低于650~C进行长时间时效处 理时，会在B：相基体上析出很细的次生O相板条，使 基体B：相硬化，降低了合金的室温塑性。合金显微 组织中，所含仪：相和初生O相的体积分数以及初生 O相和次生0相的板条宽度等显微组织参数对合金 的力学性能具有决定性作用。 ：相(脆性相)体积分 数的增加降低了合金延伸率和蠕变强度，当 ：体积 分数低于8％时合金的力学性能是最好的；初生0相 越多以及B：相基体相对减少导致屈服强度降低、延 伸率略微提高；淬火处理时，B：相基体上析出的次生 0相板条很低，但实验研究表明，初生0相体积分数 过大使材料变脆，初生0相体积分数在63％左右时 材料的屈服强度最大，减小初生O相板条尺寸提高了 拉伸强度，但是以降低蠕变强度为代价；次生O相板 条含量越少蠕变强度越高 。 在制备Tj AlNb基合金时，先形成B2相晶粒尺寸 对合金的力学性能具有很大影响 ¨。细化Ti一22A1 — 27Nb合金中先形成B 相晶粒尺寸是改善合金力学 性能，特别是合金拉伸性能和疲劳性能非常有效的方 法。先形成 B：相晶粒尺寸的减小，提高了合金的拉 伸强度、延伸率和高周疲劳性能；在700~C，形成B2相 晶粒尺寸的减小提高了拉伸强度，但随着温度的继续 升高，形成B：相晶粒尺寸对拉伸强度的影响消失了， 在800~C，B 相晶粒尺寸的影响忽略不计，但先形成 B 相晶粒尺寸的减小提高了合金的延伸率。采用热 机械处理方法可以细化先形成B：相晶粒尺寸。 Nb是 B的稳定元素，由于Ti2A1Nb基合金中 Nb含量比较高，B相稳定元素的存在，为形成 O+ B：相显微组织提供了可能，在以后的热处理过程中， B：相能够保留下来；B：相是塑性相，但单一的B：相 因其晶粒粗大塑性较差，而经过热处理得到 ：相和 O相的复合组织时，经过 相和O相的强化作用， Ti A1Nb基合金的强度和塑性都显著增加，同时板 条状0相的存在，提高了合金的蠕变性能，研究表 明，0相比q 相的强化作用大，0+B 相的Ti A1Nb 基合金具有最佳的综合力学性能。表1是Ti：A1Nb 基合金与几种合金性能的比较_8-9．14-18]。 表1 几种合金的性能比较 Tab．1 Properties of some alloys 宇航材料工艺 2006年 第3期 维普资讯 http://www.cqvip.com 从表l可以看出，Ti：AINb基合金具有比Ti基 合金、 一Ti 基合金、 2一Ti Al基合金高的室温塑 性，且有较高的强度，它虽然比其他几种钛合金密度 大，但比镍合金减轻将近40％，因此，Ti A1Nb基合 金是代替当前广泛使用的重质镍基合金最具竞争力 的一种新型轻质耐高温材料。 3 影响Ti：AINb基合金性能的因素 3．1 合金元素 研究者对Ti：AINb基合金组织性能的影响元素 做了大量研究工作，Nb是 B的稳定元素，提高合金 的塑性，高Nb的Ti：A1Nb基合金具有良好的室温和 高温塑性，但等温氧化实验研究表明，在 Ti—Al— Nb合金系中最佳抗氧化性能的 Nb原子分数是 10％一15％左右，过高和过低的 Nb含量都会导致 加速氧化 ¨；Si具有较强的固溶强化作用，Si提高 Ti2A1Nb基合金在650～700a【=的抗氧化性能‘加 ；W 提高700℃以上的蠕变性能 ；用Ta代替部分 Nb 有利于 Ti：AlNb基合金的组织优化、提高其力学性 能。李世琼等人 副通过 Nb+Ta复合强化，并采用 复合热机械处理工艺，研制出的Ti一22Al一20Nb一 7Ta合金综合拉伸性能为：室温时，or =1．32 GPa， o．2=1．20 GPa，85=9．8％ ；650℃ ，orb=1．09 GPa， or 。 ．：=970 MPa， =14％，与国外研制的O相为基 的合金相比，其屈服强度相当，而延伸率却远远好于 美国研制的Ti一22A1—27Nb合金(占一4％)；Mo、V 为B稳定元素，具有促进 O相形成的作用 ；Mo、 si、zr能够提高合金的蠕变性能 ¨。正确选择合金 的化学成分特别是高的A1／Nb比，抗氧化性能得到 提高，抗氧化性能可与 一TiAI合金相比 ¨。由于 稀土具有众多改善材料组织和性能的优点，笔者研 究了稀土Y对Ti：AINb基合金显微组织的影响 】。 3．2 热处理工艺 热处理工艺通过形成合金相组成来影响合金的 力学性能。很多学者研究了热处理工艺对Ti A1Nb 基合金显微组织及性能的影响 。图2示出了 Ti3Al—Nb合金的伪二元相图 引¨。 从伪二元相图中不同相区进行热处理可以得到 不同的显微组织，它是制定热处理工艺的根据。如 从13相区固溶处理后可以得到单一的B：相组织。 图3是 Kumpfert和 Leyens最近研究 Ti一22A1 — 25Nb合金的相变过程后得到的TTT曲线 ]。高 温p相在1 090~C经有序反应变为 p。(B：相)，在 B 转变温度(1 050℃)以下固溶处理得到 Ot +B。两 相。从 p。相区淬火(120 K／s曲线)可将 B。相保存 到较低温度(p。 )，空冷(9 K／s曲线)过程中则发生 B：相向B19结构的过渡相O 的转变。在900c【=以下 时效，合金按以下顺序发生系列相变：p。 B。 +O 亚稳O O+p。。由过渡相O 经原子短程扩散而 形成的O相也是亚稳的，它将进一步分解为O+B。。 图3还绘出了对应于30％体积分数 B。的曲线。同 时，O+B。两相组织并不稳定，其中B。相将通过分解 反应p。 O+p，变成无序的 p相。这一无序转变 温度一般在875℃和700℃之间。 图2 Ti3A1一Nb合金的伪二元相图 Fig．2 Ti3 A1一Nb pseudo—binary phase diagram l 0 l00o r,d 800 孵 6o0 O 时间，a lO 图3 Ti一22A1—25Nb合金的时间一温度一转变曲线 Fig．3 兀T-cglwefl,of Ti一22A1—25Nb all0y 总之，O相的Ti AINb基合金中的相变极为丰 富复杂。充分掌握这些相变规律是制定合理的热处 理工艺的重要手段。正确的热处理工艺是控制 O 相的Ti AINb基合金显微组织，改善O相的Ti AINb 基合金力学性能的重要因素。 4 TI2AINb基合金熔炼和凝固特性 Ti AINb基合金熔炼工艺的关键是如何保证合 金成分准确、合金元素分布均匀以及合金具有高纯 宇航材料工艺 2006年 第3期 维普资讯 http://www.cqvip.com 净度，特别是低间隙元素 O、N、H含量的控制。Tiz A1Nb基合金各元素之间的熔点、密度和蒸气压等相 差很大。从以前 Ti。Al基合金如 TAC—l的熔炼实 践看。采用真空自耗电弧多次重熔设备及工艺制备 合金时，密度大，熔点高的 Nb元素偏析严重，而低 密度、低熔点的Al元素挥发烧损很大，很难保证合 金成分准确性和均匀性。同时，在多次重熔过程中， 会增加气体和其他杂质的含量 。根据对 Ti一 22AI一25Nb、Ti一23A1—25Nb等合金的熔炼实验经 验，采用水冷铜坩埚真空感应炉(ISM)熔炼有利于 获得理想的Ti A1Nb基合金，其中 的烧损在28． 94％一33．88％(质量分数)之间，Nb、Al等合金元素 应以中间合金形式加入，如Al—Nb中间合金 。 Ti：A1Nb基合金固液两相共存的温度区间较 宽，并且 Nb含量越高，凝固温区越大，与平衡凝固 偏离幅度也越大；Ti：A1Nb基合金的熔炼温度较高， 浇注时所形成的温度梯度比较大，因此在凝固过程 中合金容易形成较大的集中缩孔，同时，由于Al的 挥发，在凝固组织中还容易形成分散的气孔。根据 Ti：A1Nb基合金的凝固特性，应该选择保温性能好 的模具并预热模具，合理设计浇注系统，比如设置冒 口等；对于合金铸锭可以采用热等静压、锻造以及热 机械处理等手段来消除合金内部分散的气孔及小缩 孔，从而得到组织致密的合金铸件。 5 结束语 Ti：A1Nb基合金具有较高的室温塑性及良好的 可加工性能、高的高温比强度，特别是较好的断裂韧 性，是最具开发的有损伤容限性能的轻质高温材料。 目前，世界上许多国家开展了Ti：AJNb基合金的研 究工作，如美国、欧洲、日本和印度等国家都形成了 研究热点。我国北京钢铁研究总院、北京有色金属 研究总院和哈尔滨工业大学等单位也开展了Ti：Al- Nb基合金的研究。随着对Ti2A1Nb基合金的进一 步研究，其性能有望进一步提高，作为轻质的高温材 料将被广泛推广应用。 参考文献 1 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