Ti2AlNb金属间化合物研究进展

刘鹏

摘要：Ti2AlNb是一种极具潜力的航空材料，详细介绍该合金特点及性质，并介绍该合金研究进展，以期该合金得到有效利用。

关键词：Ti2AlNb;金属间化合物。

1.Ti2AlNb金属间化合物简介

随着航空、航天、航海、车辆等对发动机性能的不断提高，在满足一定加工性能的前提下，制备更高比强度、比模量、服役温度及综合性能的新型材料是发展的必然趋势[1]。Ti-Al系金属间化合物正是顺应这一需求发展起来的一种新型高温结构材料，它已经引起了材料界的广泛关注[2-4]。

金属间化合物是指由两个或更多的金属组元以整数比（化学剂量）组成的具有不同于其组成元素的长程有序晶体结构、且具有金属基本特性的化合物[5]。金属间化合物由于其原子排列的长程有序以及原子间金属键与共价键共存，使其有可能兼顾金属的较好塑性和陶瓷的高温强度，从而成为新一代高性能的高温结构材料。

Ti2AlNb基金属间化合物是在Ti3Al金属间化合物基合金的增强增韧研究中新发展起来的一类Ti-Al-Nb系金属间化合物材料。Ti2AlNb基金属间化合物是在1988年由印度Banerjee率先发现的。他们发现Ti3Al基金属间化合物中随着Nb含量超过12.5at%时，出现了一种化学计量配比为Ti2AlNb的新相，空间点群为CmCm，属于有序正交结构（Orthorhombic），使用温度范围内的平衡组织也由以2相为主逐步变为以O相为主。同时，研究表明该合金的塑性及断裂韧性得到进一步提高，且强度和蠕变抗力也明显增强。1989年Rowe[6]正式提出了Ti-Al-Nb系O相合金的概念。

以O相合金为主要组成相的Ti2AlNb金属间化合物具有较高的比强度、室温塑性、高断裂韧性、高蠕变抗力、低的热膨胀系数、无磁性和阻燃性能好等优点，与Ni基高温合金相比，Ti2AlNb基金属间化合物从室温到750℃范围内都具有较高的比强度;与高温Ti合金相比，可比其使用温度高200℃，已展现出在航空航天领域的广阔应用前景。被认为具有工程意义的该类金属间化合物的基本成分范围为Ti-（22～25）Al-（20～27）Nb。

2.Ti2AlNb基金属间化合物研究现状

国外Ti2AlNb研究工作开展较早，且研究进展较快。印度Banerjee领导的研究小组[7-10]首先发现了Ti-Al-Nb系中的O相结构，并对O相中的原子占位、O相合金的相平衡、相转变、O相的滑移变形机制以及O相合金的典型微观结构，拉伸性能，蠕变性能，蠕变机制等方面进行了系统研究。Rowe等人[11]研制的Ti-22Al-27Nb金属间化合物的室温抗拉强度b可达1415MPa，屈服强度达1290MPa，室温延伸率为3.5%，650℃真空抗拉强度b可达1260MPa，屈服强度0.2可保持在1120MPa，延伸率为8%。日本的Hagiwara等人[12，13]用Mo、W、V取代Ti-22Al-27Nb金属间化合物中的部分Nb，以进一步提高材料的蠕变性能。德国的Kumpfurt等人[14]研究了Ti-22Al-25Nb的非平衡相转变，得到了Ti-22Al-25Nb的相转变动力学（TTT）曲线。

美国已经将Ti2AlNb金属间化合物列为下一代航空发动机的关键材料，列入了IHPTET计划和2003年后续启动的VAATE计划，开展了较大规模的工作，取得了积极进展。目前已试制成功该金属间化合物压气机内环、机匣、喷管等部件。在以F119核心机/验证机为验证平台的CAESAR项目中，Ti2AlNb金属间化合物压气机机匣、叶片和轮盘部件结构设计准则的验证被列为其重要研究内容。

国内的一些单位，如钢铁研究总院、北京有色金属研究总院、沈阳金属所、哈尔滨工业大学等也都开展了Ti2AlNb基金属间化合物的研制工作，其中钢铁研究总院开展研究工作最早，研究成果最顯著。“九五”期间钢铁研究总院[15]采用Nb-Ta复合强化的方法，研制出的Ti-22Al-20Nb-7Ta和Ti-22Al-24Nb-3Ta金属间化合物综合力学性能达到美国同类合金水平。“十五”期间为了满足用户单位进一步降低材料密度和材料成本、改善材料加工性能的要求，新研制了名义成分为Ti-22Al-25Nb金属间化合物，该金属间化合物的密度约为5.2g/cm3。典型的室温拉伸性能断裂强度b为1150MPa，屈服强度达1150MPa，室温延伸率为7-10%，650℃下的断裂强度b为1000MPa，屈服强度0.2可保持在900MPa，延伸率为11-15%。北京有色金属研究总院的吴波[16]等人用CALPHAD技术计算了Ti2AlNb金属间化合物铸造凝固特性，用量子力学从头算法，预测了O相合金的有序无序转变。西北工业大学的曾卫东等人[17]基于动态材料模型（DMM），建立了 Ti2AlNb基金属间化合物（Ti-22Al-25Nb）在温度 940℃～1060℃，应变速率0.001s-1～10s-1范围内的加工图，并利用该图分析了金属间化合物的高温变形特性。

3.结论

随着发动机推重比和功重比的提高，未来发动机的自身重量将受到更为苛刻的限制。其中先进发动机要求其重量与流量比需较原有发动机减少40-50%。因此通过技术探索，实现叶盘轻量化将对发动机的性能提升具有重要意义。

采用新型轻质高温材料作为叶盘材料，是实现其轻量化的一个重要途径。Ti2AlNb金属间化合物是以先进航空发动机为主要应用目标研发的轻质高温结构材料，具有高比强度、高比模量、低膨胀、抗燃烧等突出特点。以其替代现有高温合金，可使叶盘材料减重约35%，对发动机推重比的提高意义重大。

因此有必要继续对Ti2AlNb金属间化合物进一步研究，使其得到广泛实际应用。

参考文献：

[1]李世琼， 张建伟， 程云君， 等. Ti3Al和Ti2AlNb基金属间化合物结构材料的研发现状[J]. 稀有金属材料与工程， 2005，34（增刊）：104-109.

[2]Hodge A.M， Hsiung L.M， Nieh T.G. Creep of nearly lamellar TiAl alloy containing W [J]. Scipta Materialia， 2004， 51（5）： 411-415.

[3]黄旭， 李臻熙， 黄浩. 高推重比航空发动机用新型高温钛合金研究进展[J]. 中国材料进展， 2011，30（6）：21-27.

[4]Feng ai han，Li bo bo，Shen jun. Recent advances on Ti2AlNb-based alloys[J]. Journal of Materials and Metallurgy， 2011，10：31-37.

[5]陈国良， 林均品. 有序金属间化合物结构材料[M]. 北京： 冶金工业出版社， 1999：5-8.

[6]毛勇， 李世琼， 张建伟， 等. Ti-22Al-20Nb-7Ta合金的显微组织和力学性能研究[J]. 金属学报， 2000， 36（2），136-140.

[7]吴波， Ti2AlNb基合金的制备工艺、组织和性能研究[D]. 北京有色金属研究总院博士学位论文. 北京， 2002.

[8]曾卫东， 徐斌， 何德华， 等. 应用加工图理论研究Ti2AlNb基合金的高温变形特性[J]. 稀有金属材料与工程， 2007，36（4）：592-596.