粉末冶金制备钛铝合金技术现状及展望

钛铝合金是一种综合性能较好的轻质高温合金,密度低、比强度高、耐热性好,抗高温蠕变性能和抗高温氧化能力的优势较为显著。因其具有很多出众的特点,可以制作飞机发动机和其他耐冲击部件,是目前轻质高温合金中研究的重点方向。Ti-Al合金历经几代的发展,组成成分如表1所示。Ti-Al系金属间化合物主要存在TisAl'TiAl'TiAh几种基本结构。其中TisAl在高温中使用性能不够稳定，抗高温氧化性能较差;TiAh抗高温氧化性能比较突出，但是塑性太差导致机械加工性能不好。钛铝合金在室温下摩擦系数高、耐磨性差，延展性及变形加工性较差;工作温度超过800 °C时，抗高温氧化性能急剧下降;当工作温度超多1000°C时，强度降低。上述缺陷严重制约了钛铝合金的使用范围，研究开发新工艺制备钛铝合金技术显得尤为重要。

一、钛铝合金国内外研究现状

目前钛铝合金可以通过以下几种方法制备:铸锭冶金技术、粉末冶金技术、快速冷凝技术、复合材料技术等。其中粉末冶金技术优势明显，制备出的钛铝合金组织均匀细小，而且便于成型不同形状的零件、变形加工性能良好，有效解决了难于加工成形的问题叫1952年美国的P.Duwez等首次提出钛铝二元系中存在Ti-Al相,以及晶格常数、固溶范围与Ti/Al比的关系叭Ti-Al二元相图如图1所示。上世纪50年代美国学者研究发现，钛铝合金在950°C环境中工作依然可以保持良好的抗氧化性和抗蠕变性能。在随后半个多世纪，美国的研究员投入大量时间研究了钛铝合金的各相性能问。美国国家材料咨询局研究了 Ti-Al合金的各种性质和及未来应用在国防工业的可能性。与此同时，前苏联和日本金属学会以及一些工业发达国家也相继对Ti-Al合金报道了一些研究成果。近些年来，随着科技技术的不断提高，出现了各种性能优良的Ti-Al合金冋。

近年来，我国开发出了新一代的高温高性能高锯钛铝合金材料，被认为是一种性能优越的发动机材料，阻燃、抗氧化、抗蠕变性能十分突出，并且相继开发出了一系列的高锯钛铝合金。高規钛铝合金主要元素有Ti、Al、Nb、C、W、Y ,其中主要元素为Ti,其次铝含量高达45〜46%,Nb含量为8〜10%,是一种均匀的细晶全片层组织，片间距0.3〜0.4pni,晶粒细小。可以在840〜900 °C工作环境中保持良好的使用性能。    标志着我国航空航天发动机材料处于国际领先水平。对于高規钛铝合金，我国具有独立知识产权的高温合金专利,带动了世界范围内该领域的研究开发。

二、粉末冶金制备钛铝合金技术现状

2.1喷射成型技术

喷射成形技术20世纪60年代在传统粉末冶金技术的基础上发展起来的一种快速凝固制坯技术。可以制备出形状各异的半成品坯件，而且该材料密度低、比强度高以及良好的高温蠕变性、抗氧化性，作为一种高温部件广泛应用在航空航天领域中。喷射成形技术也逐步得到材料研究者们的关注,在一些特定的领域中应用亦愈加明显。由于钛铝合金熔点高，容 易与圮塢、伸液管发生反应而产生杂质，因此该技术在钛铝合金制备方向应用相对较为滞后。在喷射成型过程中,金属溶液液滴直接注入到喷射圆锥范围内并快速沉淀凝固成型，减少了何静在高温环境中的氧化时间。成型的钛铝合金微观组织晶粒细小，呈层状或等轴状,其中TiB?增强相与基体充分结合，比其他方法制备的钛铝合金有更高的塑性韧性和蠕变抗

性。刘星星何等基于喷射成型技术制备了钛铝合金。工艺流程如图2所示，首先将粉末钛铝融化成金属溶液,金属液流转化成细小液滴,金属液沿喷嘴的轴线方向飞行，在一定形状的模具中沉淀凝固成型，凝固速度快、组织致密。Ti-Al合金喷射成型技术应用在C-Ti-Al基合金上的报道较为多见,可制备出一系列C-Ti-Al基复合材料。通过添加塑性增强相 TiC、、Al2O3TiN> TiB2> Al2Ti4C2^ Ti5Si3> I^AIN、TiNb、NbC、SiC等的方法来提高C-Ti-Al基合金的塑性韧性。资料显示添加体积分数为10%TiNb颗粒,C-Ti-Al基合金的室温韧性可以提高2倍之多。

2.2粉末注射成型烧结技术

粉末注射成形工艺是一种粉末冶金成形技术,其优势是可以精确制备出形状各异的半成品或成品合金零件。基于TiAl合金粉末注射成型工艺流程，如图3所示。首先将一定质量分数的Ti粉末、A1粉末与石蜡基粘结剂按照一定的比例充分混炼,将其在注塑机上进行注射成型,接着在三氯乙烯溶剂中脱除石蜡基粘结剂，最后在高温下烧结而得到近净成型的TiAl合金问。赵丽明等问利用粉末注射成型技术制备了 TiAl合金。将混炼后的Ti粉末、A1粉末与石蜡基粘结剂在注塑机上注射成型,将成型坯分别称重在三氯乙烯溶剂中脱脂，接着利用真空热脫脂方法脱除残余粘结剂,最后将坯料在高真空铝丝炉中进行高温烧结,得到全片层组织的TiAl合金。实验结果表明：在高温下，烧结体组织起初的双态组织消失殆尽，随着片层团的增加，最终转变为全片层组织;烧结体在A+C相区保温lh时，相对密度分别为73%,在A相区同样保温lh时，相对密度可达到85%0在1450°C 保温30min时,合金的抗压强度达到2105MPa,压缩率为30.9%,相对密度达到95%。粉末注射成型工艺的优势在于适合制备形状复杂的零件，机械加工成本较低,而且十分有利于小尺寸合金的成型，可制备力学性能更好的合金,有效提高成型合金的质量。

2.3自蔓延高温合成钛铝合金

自蔓延高温合成技术是一种利用物质反应热的自传导作用，在极短的时间内利用高温使物质之间产生化学反应，来制备一些熔点较高的金属间化合物或陶瓷等的工艺由前苏联学者在1976年研发并发展至今，其优势为:设备相对简单、能耗较低和生产周期短。于欢等网以不同质量分数的铝粉、钛粉、石墨粉和纳米碳化硅粉末为原料，利用自蔓延高温合成技术制备了 Al-Ti-C-SiC中间合金，研究了不同质量分数SiC纳米颗粒对产物的组成成分和TiC组织形态的影响。认为SiC与Ti发生反应生成TiC和Si,而生成的Si与铝形成Al-Si系合,Al3Ti含量减少。当SiC质量分数为5%时，由于其含量较低，生成的TiC含量也较少而且比较分散,且TiC为八面体晶体结构，颗粒细小，粒度大小在1〜2pm,而少量的AbTi以针状分布。当SiC质量分数增加到10%时,试样组织中存在大量TiC颗粒，为五面或六面体立方体晶体结构,但粒度大小各异导致均一性较差=当SiC质量分数为15%时,TiC颗粒有球化的趋势，

其中颗粒体积增加转变为鹅卵石状，粒度大小各异、均一性差。SiC的加入使得TiC的粒度增大，晶粒球化。在自蔓延高温合成Al-Ti-C中间合金的过程中，随着SiC纳米颗粒含量的增加，TiC晶粒随之增大，同时异常长大的晶粒数量也会增加。

梁宝岩等血采用自蔓延高温合成技术制备钛铝氮陶瓷材料。将Ti粉,A1粉和TiN粉体按照一定的质量分数充分混合均匀在钢模具中压制成厚度约为5mm的坯体，利用自蔓延高温反应得到TizAlN陶瓷材料。

研究不同质量分数的原料对TizAlN组织的影响并分析其形成机制。结果表明:Ti/Al/TiN体系自蔓延高温合成产物主要成分为TiN,Al3Ti和TizAlN。在热反应中,A1的熔点最低，与Ti原子生成Al3Ti,在高温作用下Ti-Al液相包裹住TiN晶粒，发生一系列热反应最终生成板条状的Ti2AlN，合成产物中有少量的Ti3N2,而没有较多的AlxTiy化合物。当Ti粉、A1粉和TiN粉按照1:1:1时，材料主要的相为TiN以及AhTi和少量的Ti2AlN；原料中适当添加过量的Al或Ti粉，材料主要生成的相为TizAlN,可获得预期的钛铝氮材料。

2.4等静压成型技术

利用粉末钛热等静压技术制备出的钛合金材料性能可与锻件相媲美，而且成本较低。合成的钛合金材料致密度高、残余应力小、内部组织均匀细小，而且无缺陷,无织构,无偏析等现象,材料利用率高、生成周期短，易于制备形状复杂的构件佝。近年来我国在粉末钛合金热等静压技术方面取得了 一定进展，开发出一系列性能优越的钛合金材料，应用于航 空航天等重要领域，如航天器、飞机起落架、导弹壳体、航空发动机压气机和引擎排风管、飞机蒙皮等呵。鲍颖阿利用气雾化方法制备了 Ti-47.5Al-2Cr-2Nb-0.2W-0.2B合金粉末,再通过热等静压技术将粉末烧结成形,对其组织、性能进行分析,绘制合金材料的应力-应变曲线，研究了高温变形温度和应变速率对合金的流变应力的影响。实验表明该合金热等 静压烧结后显微组织呈双态组织，晶粒细小、均匀。

三、添加元素对粉末冶金TiAl合金组织和性能影响

TiAl合金是一种重要的高温结构材料,在航空航天军事领域有着举足轻重的作用。而钛铝合金的室温脆性和加工成本颇高限制了合金在很多领域的应用。添加合金元素是制备钛铝合金的发展趋势，可以改善TiAl合金晶体结构;稀土元素不但在合金冶炼中起到脱氧、除硫作用，而且可以细化晶粒、提高合金韧性；在金属基复合材料添加石墨烯可以晶粒细化，改善复合材料综合力学性。针对粉末冶金TiAl合金添加元素可以实现固溶强化和第二相强化，使得TiAl合金在更广泛的应用在各种复杂的高温环境中何，引起了学术界的极大关注。

3.1添加合金元素对粉末冶金TiAl合金组织和性能影响

TiAl合金合金化可以有效改善其性能和作用。赵俊才如在TiAl合金中分别添加Si、Mo、Zr、Mn等合金元素，制备了 Ti-48Al-2Cr-2Nb-0.6x （x=0、Si、Zr、Mo、Mn）合金。研究了合金元素对该合金组织及力学性能的影响，并对合金化后的TiAl合金进行热处理。

实验表明，分别添加的4种合金元素后,都可以形成不同的金属间化合物,作为非均匀形核核心，提高了形核率，最终细化了组织，而且引起晶格畸变，钛铝合金的强度得到了提高。Mn、Si元素的加入阻碍了晶粒的长大,Mn元素提高了钛铝合金的塑性。其中Si元素的作用最为明显，减少合金中等轴状Y晶团的出现，冷却速度变大，而冷却速度越大，合金的组织越细小,力学性能越好。当添加Si的质量分数为0.4%时，合金的屈服强度相比基体合金提升了 35.1%,断裂强度提高了 49.7%,组织细小均匀，片层间距也较小。随后将试样进行热处理,1310°C固溶处理后合金显微组织为含少量等轴7晶团的片层组织;1350°C条件下热处理,其显微组织为晶粒细小的全片层组织，合金呈现了较好的综合力学性能，相对原合金提高了 50%。刘慧初等将Ti粉、A1粉和少量Mg粉按照一定的配比充分混合后真空热压烧结制备碳纳米管/钛铝合金复合材料。

分析了 Mg元素对复合材料组织与性能的影响。结果表明：当Mg含量为1.0%时，材料的组织均匀、细小，较为添加Mg元素的材料显微硬度提高了 24.1%；当Mg含量为2.0%时，层片状组织增多，极大地改善了材料的韧性，相应的硬度有所下降;当Mg含量达到3.0%时,显微组织中出现非层片状组织,过量的Mg原子生成孔隙，导致材料相对致密度降低，硬度急剧下降。

3.2添加稀土元素对粉末冶金TiAl合金组织和性能影响

对TiAl合金而言，加入稀土元素可以细化晶粒、提高塑性。李阳旳通过热等静压将Ti48A12Cr2Nb粉、稀土La粉烧结制备出TiAl基合金，分析合金的组织及性能。研究发现，在1150°C、150MPa压力下保压4h热等静压下制备的合金组织晶粒非常细小，一般不超过30pm,多为等轴丫相。在1420°C、保温2小时热等静压后，合金的组织为一种全片层组织励卄，由白色的足相和灰色的Y相构成。合金中添加La元素后，发挥了于细晶强化和弥散强化的作用，强度增大;当加入过量的La后，由于网状分布和大块状的富La第二相存在,导致性能反而下降。当La含量超过0.5at%时，富La第二相呈网状或大块状，晶团边界存在一些缺陷,如孔洞等,导致致密度会下降。狄玉丽列利用粉末冶金法研究了稀土 LaFs及烧结工艺对多孔Ti-Al合金材料性能的影响。认为添加少量的稀土氟化錮多孔Ti-Al合金的孔隙率影响并不明显，而随着氟化精添加量的增大多孔钛铝的力学性能和开孔率都是呈先增大后减小的趋势。当氟化精的添加量为0.3wt%时为最佳工艺，其弹性模量能达0.97GPa,抗压屈服强度能达到47.52MPa,晶粒细化导致烧结过程中晶粒长大程度略有不同，从而导致开孔率变大。

3.3添加石墨烯对粉末冶金TiAl合金组织和性能影响

石墨烯的力学性能优异,加入到合金中可以制备综合力学性能更高的TiAl合金。李文文采用冷压压制和真空热压烧结技术在TiAl合金粉末中添加了片状石墨烯，制备了石墨烯/TiAl基合金自润滑复合材料。研究不同含量的石墨烯对材料的物理性能及力学性能的影响。首先石墨烯与基体界面结合良好,而且其本身强度很高,使材料受到的应力相应的减少，材料制备过程中的化学反应生成了少量的TizAlC相起到第二相强化的作用。但是随着石墨烯含量的增多，有一些石墨烯团聚在一起，最终导致材料内部空洞增多而影响了使用性能。随着石墨烯含量的增多，材料的冲击韧性并没有发生明显变化，而密度、硬度和强度呈现先增加后降低的趋势。当石墨烯的质量分数为0.7%时为最工艺,材料的综合力学性能最好。同时针对复合材料进行了干摩擦磨损试验,认为在高温环境中，复合材料表面产生一层由共晶体润滑剂和石墨烯共同作用的润滑膜，使得材料润滑特性十分优良。

四、其他工艺及展望

近年来将微波应用在粉末冶金领域中来制备新材料越来越得到各国学者们的广泛关注。罗铜等利用微波烧结钛铝粉末，制备出钛铝合金，分析了试样的显微结构、密度和硬度，认为物料配比、压坯压力、烧结温度等因素对TiAl合金性能的影响较为明显。当氢化钛含量低于15%时,随着氢化钛含量的增加,合金的密度逐渐降低、而硬度逐渐上升;烧结温度越高,合金的硬度越大，当烧结温度达到800 °C时，试样两相分布较为均匀；当压坯压力为20MPa时，合金的硬度较大，但是过高压力会抑制金属的液相流动，导致钛铝两相分布不均匀,影响了合金的硬度。钛铝合金性能优良，为了满足日益提高的性能要求，开发低成本、设备简单的新工艺是目前研究的热点岡。在粉末冶金技术中制备TiAl合金过程中，施加一定的压力，可以使合金组织更加均匀细小。

相对热等静压技术高昂的加工费用，在普通加热炉中采用增加配重的方法来实现机械式的增压,Ti、Al粉末在高温、压力下烧结成型。该工艺设备简单、易于实现，有望得到与利用热等静压技术制备的合金性能相媲美的TiAl合金,而且生产成本较低。

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