ial基合金薄板成形技術(shù)研究進(jìn)展

ial基合金薄板成形技術(shù)研究進(jìn)展

目前，新一代高性能回來(lái)飛機(jī)的翼蒙皮和發(fā)動(dòng)機(jī)部件的服役溫度顯著提高。鈦合金和某些高溫材料的要求無(wú)法滿足。另一方面,若采用低密度的新型高溫合金替代現(xiàn)有的鎳基高溫合金,也可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)重量,從而大幅度提高熱效率和降低燃料消耗。TiAl基金屬間化合物兼有金屬的韌性和陶瓷的高溫性能,具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、剛度和低密度以及優(yōu)異的抗氧化性能、抗蠕變性。新近開(kāi)發(fā)的第三、四代TiAl基合金使用溫度可以達(dá)到900~1000℃。其性能達(dá)到最好的變形鎳基高溫合金的水平,而其密度僅有4.3g/cm3,是鎳基高溫合金的一半,比一般鈦合金還低。目前最先進(jìn)的鈦合金使用溫度不超過(guò)600℃,因此,TiAl基合金是替代鈦合金和鎳基高溫合金的理想材料,擁有廣闊的應(yīng)用前景,一直是近年來(lái)材料科學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)研究熱點(diǎn)[1~5]。經(jīng)過(guò)最近幾十年來(lái)廣泛而深入的研究,TiAl基合金的性能不斷提高,其中部分性能已經(jīng)接近甚至達(dá)到了實(shí)際工業(yè)化應(yīng)用的要求。在實(shí)用化研究領(lǐng)域中,TiAl基合金薄板成形技術(shù)是最為重要的研究課題之一。然而,由于TiAl基合金的室溫延性和加工成形性差,薄板材的制備難度很大,得到真正實(shí)用意義上的航空航天用薄板還需在合金設(shè)計(jì)思路、成形工藝、有限元分析及材料性能改進(jìn)等方面開(kāi)展更加深入的研究。本文綜述了TiAl基合金薄板材成形技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,以及合金薄板材在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展。1熱加工性技術(shù)TiAl基合金作為低密度高溫結(jié)構(gòu)件的首選材料,其各種規(guī)格的板材及箔材將有著廣泛的應(yīng)用前景。因此用平面軋制方法制備板材和箔材一直是TiAl基合金研究開(kāi)發(fā)工作的一個(gè)重要內(nèi)容。自20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始,一些通過(guò)合金化使塑性得到改善的TiAl基合金,常沿用下述工藝:合金鑄錠經(jīng)高溫開(kāi)坯鍛成板坯→熱軋變形加中間退火→軋后熱處理退火[7~9],或者熱軋板材退火處理→冷軋變形加中間真空退火→最終真空退火[10~13]。目前,大多數(shù)合金化設(shè)計(jì)的TiAl基合金熱加工性能均得到了不同程度的提高,已經(jīng)相繼開(kāi)發(fā)出等溫(包套)軋制技術(shù)、鑄軋技術(shù)、單元素箔片疊軋反應(yīng)合成技術(shù)[18~20]、多元素混合粉冷軋反應(yīng)合成技術(shù)(簡(jiǎn)稱元素粉法)、物理氣相沉積(PVD)技術(shù)、等離子噴涂(PS)軋制技術(shù)、激光成形技術(shù)(LS)和注射成形技術(shù)(MIM)等。這些TiAl基合金薄板的成形技術(shù)根據(jù)材料成形前的原料初始狀態(tài)可以分為4大類:鑄造冶金工藝、元素粉合成工藝、合金粉成形工藝和單元素箔板疊軋工藝。1.1tial基合金鑄件的制備鑄造冶金工藝是采用TiAl合金鑄錠,在足夠高的溫度和足夠低的應(yīng)變速率下進(jìn)行等溫或準(zhǔn)等溫加工,制備TiAl合金薄板材料。Koeppe總結(jié)了用鑄造冶金工藝特殊軋制技術(shù)成功制備TiAl基合金薄板的3個(gè)條件:(1)在高溫α+γ相區(qū)進(jìn)行近似等溫的軋制;(2)嚴(yán)格控制軋制工藝參數(shù)(軋制速度和道次壓下量);(3)采取必要措施防止TiAl基合金在變形過(guò)程中被氧化。在鑄造冶金工藝的分類中,還有一種特殊的成形技術(shù)——鑄軋技術(shù)。該技術(shù)將鑄造和熱軋過(guò)程合并在一起,不但簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝,而且縮短生產(chǎn)周期,節(jié)省能源,降低成本,是一種非常有潛力的TiAl基合金薄板成形技術(shù)。圖1為鑄軋工藝的示意圖。1991年Matsuo等首次將該技術(shù)應(yīng)用于TiAl基合金薄板的制備。鑄軋技術(shù)使板材的顯微組織細(xì)化,綜合力學(xué)性能提高。Hanamura在TiAl基合金鑄軋過(guò)程中添加TiB2,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,TiB2顯著細(xì)化了合金板材的顯微組織。未添加TiB2的TiAl基合金鑄軋薄板的平均晶粒尺寸為2000μm,而TiAl-1at%TiB2鑄軋薄板的平均晶粒尺寸為10μm,而且添加TiB2還可以減弱TiAl基合金鑄軋組織的梯度分布,使得TiAl基合金鑄軋組織中心區(qū)與邊緣區(qū)分布均勻。鑄軋TiAl-1at%TiB2合金的顯微組織為均勻細(xì)小的片層晶粒,具有良好的室溫延性(2.1%)和高溫強(qiáng)度(1100℃的σy為200MPa)?？傮w上看,鑄造冶金工藝對(duì)設(shè)備要求高,成本高,加工周期長(zhǎng),材料利用率低,難于制備大尺寸薄板材。國(guó)內(nèi)外科研人員開(kāi)始傾向于采用常規(guī)塑性加工方法將元素粉或合金粉壓結(jié)成形,再通過(guò)燒結(jié)實(shí)現(xiàn)致密化。這樣不僅避開(kāi)了脆性TiAl基合金的加工變形過(guò)程,避免了為消除鑄錠中的鑄造缺陷和成分偏析所需要的HIP處理和均勻化熱處理以及后續(xù)機(jī)加工,并且有望實(shí)現(xiàn)近凈成形,具有材料利用率高,成本較低的優(yōu)點(diǎn)。另一方面,隨著高性能粉末制備和致密化工藝水平的不斷發(fā)展和提高,粉末TiAl基合金的室溫脆性已基本解決,合金的一些力學(xué)性能已達(dá)到甚至超過(guò)鑄造合金,有的接近于鍛造合金。1.2元素粉燒結(jié)制備tial基合金材料元素粉軋制合成工藝制備TiAl基合金薄板,是采用成形性較好的Ti,Al元素粉以及其它易加工的合金元素粉末,將預(yù)先配制的粉末均勻混合、壓制成形和軋制出混合粉薄板材料,然后在真空或保護(hù)氣氛條件下高溫反應(yīng)合成TiAl基合金薄板,或?qū)⒃戏勰┚鶆蚧旌虾笱b入包套進(jìn)行抽真空處理,再經(jīng)熱等靜壓和熱軋制備TiAl基合金薄板。由于Ti,Al兩元素之間的擴(kuò)散系數(shù)相差很大,在無(wú)壓燒結(jié)時(shí),Ti,Al元素粉末的反應(yīng)合成是一個(gè)由擴(kuò)散控制(包括TiAl3和TiAl2等中間相生成)的復(fù)雜過(guò)程,會(huì)發(fā)生Kirdendall擴(kuò)散,形成Frenkel孔洞,從而產(chǎn)生大幅度的體積膨脹。因此,Ti,Al元素粉末的反應(yīng)合成必須采用熱壓或熱等靜壓等加壓燒結(jié)手段,抑制體積膨脹,消除孔隙,促進(jìn)Ti,Al元素粉的致密化,從而提高板材的致密度和力學(xué)性能。此外,混合后的元素粉末通常要進(jìn)行真空封裝,以便控制氧含量及其他雜質(zhì)氣體的影響。研究還表明,采用粒度小的粉末或?qū)Ψ勰┻M(jìn)行擠壓、球磨等處理,有利于提高燒結(jié)體的致密度。燒結(jié)粒度小的粉末時(shí),擴(kuò)散距離短,燒結(jié)活性大。而通過(guò)擠壓或球磨過(guò)程,以及經(jīng)過(guò)大的變形量,可以產(chǎn)生高的位錯(cuò)密度,有利于粉末在微觀尺度上混合均勻,并將粉末表面的氧化層破碎,使Ti,Al間有更多的新鮮表面接觸,從而有利于擴(kuò)散反應(yīng)的進(jìn)行。擠壓變形量對(duì)合金致密化的影響研究發(fā)現(xiàn),擠壓比由17增加到350,600℃,6h燒結(jié),孔隙率可由31%減小到3%,1350℃,6h燒結(jié),孔隙率可從16%減小到2%。變形量也是影響孔隙尺寸和數(shù)量的一個(gè)重要因素,擠壓比越大,孔隙尺寸越小,孔隙數(shù)量也越少。多元素混合粉法制備TiAl基合金板材,不僅避開(kāi)了TiAl基合金的本質(zhì)脆性和熱加工變形難的問(wèn)題,而且無(wú)需包套軋制或等溫軋制等苛刻的工藝。這種方法作為一種近凈成形工藝,無(wú)需熔鑄和較少需要后續(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。圖2所示的是中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用元素粉軋制合成工藝制備的TiAl合金薄板材料,其尺寸可以達(dá)到500mm×230mm×1.3mm。但該工藝的主要缺點(diǎn)是制品中氧含量和雜質(zhì)含量不易控制,燒結(jié)性能較差,板材密度、均勻性和力學(xué)性能還有待進(jìn)一步提高。1.3合金粉的制備預(yù)合金粉成形工藝是指采用部分合金化或完全合金化的TiAl基合金粉末為原料來(lái)制備TiAl基合金板材的工藝。一般可采用惰性氣體霧化、等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化、機(jī)械合金化、自蔓延高溫合成等方法制備的合金粉,再經(jīng)熱等靜壓、物理氣相沉積(PVD)、等離子體噴涂(PS)或激光成形(LS)等技術(shù)制備成具有一定致密度的板材,然后通過(guò)熱軋或冷軋加退火處理實(shí)現(xiàn)致密化[23~26]。其中,霧化法已是一種較為成熟的合金粉制備工藝。該方法制備的合金粉末具有較好的球形度和均勻的粒度,而且顆粒內(nèi)的微觀組織具有快冷組織特征,采用保護(hù)氣氛又可使氧化物夾雜降到最低程度。與元素粉法板材制備工藝相比,合金粉法制備的TiAl基合金板材氧含量及雜質(zhì)含量低,成分均勻性好,燒結(jié)時(shí)易于實(shí)現(xiàn)致密化,力學(xué)性能優(yōu)良,部分性能可與熔鑄法相當(dāng),但合金粉的制備工藝要求較高,增加了技術(shù)成本。1.3.1tial基合金薄膜的冷卻技術(shù)熱等靜壓熱軋技術(shù)是由奧地利PlanseeAG公司開(kāi)發(fā)的TiAl基合金薄板成形技術(shù)中的PM方法,將高壓氣霧化合金粉末裝入特種合金包套中,在一定溫度條件下抽真空,達(dá)到要求指標(biāo)后,將包套封焊后再進(jìn)行熱等靜壓處理,實(shí)現(xiàn)全致密化。試樣去除包套后,經(jīng)表面處理后再進(jìn)行熱軋得到TiAl基合金薄板。圖3所示是HIP熱軋技術(shù)的工藝流程圖。該方法所得TiAl基合金薄板的顯微組織均勻細(xì)小,氧含量較低,但是存在少量顯微孔洞(1~3μm)。這主要是由于在合金霧化制粉過(guò)程中產(chǎn)生一些中空的顆粒,一些氬氣被封閉在這些顆粒中,不能在脫氣過(guò)程中消除,在高溫成形時(shí)被釋放從而形成孔洞。這些孔洞對(duì)材料的靜態(tài)拉伸性能影響不大,但是對(duì)于材料的蠕變性能和超塑性會(huì)有不良影響。1.3.2非晶tial基合金材質(zhì)物理氣相沉積技術(shù)成形TiAl基合金薄板是一種新興的技術(shù),它采用快速凝固、機(jī)械合金化和物理氣相沉積等非平衡工藝,可制備細(xì)晶和非晶TiAl基合金。或通過(guò)同步壓制和結(jié)晶過(guò)程將TiAl基非晶轉(zhuǎn)化為納米晶,細(xì)晶組織能夠降低TiAl基合金的脆韌轉(zhuǎn)變溫度,提高合金延性。圖4是PVD技術(shù)制備TiAl基合金薄板的設(shè)備示意圖。Senkos等人采用物理氣相沉積方法制備了非晶TiAl基合金板材,并對(duì)其結(jié)晶動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究。其制備過(guò)程為:在密閉的真空容器中,采用磁控管濺射沉積TiAl預(yù)合金板材,沉積前保持容器的高真空,沉積時(shí)以一定速度通入一定壓力的高純氬氣。直徑152mm、功率500W的濺射槍將合金粉末濺射到相距100mm的拋光銅板上,采用水冷控制拋光銅板的溫度在40℃以下。經(jīng)過(guò)48h的沉積,即可獲得0.15mm厚的TiAl基合金板材。采用PVD這種非平衡方法制備TiAl基合金板材,可以獲得細(xì)晶/非晶/納米晶組織,可改善合金的延性等性能。但物理氣相沉積設(shè)備昂貴,會(huì)提高加工成本。1.3.3等離子噴涂制備工藝等離子噴涂軋制工藝采用等離子噴涂方法制備預(yù)成形坯,再通過(guò)軋制制備板材,將TiAl基合金的成形和熔煉結(jié)合起來(lái),是一種工藝簡(jiǎn)單、材料利用率高、制備高質(zhì)量TiAl基合金薄板工藝(如圖5所示)。等離子噴涂軋制工藝先采用等離子體旋轉(zhuǎn)電極制備預(yù)合金粉,然后在一個(gè)充有氬氣的真空容器內(nèi)進(jìn)行等離子噴涂,粉末通過(guò)固定在真空腔頂部中央的等離子體槍供給能量,部分融化的粉末以小液滴的形式沉積在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的、沿軸向運(yùn)動(dòng)的基材上。沉積后的預(yù)成形坯的相對(duì)密度可達(dá)95%。為了將殘余孔隙閉合,再采用專利軋制技術(shù)對(duì)預(yù)成形坯進(jìn)行軋制,并進(jìn)行固溶處理,最后進(jìn)行冷軋加退火處理。該工藝制備的薄板可實(shí)現(xiàn)全致密,組織細(xì)小,化學(xué)成分均勻。等離子噴涂后的預(yù)成形坯密度較高,軋制時(shí)的變形量不大,因此板材內(nèi)不易形成由于結(jié)晶織構(gòu)而造成的力學(xué)性能的各向異性。1.3.4維實(shí)體模型隨著高質(zhì)量預(yù)合金粉的獲得,采用激光成形TiAl基合金成為可能。激光成形是采用計(jì)算機(jī)將零件的三維實(shí)體模型通過(guò)分層切片處理成離散化的二維層面,控制成型機(jī)進(jìn)行激光逐層燒結(jié)制備材料的一種先進(jìn)技術(shù)(見(jiàn)圖6)。美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)采用激光成形技術(shù),用大功率的CO2激光器,通過(guò)計(jì)算機(jī)在三維方向的控制,成功制備了TiAl基合金板材,板材的顯微組織細(xì)小,拉伸性能與其它方法制備的材料相當(dāng)。1.3.5幾何形狀復(fù)雜,組織結(jié)構(gòu)均勻粉末注射成形工藝是當(dāng)今最熱門的一種新型零部件近凈成形技術(shù),適合制造幾何形狀復(fù)雜、組織結(jié)構(gòu)均勻、高性能零部件,具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。日本的Tomita嘗試采用這種方法制備復(fù)雜形狀的薄壁TiAl基合金部件,部件的相對(duì)密度達(dá)95%,800℃時(shí)的強(qiáng)度可維持在400MPa。1.4tial基合金材質(zhì)的擴(kuò)散合成用合金粉工藝制備的TiAl基合金薄板具有氧含量及雜質(zhì)含量低,成分均勻性好和燒結(jié)時(shí)易于實(shí)現(xiàn)致密化等其它方法不可替代的優(yōu)勢(shì),但預(yù)合金粉的制備對(duì)工藝要求較高,大大地提高了制備成本。于是有研究者開(kāi)始嘗試由高純Ti,Al板軋制制成TiAl基合金板材,因其比表面積遠(yuǎn)小于粉末態(tài),可顯著降低板材中的氧含量。Fukutomi等人研究了用疊層的Ti箔和Al箔通過(guò)擴(kuò)散反應(yīng)來(lái)制備TiAl基合金板材,將所用的Ti箔和Al箔進(jìn)行冷軋和退火處理后,按照合金成分逐層疊加后在真空熱壓爐中反應(yīng)合成,其間分別在550,630,1350℃下保溫,并以5℃/min冷卻到800℃后爐冷。工藝中4個(gè)階段的主要目的分別為:實(shí)現(xiàn)Ti箔和Al箔之間的連接,通過(guò)反應(yīng)消耗掉Al箔,在α單相區(qū)進(jìn)行固溶處理,最后實(shí)現(xiàn)層片結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。該工藝不僅可制備氧含量低,力學(xué)性能良好的TiAl基合金板材,而且可以通過(guò)控制軋制Ti箔中的織構(gòu)和擴(kuò)散反應(yīng)工藝,獲得具有定向?qū)悠Y(jié)構(gòu)的TiAl基合金板材,改善材料的抗蠕變性和室溫延展性。David等人研究了將疊層的Ti,Al箔通過(guò)自蔓延高溫合成制備TiAl基合金板材,制備的板材的σUTS可達(dá)460MPa。Jewett等人采用將元素粉板材與W,Mo等隔板材料疊層后熱壓的方法,成功地制備出TiAl基合金板材。為了防止元素粉板材與隔板材料之間因直接接觸而發(fā)生互擴(kuò)散反應(yīng),采用Y2O3和BN作為涂覆材料,結(jié)果在1400℃時(shí)Y2O3和TiAl之間仍能保持良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性,且制備的TiAl薄板材和隔板材料容易分離。2tial基合金材料和立體器的應(yīng)用TiAl及其合金的研究可以追溯到20世紀(jì)50年代中期,但由于當(dāng)時(shí)無(wú)法克服其室溫脆性較高的難題而未能引起人們的廣泛關(guān)注。直到20世紀(jì)70年代,一些相關(guān)的技術(shù)開(kāi)發(fā)工作才相繼涌現(xiàn)。1975年至1983年,由美國(guó)空軍材料實(shí)驗(yàn)室完成了第一個(gè)TiAl基合金的開(kāi)發(fā)研究計(jì)劃,由此引發(fā)了國(guó)際性金屬間化合物研究熱潮。美國(guó)能源部、海軍、空軍和宇航局及許多相關(guān)的大公司也相繼投入了很大力量進(jìn)行TiAl基合金的研究。20世紀(jì)80年代初,由于TiAl基合金室溫脆性的改善,尤其是在美國(guó)宇航局近年制定的國(guó)家航空航天飛機(jī)(NASP)計(jì)劃、高溫發(fā)動(dòng)機(jī)材料技術(shù)發(fā)展計(jì)劃(HITEMP)以及宇航局和國(guó)防部聯(lián)合實(shí)行的一項(xiàng)發(fā)展高性能軍用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)劃中,均將TiAl基合金作為優(yōu)先發(fā)展的材料,從而在世界范圍內(nèi)掀起了一股TiAl基合金的研究熱潮。計(jì)劃中,特別委托Rockwell公司進(jìn)行了TiAl基合金的研究與開(kāi)發(fā)。日本從20世紀(jì)80年代初開(kāi)始,以科學(xué)技術(shù)廳金屬材料技術(shù)研究所為主進(jìn)行了TiAl基合金的研究,并提出了以“官-產(chǎn)-學(xué)”結(jié)合的方式推行這項(xiàng)研究計(jì)劃。隨后,德國(guó)、澳大利亞、加拿大、英國(guó)、俄羅斯等國(guó)家也相繼發(fā)展TiAl基合金。進(jìn)入90年代后,美、日、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家已將TiAl基合金列為重點(diǎn)發(fā)展的未來(lái)高溫結(jié)構(gòu)材料,對(duì)其研究的范圍已從初期的合金化、變形機(jī)理等基礎(chǔ)性研究,轉(zhuǎn)向以選擇最佳成分,研究合適加工工藝,以提高使用性能,尤其是提高其高溫使用性能等為主的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。目前,TiAl基合金的室溫延展性低等問(wèn)題已基本上得到了解決,各種性能已接近實(shí)用化的要求。因此,研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到TiAl基合金的近凈成形技術(shù),已進(jìn)行實(shí)用化試驗(yàn)。世界各發(fā)達(dá)國(guó)家已先后制造出了各種TiAl基合金零部件,并成功地進(jìn)行了一系列臺(tái)架試驗(yàn)。如美國(guó)通用電氣公司將Ti-47A1-2Cr-2Nb合金鑄造的低壓渦輪葉片,裝配到CF6-80C發(fā)動(dòng)機(jī)上,經(jīng)受了1000次循環(huán)模擬飛行試驗(yàn);Pratt-Whitney公司的高壓渦輪葉片座也通過(guò)了發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn);日本的一家公司也成功地制造出了TiAl基合金渦輪增壓器轉(zhuǎn)子并通過(guò)了一系列臺(tái)架試驗(yàn)。TiAl基合金板材的應(yīng)用被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)TiAl基合金實(shí)用化的突破口之一。1989年,Texas儀器公司采用鑄造冶金工藝以實(shí)驗(yàn)規(guī)模成功地冷軋出了γ-TiAl箔材。美國(guó)的Semietin等采用包套熱軋工藝制備的TiAl基合金薄板的最大尺寸為700mm×400mm;日本的研究人員研制出了可以實(shí)現(xiàn)TiAl基合金軋制過(guò)程等溫變形的等溫軋輥;由德國(guó)和澳大利亞研究人員組成的Clemens研究小組在改進(jìn)Semietin的包套熱軋工藝的基礎(chǔ)上,成功地開(kāi)發(fā)出了ASRP工藝。此項(xiàng)工藝通過(guò)設(shè)計(jì)特殊的包套和嚴(yán)格控制熱軋時(shí)的應(yīng)變速率,實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)有鋼材軋制設(shè)備上制備出了晶粒尺寸在5~20μm之間的無(wú)缺陷的Ti-48Al-2Cr和Ti-48Al-2Cr-0.2Si合金板材,其最大尺寸達(dá)到1600mm×400mm×1.0mm,隨后他們就開(kāi)始采用超塑性成形和擴(kuò)散焊接技術(shù)制備低壓渦輪葉片。此外,還可以采用Al箔和Ti箔作原材料,通過(guò)疊軋工藝制備出具有一定層片取向的TiAl基合金薄板材[18~20]。元素粉軋制合成技術(shù)同樣具有技術(shù)上的優(yōu)勢(shì),制備出了厚度為20μm的超薄板材。我國(guó)在“七五”期間(1986~1990年)將TiAl作為一項(xiàng)前沿課題列入“863”高技術(shù)新材料研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃,研究重點(diǎn)為TiAl基合金的基礎(chǔ)理論研究和力學(xué)性能改善