ial基合金板材的制備與應(yīng)用

ial基合金板材的制備與應(yīng)用

0tial基合金耗材tial固合金密度低，強(qiáng)度高，硬度高，耐氧化性強(qiáng)，抗蟲性強(qiáng)，耐燃料性好。這是一種稀有而有巨大潛力的多孔材料。經(jīng)過20多年的基礎(chǔ)性研究,TiAl基合金的發(fā)展已進(jìn)入實用化研究階段。TiAl基合金板材的制備和應(yīng)用是TiAl基合金實用化中較易實現(xiàn)的一個突破口,也是最重要的研究方向之一。制備的TiAl基合金板材通過超塑性成形,可用于制備航空航天發(fā)動機(jī)的零、部件,超高速飛行器的翼、殼體,發(fā)動機(jī)的渦輪葉片和導(dǎo)彈尾翼等,應(yīng)用前景廣闊。目前研究較多的TiAl基合金板材的制備工藝主要包括熔鑄法(IM)和粉末冶金法(PM)。熔鑄法制備板材,不僅需要在熔鑄后進(jìn)行HIP處理和均勻化熱處理以消除鑄造缺陷和成分偏析,更主要的是由于TiAl基合金的本質(zhì)脆性和難加工變形性,使得對軋制條件要求十分苛刻,需要采用包套軋制和等溫軋制等特殊軋制工藝,提高了工藝成本。元素粉法制備板材,是采用塑性變形性能良好的Ti、Al元素粉作原料,固結(jié)成形后再通過加壓反應(yīng)獲得合金板材,這樣不僅有效地避開了脆性TiAl基合金的變形加工過程,且作為一種近凈成形技術(shù),無需或較少需要后續(xù)機(jī)加工,易于添加合金元素和控制合金成分,可用于制備大尺寸、超薄的TiAl基合金板材,是一種低成本的TiAl基合金板材制備工藝。1元素粉板式的熱壓工藝元素粉法制備TiAl基合金板材,是采用塑性變形性能良好的Ti、Al元素混合粉及其它合金元素粉末作為原料,經(jīng)過壓制、擠壓、軋制等過程成形為混合粉板材,再通過加壓燒結(jié)反應(yīng)合成制備成TiAl基合金板材,其工藝流程如圖1所示。采用熱壓、熱等靜壓、氣壓燒結(jié)等加壓燒結(jié)手段,主要是為了抑制Ti、Al粉末在反應(yīng)時產(chǎn)生大幅度的體積膨脹,促進(jìn)Ti、Al元素粉的致密化行為,有效地消除孔隙,提高板材的致密度。也有工藝采用將原料粉末混合后進(jìn)行包套、抽氣處理,直接通過熱軋或熱等靜壓制備板材。T.J.Jewett等采用將元素粉板材與W、Mo隔板材料疊加后熱壓的方法,成功制備出TiAl基合金板材。為了防止元素粉板材與隔板材料之間直接接觸而發(fā)生互擴(kuò)散反應(yīng),采用Y2O3和BN作為涂覆材料,發(fā)現(xiàn)Y2O3在1400℃時和TiAl之間仍能保持很好的動力學(xué)穩(wěn)定性,制備的TiAl板材和隔板材料也容易分離。為了降低板材中的氧含量,混合后的元素粉末通常要在封裝后加熱至一定溫度進(jìn)行抽氣處理,然后壓制或擠壓成形并反應(yīng)合成。Wang等研究了擠壓變形量對合金致密化的影響,發(fā)現(xiàn)擠壓比由17增大到350,600℃/6h下燒結(jié),孔隙率由31%減小到3%,1350℃/6h下燒結(jié),孔隙率由16%減小到2%。變形量對孔隙尺寸和數(shù)量也有顯著影響,擠壓比越大,孔隙尺寸越小,孔隙數(shù)量越少。細(xì)小的全層片組織可實現(xiàn)TiAl合金的斷裂韌性和抗蠕變性與室溫延性和強(qiáng)度的合理平衡,是一種理想的合金顯微組織,而定向?qū)悠Y(jié)構(gòu),不僅對合金的抗蠕變性有利,還可提高合金的室溫延性和強(qiáng)度。為了制備可控的定向?qū)悠Y(jié)構(gòu),Fukutomi等研究了用疊加的Ti箔和Al箔通過擴(kuò)散反應(yīng)制備TiAl基合金板材。其制備工藝是,經(jīng)過冷軋和退火處理的Ti箔和Al箔,按照合金成分逐層疊加后在真空熱壓爐中合成,并分別在550℃,630℃,1350℃下保溫,最后以5℃/min冷卻到8004℃后爐冷,這4個階段的主要目的分別為:實現(xiàn)Ti箔和Al箔之間的連接、通過反應(yīng)消耗掉Al箔、在α單相區(qū)的固溶處理和實現(xiàn)層片結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。制備的材料經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),該工藝不僅可以獲得具有定向?qū)悠Y(jié)構(gòu)的TiAl基合金板材,而且由于元素箔片是由高純的Ti、Al板軋制而成,其比表面積遠(yuǎn)小于粉末態(tài),所以制備的板材中的氧含量大大降低,這對板材力學(xué)性能的提高非常有利。2ti、al元素粉的作用Ti、Al元素粉末的反應(yīng)合成是一個由擴(kuò)散控制,包括Al3Ti和Al2Ti等中間相生成的復(fù)雜過程。發(fā)生反應(yīng)時,Ti與Al首先在界面通過擴(kuò)散反應(yīng)生成Al3Ti,Al3Ti中的Al繼續(xù)向Ti中擴(kuò)散并在界面上生成Al2Ti、TiAl和Ti3Al。當(dāng)Al3Ti還存在時,Al2Ti和TiAl發(fā)生競爭性擴(kuò)散并同時長大,當(dāng)Al3Ti消耗完后,Al2Ti和Ti3Al相不斷減少,TiAl相不斷增加。到了反應(yīng)后期,TiAl相的長大速度逐漸放慢并趨于平衡,形成TiAl和Ti3Al相共存的最終產(chǎn)物,圖2為反應(yīng)過程的示意圖。反應(yīng)過程可分為以下3個步驟:由于Ti、Al元素之間的偏擴(kuò)散系數(shù)相差很大,在無壓燒結(jié)時會發(fā)生Kirdendall擴(kuò)散,形成Frenkel孔洞。通過測定Ti、Al元素粉反應(yīng)合成時的膨脹曲線發(fā)現(xiàn),材料在660～700℃之間有一個迅速膨脹的過程,分析發(fā)現(xiàn)膨脹主要是由于Al3Ti的形成引起的。因為反應(yīng)時隨著Al的融化,熔融A1在毛細(xì)管力的作用下進(jìn)入首先形成的Al3Ti晶界,表面張力的作用導(dǎo)致Al3Ti晶界破碎。當(dāng)液態(tài)Al消耗完畢后,會形成一種蜂窩狀的Al3Ti包圍著Ti核心的顯微結(jié)構(gòu)。這一多孔Al3Ti結(jié)構(gòu)的孔隙度可達(dá)22%～30%,其厚度取決于Al含量、Ti顆粒尺寸和形狀以及冷壓坯的密度。無壓燒結(jié)時的相對膨脹量可表示為:式中:xAl為粉末中的Al含量,、vTi分別為Al3Ti和Ti的摩爾分?jǐn)?shù),λ為多孔Al3Ti層的相對密度。燒結(jié)后期,材料的體積膨脹達(dá)到最大后,又會出現(xiàn)一定的收縮,這是因為在毛細(xì)管力的作用下,會發(fā)生位錯蠕變過程,使孔洞減小,孔隙率降低。在毛細(xì)管力作用下發(fā)生的空位遷移(Nabarro-Herringcreep)和位錯攀移(Peach-Kohlercreep)隨著溫度的升高和外壓的施加而加速,同時隨著材料變形量的增大而易于進(jìn)行。3對合金致密化的影響元素粉末冶金方法制備的材料,其致密度對材料的性能有重要影響,而影響反應(yīng)合成致密化的因素包括:原料粉末純度、粉末顆粒尺寸分布、壓坯密度、元素粉板材變形量、升溫速率、燒結(jié)溫度、固相反應(yīng)時間以及外加壓力等。原料粉末中的雜質(zhì)尤其是O、N等會在粉末表面形成化合物或在晶界上形成析出物,阻礙Ti、Al元素的擴(kuò)散,嚴(yán)重影響合金致密化過程。原料粉末顆粒越細(xì),顆粒間接觸面積越大,擴(kuò)散距離越短,從而有利于反應(yīng)合成的進(jìn)行。擠壓過程通過大的變形量使粉末在微觀尺度上混合均勻,并將阻礙擴(kuò)散反應(yīng)進(jìn)行的粉末表面的氧化物破碎,使Ti、Al間有更多新鮮表面接觸,產(chǎn)生高的位錯密度,從而有利于擴(kuò)散反應(yīng)的進(jìn)行。通過球磨使粉末發(fā)生大的塑性變形,可使Ti表面附著一層Al,縮短擴(kuò)散距離,從而提高反應(yīng)燒結(jié)形核率,顯著細(xì)化燒結(jié)后的顯微組織,提高燒結(jié)體的密度和力學(xué)性能。升溫速度越快,Ti、Al間固相反應(yīng)進(jìn)行的時間越短,參與后期反應(yīng)的液相A1增加,造成Al3Ti多晶體的大量破碎,對致密化過程不利。在低于Al熔點的溫度下進(jìn)行固相反應(yīng)來制備板材,可大大減小燒結(jié)時的體積膨脹,但該反應(yīng)速度慢,需長時間進(jìn)行。高的燒結(jié)溫度會使反應(yīng)進(jìn)行完全,提高材料致密度,但燒結(jié)溫度過高,會造成材料晶粒粗大,致密度反而下降。增大施加的壓力會在一定程度上促進(jìn)反應(yīng)合成致密化,但壓力過大會造成液相Al的流失,同時增加對設(shè)備的要求。4tial基合金材料反應(yīng)合成后的板材經(jīng)過不同的熱處理工藝,可獲得不同的顯微組織:在共晶溫度(Te)下熱處理,可獲得近γ組織;在共析溫度(Te)和α轉(zhuǎn)化溫度(Tα)之間短時間保溫,可獲得部分層片組織;在共析溫度(Te)和α轉(zhuǎn)化溫度(Tα)之間長時間保溫,可獲得雙態(tài)組織;在α轉(zhuǎn)化溫度(Tα)之上熱處理,可獲得全層片組織。元素反應(yīng)合成的TiAl基合金板材的力學(xué)性能與顯微組織類型和晶粒大小有直接關(guān)系,粗晶全層片組織的斷裂韌性和抗蠕變性較好,但延性和強(qiáng)度較差,等軸原始退火組織、近7組織和雙態(tài)組織的斷裂韌性和抗蠕變性較差,但延性和強(qiáng)度較好。在顯微組織和晶粒尺寸相近的條件下,元素粉反應(yīng)合成TiAl基合金板材的力學(xué)性能比鑄態(tài)TiAl基合金板材的差。這主要是因為反應(yīng)合成的TiAl基合金板材中有較高的雜質(zhì)含量(氧、氮等)和微觀缺陷(孔洞、夾雜),它們嚴(yán)重影響板材的力學(xué)性能。但元素粉法制備的板材因為氯化效應(yīng),在氧化過程中能有效地防止多孔TiO2膜的快速生成而造成Al2O3保護(hù)膜的脫落,改善合金的高溫抗氧化性能。通常要對板材進(jìn)行超塑性成形(SPF),以獲得不同形狀的TiAl基合金板材部件。γ-TiAl可在800～1300℃下實現(xiàn)超塑性。Ti-48Al-2Cr和Ti-47Al-2Cr-0.2Si板材的超塑性成形實驗表明,通過控制合金成分、晶粒大小、應(yīng)變速率,在1100℃下成形復(fù)雜形狀的板材部件完全可行,從而使得Ti合金的超塑性成形設(shè)備也可用于TiAl基合金的成形和規(guī)?；a(chǎn)。成形后的部件需采用適宜的連接工藝實現(xiàn)與其它材料的連接,目前采用的連接工藝包括:電子束焊接、激光束焊接、高溫釬焊和擴(kuò)散焊等。對不同成分的TiAl基合金板材在SPF成形溫度進(jìn)行擴(kuò)散焊研究發(fā)現(xiàn),通過控制焊接時的壓力、時間,可獲得性能優(yōu)良的焊接質(zhì)量。焊后在Tα以上溫度進(jìn)行