TiAl合金的发展历程及应用前景

随着航空工业的快速发展，对材料的要求也越来越高，目前，其结构材料正在朝着“更强更轻”的方向发展，更轻的材料意味着飞机能够非得更高且可以有效减少CO₂的排放。金属间化合物γ-TiAl合金具有许多优异的性能，如比强度高，质量轻，耐高温以及良好的高温抗蠕变性能等。可以很好地满足航空以及自动化工业的需求，是近几年来的热点金属材料之一，受到了航空工业的青睐。虽然TiAl基合金有许多优点，并在技术上取得了许多重要突破，但仍有许多性能方面的问题需要解决，比如TiAl合金低的室温塑性及伴随而来的成形性差，对于1000℃以上使用的高温部件具有相对较低的高温强度，800℃以上的抗氧化性能不足，拉伸强度、塑性与断裂/蠕变抗力具有相反关系等，所以其应用受到一定限制，下面我们看看这种材料的发展历程和应用前景。

1.第一代TiAl合金

第一代TiAl合金主要为γ-TiAl合金，顾名思义，这类合金主要的相成分为γ相，外加少量α₂相，所以这类合金一般Al元素的含量较高（百分含量在46~48%之间），外加少量β稳定元素，如Cr、Mn、V等。经典的合金为美国生产的Ti-48Al-1V-0.5C合金（通常认为这是第一代TiAl 合金的代表），Ti-46.5Al-4(Cr、Mn、Ta)等合金。之后开展了一系列力学性能、成形工艺和典型试验件研究。 该合金断裂韧性较好，可机械加工，可铸造，但室温塑性和冲击性能较低，铸件易产生表面疏松。采用该合金铸造的典型结构件包括F100发动机压气机叶片毛坯和JT9D发动机低压涡轮叶片。第一代TiAl合金又称近γ-TiAl合金，其变形机理为1/2<110}{111}普通位错外加1/2<11-2}{111}孪晶变形。如figure 1所示为Ti-46.5Al-4(Cr、Mn、Ta)样品在压缩变形时的变形机理。

Figure 1

Ti-46.5Al-4(Cr、Mn、Ta)样品在压缩5%时的TEM照片，D代表位错滑移，T代表变形孪晶，可以看出该类合金的变形机理为位错加孪晶的运动。

2.第二代TiAl合金

第二代TiAl合金也为γ-TiAl合金，不同之处在于其内部加入了少量的Si, B, C等非金属元素。 其成分可以概括如下：

Ti-（45-48）Al-（1-3）X-（2-5） Y-（ < 1）Z，

其中X=Cr, Mn, V； Y=Nb, Ta, W, Mo； Z=Si, B, C。

非金属元素的加入有助于合金细化晶粒，尤其是元素B，可以显著的细化TiAl合金铸造过程的内部组织，从而达到增强增韧的目的。Si元素的加入可以提升合金的蠕变性能。C元素的添加可以可以拓宽α相区，同时减小α/γ的片层空间，其主要原因是C的添加降低了γ相的层错能并增加了其形核率，更小的片层空间则有助于提高合金的蠕变性能，在某些时候还可以起到析出强化的作用。在第二代合金中添加β稳定元素，如Nb，Mo等可以将α转变线向高Al方向推进，缩小了α+γ的相区范围。通过固溶强化，这些合金元素的添加可以提高合金的强度。在1999年左右,出现了商用γ-TiAl合金,日本三菱公司首次在赛车的涡轮增压器上使用了TiAl合金，2002年左右,一系列锻造处理的γ-TiAl合金阀门应运而生。几年后,美国航空公司宣布，其制造的Ti-48Al-2Nb-2Cr合金成功安装在波音784飞机的低压涡轮叶片上。

第二代TiAl合金至少有一个X元素和一个Y元素，这样添加的目的是考虑到室温塑性以及高温蠕变和抗氧化性能的平衡。总体来说，第二代TiAl合金有良好的加工性能，中度的拉伸性能，其室温塑性大约在1-3%左右，断裂韧性介于10-25MPa，当然这主要取决于其组织与化学元素成分。典型的第二代钛铝合金有三种，其中4822 室温塑性最高；45XD可铸性好, 铸态组织最佳, 高温强度和疲劳性能好；47WSi合金的高温(760 ℃)蠕变性能优异。

3.第三代TiAl合金（设计要求，成分，性能）

第三代TiAl合金主要考虑高温热加工性能，以降低其应用成本及析出强化，其成分可以总结如下：

Ti-（42-48）Al-（0-10）X-（0-3） Y-（ 0-1）Z-（0-0.5RE），

其中X=Cr, Mn，Nb, Ta；Y=Mo, W, Hf, Zr；Z=C,B,Si；RE代表稀土元素。

与第二代合金不同的是，第三代合金特别注重于添加较高的Nb以及Mo元素，典型的代表为TNM合金。在高温下（通常在α+γ相区）下，该类合金具有很好的加工性能，可以使用传统工艺进行锻造。锻造后通过热处理可以调控有序β相的含量，从而调整其力学性能。与第二代合金相比，第三代合金的强度明显提高，高温抗氧化性能逐渐提高，其室温性能可以达到800~1100 Mpa，而拉伸塑性则大于2%。其主要原因是高Nb以及Mo元素抑制了扩散过程，从而降低了位错的攀移。下面以TNM合金的设计理念为例，具体说明第三代TiAl合金的优越性。

第一代和第二代钛铝合金的锻造方式主要是等温锻造，等温锻造的成本高昂，严重限制的TiAl合金的大规模应用。在TiAl合金中加入大量的β稳定元素，可以在合金内部引入大量的β相，β相具有立方结构，滑移系较多，具有良好的塑性变形能力，从而可以实现钛铝合金的自由锻，所以TNM合金中具有较高的Nb和Mo元素。考虑到要实现传统自由锻造，合金的铸态组织尽量细小且均匀。有鉴于此，TNM合金在设计时应该满足以下的条件：

1）在合金铸造凝固之后具有细小的等轴组织且无明显的织构出现；

2）尽量保证合金在凝固过程中按照L→L+β→β…而非包晶反应L→L+β→α→…，原因是包晶反应会导致元素的偏析。β→α转变会形成12种变体，可以很好地细化晶粒；

3）后续锻造时，由于合金含有大量的β相，为塑性变形提供了滑移系，因此提高了合金高温变性能力，从而可以实现挤压、锻造以及轧制。另外大量β相的存在可以有效抑制合金在多步成形和热处理过程中晶粒的过度生长。但是β相冷却过程中转变得到的有序β₀相应该尽量消除，因为他们会导致材料的脆性断裂；

4）为了避免通过热处理调控锻件和铸件内部晶粒的过度生长，应该尽力避免高温下单相α区的存在，或者保持α单相区尽量狭小。所以合金中加入扩散能力小的Nb和Mo等元素，便可以有效抑制单相α的过度生长；

5）合金中应该存在匹配很好的γ和α₂相，相含量可以通过后处理来进行调控；

6）在中温保温时，通过β相析出的ω相应该被抑制，由于其可以导致材料脆性断裂；

基于以上的设计理念，加上第一性原理的计算，TNM合金被成功设计出，其花村成分为Ti-43Al-4Nb-1Mo。后来在该合金的基础上加了0.1B元素，从而形成新一代TNM⁺合金。主要考虑的是B元素具有良好的细化晶粒的作用。第三代合金的AL元素含量略微减小（但对相变影响很大），β温度元素极大提高。相较第二代合金，强度极大提高，但塑性略有降低。

4.β—TiAl合金（设计要求，成分，性能）

β—TiAl合金严格意义来说依然属于第三代合金，其奠基性的基础工作则由我国北京科技大学陈国良院士所做。他们组成功开发出了高Nb钛铝合金。在第一届国际TiAl合金大会上，TiAl合金领域的世界权威Y.W. Kim博士指出，由北京科技大学幵发的高Nb—TiAl合金是高温高性能合金的“首创”。高Nb—TiA合金已经成为新一代高温合金的发展方向。高Nb合金与普通合金相比，其使用温度提高60-100℃，室温强度提高约300-500MPa。其强度性能与涡轮盘用普通变形镍基高温合金相近，而比重约为其一半。其抗氧化性能远优于普通TiAl合金，而抗氧化性与镍基高温合金相近。国际上目前发展的多种合金中，都是以高的添加作为合金化基础的，例如TNB合金（Ti-45Al-8Nb-0.2C）、TNM合金以及Y.W. Kim博士最近倡导研发的β—TiAl合金等。我国发展的高Nb—TiAl合金的成分以Ti-45Al-8.5Nb为基础。这些合金的特征均以高Ｎb低Ａl为主，然后再在高Ｎｂ合金化的基础上，通过其它间隙元素、过渡元素和稀土元素进行微合金化，从而实现综合性能的提高。如Ｗ、Ｍo、Ｔa等过渡元素可通过固溶强化来提高ＴiＡl合金的高温强度；而Ｃ、Ｓi、Ｎ等可产生沉淀析出，阻碍位错运动和晶界迁移，形成第二相强化，有利于蠕变性能的提高；Ｂ则可以细化晶粒、减少凝固偏析，提高强度及热加工性；而Ｙ的添加则可以形成稳定的氧化层。高铌合金的特点是高温蠕变和抗氧化性能好，缺点是室温塑性低, 难以铸造。采用变形工艺可在一定程度上提高室温塑性，但Al 偏析问题仍有待解决。

高Ｎb合金化对TiAl合金相图的主要影响如下(见figure 2)：

（１）熔点提高了约1000℃；

（２）β/β₀相区向高Ａ１方向扩大，β/β₀转变温度降低了50-80℃；

（３）α相界线降低约30℃Ｃ，α/α+β相界线降低约50-100℃。α相区变窄，整体向高Ａl区移动；

（４）γ相区向低Ａl区移动，有利于室温塑性的改善；

（５）α/α₂+γ共析温度生髙；

（６）当Ｎb含量超过9.5％时，低温α₂＋γ两相区变成α₂＋γ＋β₀三相区，β₀相不利于室温塑性，故而限制了Nb含量合金化的上限。

Figure 2 高Nb含量对相图的影响

5.TiAl合金的挑战与前景

在2014 年，美国召开了矿冶∙金属∙材料学会第五届γ-TiAl 国际会议，在总结讨论的时候，提出了以下几方面的问题：(1) 如何进一步提高已获应用的铸造合金和技术的成熟度，提高合格率，降低成本？ (2)过去几十年对变形合金研究得最为充分, 为什么至今未能获得规模应用? 能否通过进一步研究扫除障碍, 找到出路？(3) 能否找到综合性能好的第三代合金？高性能的β凝固合金能否完全实现常规工艺锻造, 能否实现铸造？(4) 如何评估各种新的工艺？如何保证成分和显微组织的均匀性和一致性？新工艺的优势和可实现性到底如何？(5) 未来可以拓展哪些新的应用，需要解决哪些问题？这些问题将是未来钛铝合金发展需要面对的主要问题，也是需要解决的技术瓶颈。就目前的情况来看，在钛铝合金的发展道路上，以下问题在未来需要解决。

1）铸造技术的进一步发展与完善；由于TiAl合金相图的复杂性，凝固显微组织对凝固条件和合金成分非常敏感。应该采用材料基因组计划所倡导的集成计算方法，将多尺度的计算模拟相结合，给出成分-相-显微组织关系的框架，并加以必要的实验验证，以更好地理解凝固偏析，改善显微组织均匀性。

2）难变性能力的挑战；对于TiAl 这样的难变形合金，采用变形工艺意味着材料利用率很低，成本很高，这是至今变形合金未实现大批量应用的主要原因之一。 未来需要系统表征显微组织和织构随变形工序的演变过程，在此基础上以最少工序获得最佳组织，以降低成本。

在应用前景方面，近年来，3D 打印技术快速发展，而钛铝合金也成为研究的主要对象之一。欧美对γ-TiAl 合金开展了较大投入的研究。例如，美国德克萨斯大学和加州大学、意大利都灵技术大学和意大利航空工业集团、瑞典Arcam 公司等单位，采用电子束粉末床技术对制备多种γ-TiAl 合金及叶片、叶轮模拟件开展了深入研究；许多发达国家，包括我国都对这一技术在钛铝合金的成形与应用中进行了一系列研究，这些3D 打印技术用γ-TiAl 合金制备必将推动新一代制造方法的进步。尽管进展较快，目前仍有很多技术问题没有解决，如同一工件不同部位性能的一致性、不同批次间性能的一致性、沉积质量与制造效率的矛盾、以及当电子束扫描速率较高时造成的层间偏析等问题还有待深入研究。

欧洲科学基金会在2013 年底出版的材料科学与工程展望报告列出了9 个需要重点关注的研究主题，γ -TiAl 合金和增材制造技术分列第一和第二。而将增材制造技术用于制备低塑性γ-TiAl 合金部件显然挑战性更大。各种3D 打印技术仍在加速发展中，有待成熟。所以，3D打印技术在未来的应用前景可观，但是需要解决若干充满挑战的难题。

6 结语

航空发动机被誉为“工业之花”和飞机的“心脏”，也是工业界“皇冠上的明珠”。因此，航空发动机材料弥足珍贵。而TiAl合金作为一种重要的航空发动机材料，应用前景非常广，是目前替代镍基高温合金的理想材料。开发高性能的TiAl合金对航空发动机的生产意义非凡。在同样的条件下，使用TiAl合金作为叶片，可以减重50%左右，这样可以大大减少飞机的能耗，还可以减少CO₂的排放，更可以让飞机非得更高更远。

本文由虚谷纳物供稿。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaorenVIP.