O相合金Ti2AlNb的研究进展

杜 刚，崔林林，雷 强，杜玉俊，齐 锐，王玮东，付宝全

(西部超导材料科技股份有限公司，陕西 西安 710016)

1 前 言

经过60年的发展，通过对合金成分、冶炼和热加工工艺、组织控制等的不断优化，钛合金的长时使用温度已经从以Ti-6Al-4V 为代表的350 ℃提高到了目前的600 ℃[1]。凭借在比强度、比蠕变强度和比疲劳强度方面的优势，采用近α型高温钛合金代替镍基高温合金制造服役温度低于600 ℃的高压压气机盘、叶片等锻件，在保持强度和服役性能相同的情况下，其结构重量可减轻1.7倍，有效提高了航空发动机的推重比和使用性能。目前先进发动机上钛合金的用量仅次于高温合金， 占发动机总质量的25%～40%；另一方面，当前使用的IMI834和Ti-1100等近α型高温钛合金，受制于表面氧化和长期组织稳定性差等因素的制约，其使用温度的上限短期内难以突破600 ℃[2]。在使用温度高于600 ℃时，高温钛合金在比强度和比蠕变强度方面已经失去了同镍基高温合金竞争的优势。

增加钛合金中Al的含量可以显著增加合金的抗氧化性和高温强度，在此基础上发展起来的α2-Ti3Al基合金具有更高的比强度，但其塑性和韧性较差[3]。添加元素Nb可显著改善Ti3Al合金的塑性，当Nb含量高于17%时，α2相转化为有序斜方晶系的O相(Orthorhombic Phase)，化学结构式为Ti2AlNb。以Ti2AlNb相为基的Ti-Al-Nb系合金即为Ti2AlNb合金。1991年，美国通用电气公司申请了第一份Ti2AlNb基合金的专利，随后多种成分的 Ti2AlNb合金相继问世。Ti2AlNb合金的研制已经成为美国、日本等国家新材料领域研究的热点之一，其目标是替代 Inconel 718合金(国内对应牌号为GH4169)作为航空发动机的零部件，可减重35%左右，从而大大提高发动机的推重比。Ti2AlNb合金相比于γ-TiAl合金具有更高的强度和更好的断裂韧性[4]，其优异的性能满足未来航空发动机对高比强度、高比刚度的轻质高温结构材料的迫切要求，对于降低飞行器的自重、提高燃油效率和高温服役性能具有重要意义。

我国在Ti2AlNb合金的研究方面基本与欧美国家同步，在国家对Ti-Al系新型金属材料研究的大力支持下，对该合金的合金化和组织结构设计方面进行了系统的研究。应用研究方面，Ti2AlNb合金已经在卫星、导弹发动机等领域获得了突破[5]，今后的研究重点将向航空发动机中的静止部件和转动部件推进[6]。

本文介绍了Ti2AlNb合金的发展概况， 重点介绍了近年来我国在Ti2AlNb合金的工程制备技术和应用研究方面所取得的最新进展以及存在的主要问题，并展望了Ti2AlNb合金的发展前景。

2 成分和显微组织

Ti2AlNb合金是Ti-Al系金属间化合物中Nb含量最高的一类合金[7]。当Nb的含量大于15%时，高温β相分解形成O相颗粒或板条析出相。当Nb含量在15%～25%时，合金室温组织中存在β/B2+O+α2三种相，一般称为第一代Ti2AlNb合金，典型的合金成分主要有Ti-25A1-17Nb和Ti-21A1-22Nb。当Nb含量大于25%时，室温组织中的α2相完全转变为O相，一般称为第二代Ti2AlNb合金，典型的合金成分主要有Ti-22A1-25Nb和Ti-22A1-27Nb。该合金的特点为高Nb低Al，其相组成为B2+O相。第二代Ti2AlNb合金具有较高的室温塑性、良好的断裂韧性与抗蠕变性能，其可加工性也远远优于γ-TiAl、Ti3Al等金属间化合物。

近年来，国内外研究单位对Ti2AlNb合金化学成分的优化工作主要以Ti-22Al-25Nb和Ti-22Al-27Nb合金为基础，探索了以W，Ta，Mo等元素来取代部分Nb元素，以期降低合金的成本并改善合金的强度、韧性和蠕变等性能。在Ti2AlNb合金中添加W可以显著提高合金的显微硬度、抗拉强度和蠕变性能[8-10]；W使得合金的晶格常数变小，对合金的固溶强化和沉淀强化作用不大，主要强化机理来自对合金中的魏氏体板条的细化作用；研究发现，添加2%的W可以显著改善合金的抗蠕变性能。Mo元素的固溶强化作用可显著提高Ti2AlNb合金的室温、高温强度及650 ℃下的蠕变性能[11-13]；在Ti2AlNb合金中添加0.5at%～1.5at%的Mo，可使合金显微组织

得到明显细化，基于此，中科院金属所研发了Ti-22Al-24Nb-(0.5～1)Mo合金体系。细化B2相晶粒是实现Ti2AlNb合金增塑的有效手段之一，试验结果表明，添加Ta，V以及微量的B元素可达到细化晶粒的目的，从而实现改善该合金室温塑性的目标[14-16]。

通过设计热加工工艺、调整热处理参数来控制Ti2AlNb合金中O相与β相的比例、O相的形态和尺寸，可以获取不同的力学性能[17]。从合金的显微组织对性能的影响规律来看，其与两相钛合金十分相似。Ti2AlNb合金在α2+B2两相区或α2+B2+O三相区进行锻造或轧制加工并进行相应温度区间的热处理，可获得O/α2相等轴组织，细小的等轴组织有助于提高合金的室温强度和塑性，但会降低合金的高温强度和蠕变抗力，其最小蠕变速率要比粗晶片层组织高两个数量级[18]。Ti2AlNb合金在β相区进行热加工并缓慢冷却，易形成以长条O/α2相为主的魏氏体组织。相对于具有细小O相板条的组织，具有较为粗大的O相板条的显微组织具有更高的室温强度和蠕变性能，但屈服强度会降低，而且O相板条过于粗大时合金的塑性也会降低[19, 20]。原始β相晶粒尺寸对合金力学性能影响很大，晶粒尺寸越大，蠕变性能越好。细化合金中先形成的β相晶粒尺寸是改善合金力学性能，特别是拉伸性能和疲劳性能非常有效的方法[21, 22]。图1给出了Ti-22Al-25Nb合金锻造棒材的典型组织。

图1 Ti-22Al-25Nb合金锻造棒材的典型组织形态：(a)魏氏体组织，(b)等轴组织Fig.1 Typical microstructure of Ti-22Al-25Nb alloy forged bar:(a)widmanstatten structure,(b)equiaxed structure

3 工程制备技术

在新型航空发动机减重设计的需求牵引下，近年来我国在Ti2AlNb合金的工程化应用方面开展了大量的研究工作，并取得了可喜的进展。Ti2AlNb合金已经在航天领域应用成功，下一阶段的工作目标在于推动该合金在航空发动机中的应用。在Ti2AlNb铸锭冶炼技术方面，早期的实验室研究为了避免该合金中各元素熔点、密度和蒸汽压相差较大的难题，采用感应凝壳熔炼的方法。该方法较好地解决了Ti2AlNb合金中的偏析问题，但也存在不能制备工业级大铸锭的缺点[23]。近年来，利用用于熔炼工业级钛合金铸锭的真空自耗冶炼炉(VAR)，并结合Ti2AlNb合金的自身特点，开发出吨级Ti2AlNb铸锭的冶炼技术[5]。利用先进的低熔速控制技术和强制冷却技术，成功冶炼出最大直径为520 mm的3 t级Ti2AlNb铸锭，对铸锭头尾9点取样进行化学分析，结果表明Al和Nb元素的偏差均满足设计要求。

针对航空发动机用盘、环类锻件对细晶棒材的需求，西部超导与钢铁研究总院合作开发了Ti2AlNb铸锭自由锻开坯和细晶棒材的锻造工艺。利用Ti2AlNb合金在β相区塑性好的特点，通过多次的镦拔锻造使β晶粒控制在150 μm以内，使坯料在α2+O相区进行充分变形，保证O相板条充分再结晶，形成均匀的等轴组织。图2显示规格为φ300 mm的Ti2AlNb棒材的显微组织，可见β晶粒和O相板条充分破碎。超声波无损探伤结果表明，直径为300 mm规格的Ti2AlNb棒材采用接触法可满足GB/T 5193-2007标准中的B级要求，表明Ti2AlNb棒材具有良好的组织均匀性和冶金质量。

图2 φ300 mm规格的Ti-22Al-25Nb棒材的显微组织Fig.2 Microstructure of Ti-22Al-25Nb alloy bar with 300 mm diameter

为了满足航空发动机机匣、压气机盘等锻件对材料强度、塑性以及疲劳等综合性能的要求，近年来对Ti2AlNb合金部件的成型技术进行了研究。田等[24]通过研究Ti2AlNb环锻件的高温成型工艺发现，Ti2AlNb环锻件的组织和力学性能对热加工温度十分敏感，在970 ℃轧制环件，其组织为双态组织，强度较高而塑性较低；在1050 ℃轧制时为板条组织，其强度较970 ℃轧制的环件要低，但其塑性更高；Ti-22Al-25Nb合金环形件的最佳热轧温度为1050 ℃，以此工艺制备的外径为700 mm、内径为600 mm、高度为92 mm 的环形件，具有良好的综合力学性能。

为了达到发动机整体叶盘所需的各项性能的良好匹配，张等[25]借鉴两相钛合金近β锻造的工艺思路，对Ti-22Al-25Nb合金饼坯的等温锻造工艺进行了研究。首先在α2/β相变点以下20 ℃对Ti-22Al-25Nb合金进行等温锻造，获得直径为400 mm 的饼坯锻件；进而研究了近β锻造及锻后热处理过程中的组织转变规律，结果表明近β锻造后获得α2+B2双态组织，进行940 ℃以下的固溶和时效热处理后，双态组织转变为α2+O+B2三态组织。由此可获得塑性、断裂韧性和疲劳性能的良好匹配。

粉末冶金技术具有近终成型等优点，是生产航空发动机涡轮盘的主要工艺。为了解决Ti2AlNb合金热加工变形抗力大、材料利用率相对较低等不足，中科院金属所等单位近年来开展了Ti2AlNb合金粉末冶金工艺方面的研究工作。相对于传统的熔炼-锻造工艺，采用粉末冶金等静压工艺制备Ti2AlNb合金可避免传统铸锭冶炼过程中形成的偏析、夹杂等冶金缺陷，得到组织更加均匀、性能更加稳定的合金坯料或部件，且材料利用率和加工余量均优于传统的熔炼-锻造工艺[26-30]。

采用粉末冶金技术制备Ti2AlNb部件时，采用氩气雾化和旋转电极工艺制成了Ti-22Al-25Nb合金粉末[31, 32]，粒度在60～160 μm之间。对比试验结果表明，采用热等静压工艺制备的粉末Ti-22Al-24Nb-0.5Mo合金与同成分的锻造合金，变形行为近似，变形抗力相当，表现出了良好的强度和塑形水平[32]。在此基础上，中科院金属所采用粉末冶金工艺，制备出了复杂形状的Ti2AlNb航空部件(图3)[33]。

图3 粉末冶金法成型的Ti2AlNb部件[33]Fig.3 Ti2AlNb components prepared by PM[33]

然而，粉末冶金制备过程中难以避免得会存在一定的空洞，虽然对合金的强度和塑形影响不大，但是否会对合金的疲劳性能产生影响仍然需要进一步研究。

通过焊接方法将Ti2AlNb相互连接，以及同异种金属的连接，可满足航空发动机对特殊形状的复杂构件的需求。因此，焊接技术成为新型金属材料推广应用的关键环节之一。Ti2AlNb合金作为金属间化合物材料，塑性低于传统钛合金，且对环境因素的影响特别敏感，对焊接过程的控制要求也更加严格。随着工程化应用的不断推进，各种焊接技术被尝试用于Ti2AlNb合金的焊接。相对于传统的氩弧焊，电子束焊接和激光焊接应用于Ti2AlNb合金具有能量密度高、焊接熔池尺寸小的优点，有利于降低焊接过程中Al元素的烧损[34, 35]。对Ti-22Al-25Nb板材分别进行了电子束和激光焊接，对比研究发现，电子束焊接得到的Ti2AlNb合金的强度明显降低，这是由于电子束焊接冷速快，熔合区来不及析出α2等强化相，而是形成单一的B2相，焊接接头的抗拉强度下降至母材的70%以下[36]。对焊接接头进行850 ℃热处理后，焊缝中析出大量O相板条形成的网篮组织，研究发现焊接接头在室温和650 ℃高温下的强度恢复到母材强度的90%以上。西北工业大学等单位对Ti2AlNb、Ti60、Ti2AlNb与TA15等传统钛合金进行激光焊接实验，结果表明，异种焊接接头在拉伸试验中断裂位置均位于传统钛合金本体处。这是由于Ti2AlNb合金在500～600 ℃温度范围内具有明显的强度优势[37-39]。

各种新的焊接方法也被用于Ti2AlNb合金的连接。摩擦焊接是利用工件在相对高速运动时所产生的摩擦热在顶锻压力作用下产生塑性流变来实现连接。研究者通过对横截面积为170 mm2的试样进行摩擦焊接，获得了无冶金缺陷的连接接头[40, 41]。此外，由于焊接区过热度较小，保留了部分的O相和α2相板条，所以接头的强度也高于传统的熔化焊工艺。

4 存在的问题和不足

Ti2AlNb合金高温比强度高、抗氧化性能好，具有在航空航天领域取得广泛应用的良好潜力。但就目前来看，国内外还未见Ti2AlNb合金在航空发动机中取得实际应用的相关报道，这与Ti2AlNb合金自身存在的一些不足之处有关。

首先，Ti2AlNb合金的原料成本明显高于传统的近α钛合金以及密度更小的γ-TiAl合金。Nb是Ti2AlNb合金中的β稳定元素，可有效改善合金的塑性和热加工性能，但较高的Nb元素含量也增加了材料的成本和密度。以当前研究最多的Ti-22Al-25Nb合金为例，如果按质量百分比计算，该合金中元素Nb的含量高达46%。相比而言，近α钛合金中Zr，Mo，Nb等元素的含量一般不超过5%。表1给出了Ti2AlNb合金同传统的近α合金的化学成分对比。因此，从“费效比”的角度来讲，研究以Zr，Mo等元素代替Ti2AlNb合金中Nb元素，对于材料的推广应用具有重要的意义。

表1 几种合金材料的化学成分

另外，Ti2AlNb合金在某些性能方面同镍基高温合金甚至近α钛合金尚存在一定的差距。Ti2AlNb作为一种金属间化合物材料，具有长程有序的超点阵结构，可以保证其具有很强的金属键结合，获得优异的高温比强度和蠕变抗力，但同时也使得合金在断裂韧性、缺口敏感性等方面处于相对劣势[42]。以Ti-22Al-25Nb合金为例，其室温断裂韧性与α2/O相板条的形态关系十分密切。通过β热处理形成的粗魏氏体组织具有最为优异的室温断裂韧性，但K1c一般在30 MPa·m1/2以下(双态或等轴组织时断裂韧性更低)[43]。相比而言，TC4钛合金和Inconel 718合金的室温断裂韧性分别在50 MPa·m1/2和100 MPa·m1/2以上。对于航空发动机中的转动类部件，损伤容限相关的性能问题是Ti2AlNb合金在取得应用前必须突破和解决的问题。另外，借鉴γ-TiAl合金发展的经验来看，Ti2AlNb合金可用于制造航空发动机压气机机匣、叶环等非转动部件，替代镍基高温合金达到减重的目的。此外，也可以考虑使用Ti2AlNb合金和近α高温钛合金进行焊接制造航空发动机压气机盘等转动部件，分别作为压气机的盘缘和盘心，可以更好地满足压气机盘在大温度和应力梯度环境下的工作需要。

最后，在Ti2AlNb合金的加工技术方面还需继续开展研究工作，以便提高生产效率并降低生产成本。装备方面，Ti2AlNb合金棒材、锻件的热加工流程与传统钛合金类似，传统钛合金热加工所采用的锻压设备、加热炉和工模具等同样适用。但由于变形抗力明显大于传统钛合金以及动态再结晶能力差等因素，Ti2AlNb合金对锻压设备的吨位和操作速度提出了更高的要求。热加工工艺技术方面，虽然具有一定的工艺塑性，也开发出了相对成熟的热加工工艺，但在实际生产过程中，Ti2AlNb合金的工艺窗口相对传统钛合金更窄、坯料更易开裂，导致最终加工棒材/锻坯的收得率也低于普通钛合金；冷加工技术方面，Ti2AlNb合金具有单位切削力大、导热性差等特点，对刀具磨损严重，导致切削加工效率不高[44]。这些因素在合金的研制阶段尚且能够克服，但在材料的工业化生产阶段却十分不利。只有提高Ti2AlNb合金在加工过程中的材料利用率、降低加工成本并缩短合金制备周期，才能使得Ti2AlNb合金面对与诸如近α合金以及TiAl系其他合金的竞争时具备更加明显的优势。

5 结 语

随着高推重比航空发动机对减重要求的不断提高，设计单位急需一种使用温度达到650 ℃以上，能够替代Inconel 718的轻质高温结构材料。Ti2AlNb基合金是现有材料中最接近实用要求的金属材料。近年来国内科研院所和企业为了推进Ti2AlNb合金的工程化应用开展了大量的工作，获得了比较系统的研究成果，尤其是在材料的制备技术方面。随着氦气冷却、石棉包套等新技术的应用，国内目前已突破吨级Ti2AlNb铸锭的冶炼技术和直径为300 mm大棒材的热加工技术，材料组织、性能水平均获得了显著的提高。但是，还是应该清醒地认识到，Ti2AlNb合金目前还存在着一些尚未完全解决或突破的不足之处，制约着新材料的推广应用，例如在加工效率、加工成本上与主流的钛合金或镍基合金仍然存在一定的差距。可以预见，今后的研究工作应将Ti2AlNb合金的特性与现有生产钛合金、镍基合金的工业化的冶炼、加工装备相结合，开发出适合金属间化合物材料的工艺技术。另外，通过对合金的化学成分进一步优化，可以改善材料的断裂韧性、缺口敏感性等不足之处，也可以提高Ti2AlNb合金未来同近α高温钛合金以及γ-TiAl合金竞争的优势。

随着对Ti2AlNb合金研究的不断深入，相信通过研究人员的共同努力，必将推进Ti2AlNb合金的成熟度，最终使其成为能在航空发动机中大有作为的轻质高温结构材料。

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