TiAl 合金板材的制备及研究现状

杨 非,孔凡涛,陈玉勇,肖树龙

(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨150001)

TiAl 合金板材的制备及研究现状

杨 非,孔凡涛,陈玉勇,肖树龙

(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨150001)

本文综述了铸锭冶金和粉末冶金方法制备TiA l合金板材的工艺和国内外研究现状,介绍了铸轧技术、流延成形以及物理气相沉积等方法制备TiA l合金板材的工艺过程和材料性能,论述了上述方法的特点和发展趋势。

TiA l合金板材;铸锭冶金;粉末冶金;发展趋势

TiA l合金有金属键和共价键共存,使之兼有金属与陶瓷的性能,如高熔点、低密度、高弹性模量、高的高温强度(700～900℃)、良好的阻燃能力以及优异的抗氧化性能和抗蠕变性能等特点,被视为是一种具有广阔应用前景的新型轻质耐高温结构材料,主要应用于航空航天及汽车等领域,如发动机用高压压缩机叶片、高压涡轮叶片、低压涡轮、过渡导管梁、排气阀、喷嘴等[1-4]。然而,由于TiA l合金的室温塑性低,成形性差,限制了其广泛应用[5]。为了克服这些不足,近年来世界各国研究者们一直致力于TiA l合金的成分、微观组织与力学性能之间的关系以及加工行为的研究[6-13],促使发展了多种具有优异综合性能的TiA l基合金材料和不同加工方法。作为超音速飞行器和未来涡轮发动机的结构部件以及热防护系统使用的结构材料,TiA l合金板材和箔材的制备是非常必要的[14]。美国NASP(National Aerospace Plan)计划和欧洲的“Hermes and Sanger”计划把TiA l合金板材或箔材列为应用于600～900℃的高温航空结构材料。目前,国内外多家科研单位开展了对TiA l金属间化合物板材的制备及性能研究,并取得了丰硕的研究成果。

总体来说,TiA l合金板材的制备方法及技术包括铸锭冶金法(Ingot M etallurgy,IM),粉末冶金法(Pow der M etallurgy,PM),EB2PVD技术,流延成形技术(Tape Casting)等。本文综述了国内外TiA l合金板材的制备技术及研究现状,并提出了TiA l合金板材制备方法的发展趋势。

1 铸锭冶金法制备TiAl合金板材

采用铸锭冶金法制备TiA l合金板材加工路线如图1所示,先进行熔炼制造出TiA l合金铸锭,随后采用热等静压和均匀化退火处理消除铸锭中的微观孔洞、疏松和成分偏析等组织缺陷,然后在一定温度区间((α+γ)两相区)和一定应变速率(<10-2s-1)条件下,采用一次或多次锻造来细化铸造组织,随后进行热处理,为轧制做准备。通常锻造的总体变形量达到80%以上。为了防止TiA l合金在锻造和轧制过程中,铸锭和锻饼发生开裂现象,一般多采用包套锻造和包套轧制技术,包套材料通常选用不锈钢。板材的轧制温度区间一般选择在(α+γ)两相区,轧制时要充分考虑轧制速度和道次变形量两个工艺参数。轧制速度太快,道次变形量过大,板材易发生开裂现象,导致轧制失败;若轧制速度太慢,温度散失又太快,从而使得TiA l合金材料的变形抗力提高,板材也容易发生开裂现象,成功的包套轧制技术必须满足以下条件[15,16]:(1)在(α+γ)两相区进行近等温轧制;(2)为了防止TiA l合金材料在轧制过程中发生宏观或微观开裂现象,必须选择合适的道次变形量和轧制速率;(3)采取措施,防止TiA l合金材料在轧制过程中发生氧化行为。

图1 TiAl合金板材加工路线Fig.1 Manufacturing routs of TiA l alloys

德国GKSS研究所与奥地利Plansee AG公司联合研究,早在20世纪90年代就已成功地采用铸锭冶金法制备了TiA l合金板材,其名义成分为Ti247A l2 2Cr20.2Si和Ti248A l22Cr(原子分数/%)[17],其中Ti2 47A l22Cr20.2Si合金板材经过热处理,得到了四种不同的组织形态(退火态,近γ,双态和全层片),其室温延伸率可以达到0.8%～1.5%,屈服强度为380～550M Pa,Ti248A l22Cr合金板材的室温延伸率可达5%。并且这两种合金板材显示出较好的超塑性,图2为Ti247A l22Cr20.2Si合金板材经超塑成形后的复杂部件。近年来,Plansee AG公司发明了一种先进的TiA l合金板材轧制技术(Advanced Sheet Rolling Process,ASRP)[14],该技术能够利用传统的热轧机在(α+γ)两相区低速轧制出大尺寸的TiA l合金板材,目前采用该技术能够成功轧制出TiA l合金板材的最大尺寸可达1800mm×500mm×1.0mm,常规条件下能够轧制出TiA l合金板材的尺寸为800mm×400mm ×1.0mm。美国对TiA l合金板材的包套轧制技术也进行了大量的研究[18-22],已有报道,美国能轧制的最大TiA l合金板材的尺寸为700mm×400mm,而板材的性能未见详细报道。俄罗斯超塑性问题研究所发明了一种新型的TiA l合金板材的轧制技术[23],该技术实现了低温轧制TiA l合金板材,工艺路线如下:TiA l合金铸锭经热等静压后在(α+γ)两相区进行第一步等温锻造,随后在共析温度(Te)以下进行球化退火,退火后的锻饼再在Te温度以下进行第二步锻造,之后锻饼在T

图2 Ti247Al22Cr20.2Si[17]于1000℃条件下在工业超塑成形机上成形的超塑性部件Fig.2 Ti247Al22Cr20.2Si[17]part formed on an industrial SPF facility at 1000℃

与国外相比,我国采用铸锭冶金法制备TiA l合金板材的技术还存在很大的差距,据文献报道,中南大学[24]和北京科技大学[25]先后采用包套轧制技术制备了成分为Ti248A l22Cr20.5Mo(原子分数/%)和高铌TiA l合金板材,其板材厚度分别可达217mm和216mm,而关于板材的力学性能和详细尺寸未见报道。哈尔滨工业大学采用包套轧制技术成功制备了一种新型的TiA l合金板材,其名义成分为Ti243A l29V2 0.3Y(原子分数/%)。目前已轧制出的板材尺寸为500mm×300mm。该合金板材室温强度超过700M Pa,延伸率超过2%,700℃下强度能达到550M Pa,延伸率可达8%。

2 粉末冶金法制备TiAl合金板材

粉末冶金法制备TiA l合金板材主要有元素粉末法和预合金化粉末法,如图1所示。具体方法包括冷轧成形+加压烧结法[26,27]、元素箔片叠加轧制+反应合成法[28,29]、预合金化粉末热等静压+热轧法[30]。

2.1 元素粉末法制备TiAl合金板材

元素粉末法制备TiA l合金板材是采用塑性良好的Ti,A l元素粉末和其他合金元素粉末,经过混合、压制、挤压和轧制等过程成形为混合粉板材,再进行反应合成制备TiA l合金板材,或将原料粉末混合并进行包套抽气处理后,直接进行热轧或热等静压制备TiA l基合金板材。元素Ti,A l可以采用粉末态、箔片或其他形式。

Ti,A l元素粉末的反应合成是一个由扩散控制,包括TiA l3和TiA l2等中间相生成的复杂过程。由于Ti,A l两元素之间的扩散系数相差很大,在无压烧结时,会发生柯肯达尔扩散,形成弗兰克孔洞,从而产生大幅度的体积膨胀[31]。因此,Ti,A l元素粉末的反应合成必须采用热压、热等静压、气压烧结等加压烧结手段,抑制体积膨胀,消除孔隙,促进Ti,A l元素粉末的致密化行为,从而提高板材的致密度和力学性能。贺跃辉[27]等人采用低压烧结冷轧Ti,A l元素粉末板坯,制备了TiA l合金板材,但其致密度较低,严重影响了板材的力学性能。

由于Ti,A l粉末在制备过程中容易引入杂质,加之其表面易于吸附水蒸气、氧气等而在表面形成氧化膜,从而造成反应合成的材料氧含量高,致密度低。采用由高纯Ti,A l箔轧制而成的TiA l合金板材,因其比表面积远小于粉末态,因此可显著降低板材中的氧含量。美国A labama大学[28]和韩国先进航空材料研究中心[29]分别以Ti箔(70～100μm)和A l箔(70～100μm)为原料采用叠带轧制法制备了TiA l合金板材,其具体工艺如下:先将所用的Ti箔和A l箔进行交替叠放,一般情况下叠带层两端应为Ti箔,然后将交替叠放的Ti箔和A l箔进行包套处理,包套材料为不锈钢,厚度约为1mm,包套后将材料在一定温度下进行热处理,促进Ti,A l箔材之间的扩散反应,使得Ti箔和A l箔进行初步结合,之后再进行轧制,轧制过程可以在高温或室温条件下进行,轧制后的Ti,A l箔材在更高的温度下进行热处理,至此完成一个循环。如此往复,最终获得TiA l合金板材。轧制和高温热处理的目的是为了进一步促进Ti箔和A l箔之间的反应,从而形成TiA l板材。该工艺不仅可制备氧含量低、力学性能良好的TiA l合金板材,而且可以通过控制轧制Ti箔中的织构和扩散反应工艺,获得具有定向层片结构的TiA l合金板材,改善材料的抗蠕变性和室温延性。David等人研究了将叠加的Ti,A l箔通过自蔓延高温合成制备TiA l基合金板材,制备板材的σUTS可达460M Pa[32]。

2.2 预合金化粉末制备TiAl合金板材

随着高质量预合金化粉末制备工艺的完善,采用预合金化粉末制备TiA l基合金板材引起了人们的兴趣。预合金化粉末法是指采用部分合金化或完全合金化的TiA l合金粉末为原料来制备TiA l基合金板材的工艺[33]。

预合金化粉末热等静压固结后再进行热轧是奥地利Plansee AG公司开发的ASRP技术中粉末冶金法制备TiA l合金板材路径中的一种方法[6]。它是将电极感应熔炼气雾化(Electrode Induction M elting Gas A tom ization,EIGA)或等离子感应熔炼气雾化(Plasma M elting Induction Guiding Gas A tom ization, PIGA)技术雾化制得的TiA l合金粉末装入Ti合金包套中,加热到一定温度下抽气,当达到预定的真空度时将包套焊合,之后进行热等静压,实现致密化。试样去除包套后进行表面处理,之后再在(α+ γ)两相区进行轧制。德国GKSS研究所采用该方法制备了γ2TAB(Ti247A l24(Cr,M n,N b,Si,B), γ2M et(Ti246.5A l24(Cr,Nb,Ta,B))(原子分数/%),γ2TNB[30,34]以及Ti245A l25Nb(0,0.5)C (原子分数/%)合金板材[35],这些合金板材具有均匀细小的组织结构,表现出较高的高温强度、较小的各向异性以及较好的超塑性能。尤其是Ti2 45A l25Nb2(0,0.5)C(原子分数/%)合金,其室温强度达1070M Pa,700℃下屈服强度也可达到726M Pa,室温至500℃下的延伸率在1%左右。

3 其他的TiAl板材制备工艺

3.1 铸轧技术制备TiAl合金板材

Matsuo等[36]于1991年首次将铸轧技术应用于TiA l基合金板材的制备。采用铸轧技术制备TiA l基合金板材,需要解决的主要问题是如何细化铸轧板材的显微组织,从而提高TiA l基合金板材的综合力学性能。目前,通常采用添加晶粒细化剂或控制凝固过程来细化TiA l基合金铸轧板材的显微组织。Hana2mu2 ra等[36]研究了在TiA l基合金铸轧过程中添加TiB2对铸轧板材显微组织的影响,发现未加TiB2时,板材的晶粒尺寸在200μm左右,而加入TiB2时,板材的晶粒尺寸为10μm左右,室温延性为2.1%,1100℃的σs为200M Pa。

3.2 流延成形制备TiAl合金板材

美国空军材料研究所采用流延成形方法制备了Ti2 46.6Al22.2Nb21.3Cr20.3Mo20.2B20.3C(原子分数/%)合金板材,其尺寸为50mm×15mm×275μm[37]。制备过程如下:先用TiA l合金粉末与黏结剂混合制成浆料,再利用特制的浇铸系统将浆料浇铸成带状,用低碳钢和纯钛进行包套,试样和包套材料之间用Ta箔隔开,以防止共晶熔化,然后在一定温度下去除黏结剂,将包套焊合后进行热等静压处理,剥套处理后最终获得TiA l合金板材。采用流延成形的方法可以制备TiA l箔材,其晶粒尺寸比较细小均匀,从而有望改善其室温延展性等力学性能。

3.3 物理气相沉积制备TiAl合金板材

物理气相沉积是一种非平衡工艺,其所制备的材料组织结构均匀、细小,可以获得细晶、非晶或者纳米晶材料,从而为提高材料的室温和高温力学性能奠定基础。Senkos等人采用物理气相沉积方法制备了非晶TiA l基合金板材,并对其结晶动力学进行了研究[12,38]。哈尔滨工业大学韩杰才教授等也对物理气相沉积制备TiA l合金板材进行了研究[39,40]。采用该方法制备的TiA l/Nb复合层板材尺寸达到150mm× 100mm×0.2mm,研究发现Nb的存在使得板材在断裂过程中裂纹发生了偏转,从而增加了裂纹增值的能量,导致韧性断裂特征的出现,说明在TiA l板材中添加Nb层后,板材的塑性得到了提高。

4 结束语

TiA l合金板材作为未来航空航天发动机结构部件以及热防护系统结构的备选材料,已成为国际材料科学与工程领域的研究热点。作为目前TiA l合金板材的主要制备技术,粉末冶金法和铸锭冶金法具有如下优点:(1)粉末冶金法近净成形性好,能克服TiA l合金冷热加工变形性差的缺陷,成形范围广,适用性强; (2)铸锭冶金法所得板材致密度高、尺寸大、性能高,且易实现规模化生产,有望成为工业化生产TiA l合金板材的有效途径。然而,上述TiA l合金板材制备工艺也存在一定的问题:(1)元素粉末法制备工艺容易引入高的杂质含量和缺陷密度,难以实现全致密化,从而降低板材的性能;(2)采用预合金化粉末制备TiA l板材虽然氧含量低,致密度较高,但预合金化粉末的制备工艺(如EIGA,PIGA技术)造价高,生产成本大,难以实现规模化生产;(3)铸锭冶金法制备的TiA l合金铸锭组织粗大,且存在缩孔、疏松以及成分偏析等缺陷,需要后续的热等静压处理及热机械处理来减少或消除缺陷,细化粗大的铸态组织;(4)流延成形、物理气相沉积等其他TiA l板材制备技术目前尚未成熟,还处于起步阶段。

综上所述,作者认为未来TiA l合金板材制备技术研究应着重以下方面:(1)加强对TiA l合金铸锭缺陷的形成机理、控制技术以及组织均匀化技术的研究,制备高质量的TiA l合金铸锭;(2)优化包套锻造和包套轧制工艺,进一步提高TiA l合金板材的力学性能;(3)加强对Ti,A l混合元素粉末合金化机理、组织均匀化机理和烧结致密化机理的研究,降低预合金化粉末的制备成本;(4)深化TiA l合金复合板材制备技术的研究,克服TiA l合金板材成型困难的缺陷等。

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M anufacture and Present Status of TiA l A lloy Sheet

YANG Fei,KONG Fan2tao,CHEN Yu2yong,XIAO Shu2long
(School of M aterials Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

Two methods and researching status of manufacturing TiA l based alloy sheet,including in2 got metallurgy and pow der metallurgy,w ere briefly review ed.A nd the fabrication p rocesses and ma2 terials p roperties of cast rolling,tape casting and physical vapor deposition were introduced.Mean2 w hile,the p rospects for these techniqueswere also described.

TiA l alloy sheet;ingotmetallurgy;pow der metallurgy;p rospect

TG337.6

A

100124381(2010)0520096205

国家自然科学基金资助项目(50674037)

2009206222;

2010203212

杨非(1982—),男,博士研究生,从事TiAl合金方面工作的研究,联系地址:哈尔滨工业大学434信箱(150001),E2mail:fyang0204 @hotmail.com,fyang@hit.edu.cn