2024年4月4日发(作者：在清华)
第51卷
2015年2月
第2期
第129-147页
Vol.51No.2
pp.129-147
ACTAMETALLURGICASINICA
Feb.2015
钛铝金属间化合物的进展与挑战
*
杨锐
(中国科学院金属研究所,沈阳110016)
摘要
按照起步(1974~1985年),热潮(1986~1995年),兴起(1996~2005年)和特定应用(2006年~)4个阶段回顾了钛铝金属
间化合物的研发历程,评述了各阶段对钛铝合金发展起到主导作用的里程碑事件,简要总结了在合金化、显微组织类别、一
次加工(熔炼)、二次加工(热加工)、性能、三次加工(成形)等6个方面的主要进展.提出了钛铝合金未来发展面临的5方面挑
战:铸造合金与技术的进一步发展、低成本变形合金技术、第三代合金研制、基于新制备技术的新应用以及新成形工艺研发.
关键词
钛铝金属间化合物,低成本工艺,应用,技术挑战
中图法分类号
TG146.2
文献标识码
A
文章编号
0412-1961(2015)02-0129-19
ADVANCESANDCHALLENGESOFTiAlBASEALLOYS
YANGRui
InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016
Correspondent:YANGRui,professor,Tel:,E-mail:ryang@
Manuscriptreceived2014-07-18
ABSTRACT
Thehistoryofresearchanddevelopmentof
g
-TiAlintermetallicalloyswasoutlinedanddivided
into4stages:starting(1974~1985),revolutionary(1986~1995),emerging(1996~2005)andspecialtymaterials
(2006~).Majoreventsandlandmarksatthedifferentstageswererecountedtoprovideaframeworkforunderstand-
ancesinthefollowing6areaswerereviewed:alloying,micro-
structuretype,primaryprocessing(melting),secondaryprocessing(hotworking),properties(includingcreep,frac-
tureandfatigue,andoxidation),andtertiaryprocessing(forming,coveringbothinvestmentcastingandnear-net
shapepowdermetallurgy).Futurechallengeswereidentifiedasfollows:improvementofcentrifugalcastingtech-
nology,low-costwroughtprocess,developmentofthird-generationalloysthatmeetdesignspecifications,newap-
plicationsbasedonnewtechnologies,andviabilityofnewformingroutessuchasadditivemanufacturing.
KEYWORDS
g
-TiAlintermetallicalloy,cost-effectiveprocessingroute,application,futurechallenge
1发展简史
1.1起步阶段(1974~1985年)
TiAl的密度仅为镍基高温合金的一半,在600~
900℃温度区间有可能取代高温合金制作某些航空
航天结构件以及地面动力系统转动或往复运动结
构件,实现推力重量比值和燃油效率的大幅度提
高.尽管上世纪50年代中期人们已经认识到
g
-TiAl
具有很好的高温强度和蠕变抗力,且其抗氧化性能
可以通过添加Ta,Nb,Ag得到改善
[1]
,但对
g
-TiAl的
研究真正开始于70年代中期.Shechtman等
[2]
和Lip-
*收稿日期:2014-07-18
作者简介:杨锐,男,1965年生,研究员
DOI:10.11900/0412.1961.2014.00396
sitt等
[3]
在研究
g
-TiAl的变形和断裂机制时发现,无
论对Ti-50Al的合金采用怎样的退火处理,在透射电
镜下看到的都是
g
-TiAl+
a
2
-Ti
3
Al两相片层组织,不
便用于确定
g
-TiAl相中的变形位错.因此,又制备
了富Al侧的Ti-54Al单相合金用于确定
g
相的滑移
系.关于Ti-50Al合金中出现了
a
2
相的原因,Shecht-
man等
[2]
当时觉得可能是因为Ti-50Al成分位于
g
+
a
2
两相区内.
g
相区边界的准确位置是多年来关于
Ti-Al二元相图的争议之一.目前最权威的Ti-Al二
元相图版本是Schuster和Palm
[4]
在评估了370余篇
相关文献基础上,于2006年给出的,见图1.由图可
见,Ti-50Al合金位于
g
单相区内,但因为该合金首
先凝固的是
a
相(经有序化反应成为
a
2
相),
g
作为次
生相在晶界出现,伴随着Al的偏析.只有当Al含量
130
金属学报
第51卷
图1
Ti-Al二元相图
[4]
Fig.1
Ti-Albinaryphasediagram
[4]
大于55%(原子分数,下同)时
g
才是初生相
[5]
.
g
相的
体积分数与凝固速度有关:对于Ti-50Al合金,电孤
熔炼钮扣锭中仅约为0.3,熔模铸造合金锭中约为
0.5.因此,相图上
g
相区边界位置的准确性取决于
Al偏析导致的非平衡显微组织能否有效消除.此
外,如果杂质元素(如O)在两相中的溶解度差别较
大,相界位置也与合金中杂质的含量有关.更大的争
议涉及高温区域,2个与有序化反应相关的问题至今
仍无确定答案:一是在Ti-Al二元系中,
b
相是否会有
序化为B2相,一些研究
[6,7]
认为该有序化反应存在,但
另一些研究
[8]
认为不可能存在,图1选择了后者;二是
虽然确认
a
相转变成了
a
2
相,但到底是通过
a
+
b
→
a
2
包析反应
[6]
还是通过成分全等的有序化反应
[8,9]
形成
的尚无定论.这些问题充分说明了Ti-Al二元相图的
复杂性,Witusiewicz等
[10]
随后于2008年评估的Ti-
Al二元相图与图1并不完全一致.
1974~1982年,普惠航空发动机公司开展了第
一轮TiAl材料研究
[11]
,于1979年筛选出第一个具有
实用价值的合金成分:Ti-48Al-1V-0.1C,并开展了一
系列力学性能、成形工艺和典型试验件研究,通常
认为这是第一代TiAl合金的代表.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
[11]
和
JT9D发动机低压涡轮叶片
[12]
.
1974~1985年,全世界只有约15篇关于
g
-TiAl
的公开发表的论文
[12]
,这些早期开拓性的工作为
下一阶段的爆发式研究奠定了基础并指出了大致
方向.
先进材料,特别是应用于苛刻环境的结构材
料,从概念到应用一般认为会经历4个阶段(图2)
[13]
.
在研究热潮阶段,材料被描述为革命性的.当热潮
冷却下来便进入了研究活动低谷的攻坚阶段,此时
图2
先进材料的发展阶段
[13]
Fig.2
Typicalstagesofdevelopmentofadvancedmaterials
[13]
材料被描述为即将兴起,这一阶段通常是漫长的,
事实上多数先进材料走不出这个“死亡谷”
[14]
.一旦
材料的技术难题被攻克并在某个重要需求拉动下
首次应用,即进入实现特定应用的第3阶段,只有当
材料的稳定性、成本、供应链诸问题妥善解决以后
才会成为商品材料,或称为货架材料.在这2个阶
段,材料逐渐走向成熟.到目前为止,
g
-TiAl合金的
发展历史基本符合图2所示的规律.基于首先在GE
公司发动机上获得工业化应用的4822合金(Ti-
48Al-2Cr-2Nb)的发展史,可以确定
g
-TiAl合金各发
展阶段的大致时间节点.
1.2热潮阶段(1986~1995年)
Aoki和Izumi
[15]
于1979年发现,B可以改善
Ni
3
Al的室温塑性,进一步研究表明B改善Ni
3
Al塑
性的效应十分显著
[16]
,由此掀起了金属间化合物研
究热潮.在Ti-Al系中,早期对于Ti
3
Al的期望比TiAl
要大得多,但随着研发的深入,TiAl的重要性超过
了Ti
3
Al
[17]
.
热潮阶段始于2个典型第二代
g
-TiAl合金
的问世,即4822合金和45XD(Ti-45Al-2Mn-2Nb-
0.8vol%TiB
2
),结束于美国矿冶∙金属∙材料学会
(TMS)主办的第一届
g
-TiAl国际会议的召开
[18]
,
这10年间,4822和45XD均走完了从合金熔炼到
典型结构件测试的一个循环,研究进展见文献
[5,19~23].
4822是GE公司研发的迄今室温塑性最高的
g
-
TiAl合金.1988年,GE公司认识到该合金具有工程
开发价值,并经过全面比较确定铸造为首选工艺,
于1989年开始铸造工艺研究.GE90发动机的减重
需求推动了对
g
-TiAl合金重要性的认识,从而决定
在CF6-80C发动机计划中开展采用4822合金制造
第5级低压涡轮叶片的实验研究
[24]
,由Howmet公司
铸造出叶片毛坯,采用电化学方法加工出净尺寸叶
2024年4月4日发(作者：在清华)
第51卷
2015年2月
第2期
第129-147页
Vol.51No.2
pp.129-147
ACTAMETALLURGICASINICA
Feb.2015
钛铝金属间化合物的进展与挑战
*
杨锐
(中国科学院金属研究所,沈阳110016)
摘要
按照起步(1974~1985年),热潮(1986~1995年),兴起(1996~2005年)和特定应用(2006年~)4个阶段回顾了钛铝金属
间化合物的研发历程,评述了各阶段对钛铝合金发展起到主导作用的里程碑事件,简要总结了在合金化、显微组织类别、一
次加工(熔炼)、二次加工(热加工)、性能、三次加工(成形)等6个方面的主要进展.提出了钛铝合金未来发展面临的5方面挑
战:铸造合金与技术的进一步发展、低成本变形合金技术、第三代合金研制、基于新制备技术的新应用以及新成形工艺研发.
关键词
钛铝金属间化合物,低成本工艺,应用,技术挑战
中图法分类号
TG146.2
文献标识码
A
文章编号
0412-1961(2015)02-0129-19
ADVANCESANDCHALLENGESOFTiAlBASEALLOYS
YANGRui
InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016
Correspondent:YANGRui,professor,Tel:,E-mail:ryang@
Manuscriptreceived2014-07-18
ABSTRACT
Thehistoryofresearchanddevelopmentof
g
-TiAlintermetallicalloyswasoutlinedanddivided
into4stages:starting(1974~1985),revolutionary(1986~1995),emerging(1996~2005)andspecialtymaterials
(2006~).Majoreventsandlandmarksatthedifferentstageswererecountedtoprovideaframeworkforunderstand-
ancesinthefollowing6areaswerereviewed:alloying,micro-
structuretype,primaryprocessing(melting),secondaryprocessing(hotworking),properties(includingcreep,frac-
tureandfatigue,andoxidation),andtertiaryprocessing(forming,coveringbothinvestmentcastingandnear-net
shapepowdermetallurgy).Futurechallengeswereidentifiedasfollows:improvementofcentrifugalcastingtech-
nology,low-costwroughtprocess,developmentofthird-generationalloysthatmeetdesignspecifications,newap-
plicationsbasedonnewtechnologies,andviabilityofnewformingroutessuchasadditivemanufacturing.
KEYWORDS
g
-TiAlintermetallicalloy,cost-effectiveprocessingroute,application,futurechallenge
1发展简史
1.1起步阶段(1974~1985年)
TiAl的密度仅为镍基高温合金的一半,在600~
900℃温度区间有可能取代高温合金制作某些航空
航天结构件以及地面动力系统转动或往复运动结
构件,实现推力重量比值和燃油效率的大幅度提
高.尽管上世纪50年代中期人们已经认识到
g
-TiAl
具有很好的高温强度和蠕变抗力,且其抗氧化性能
可以通过添加Ta,Nb,Ag得到改善
[1]
,但对
g
-TiAl的
研究真正开始于70年代中期.Shechtman等
[2]
和Lip-
*收稿日期:2014-07-18
作者简介:杨锐,男,1965年生,研究员
DOI:10.11900/0412.1961.2014.00396
sitt等
[3]
在研究
g
-TiAl的变形和断裂机制时发现,无
论对Ti-50Al的合金采用怎样的退火处理,在透射电
镜下看到的都是
g
-TiAl+
a
2
-Ti
3
Al两相片层组织,不
便用于确定
g
-TiAl相中的变形位错.因此,又制备
了富Al侧的Ti-54Al单相合金用于确定
g
相的滑移
系.关于Ti-50Al合金中出现了
a
2
相的原因,Shecht-
man等
[2]
当时觉得可能是因为Ti-50Al成分位于
g
+
a
2
两相区内.
g
相区边界的准确位置是多年来关于
Ti-Al二元相图的争议之一.目前最权威的Ti-Al二
元相图版本是Schuster和Palm
[4]
在评估了370余篇
相关文献基础上,于2006年给出的,见图1.由图可
见,Ti-50Al合金位于
g
单相区内,但因为该合金首
先凝固的是
a
相(经有序化反应成为
a
2
相),
g
作为次
生相在晶界出现,伴随着Al的偏析.只有当Al含量
130
金属学报
第51卷
图1
Ti-Al二元相图
[4]
Fig.1
Ti-Albinaryphasediagram
[4]
大于55%(原子分数,下同)时
g
才是初生相
[5]
.
g
相的
体积分数与凝固速度有关:对于Ti-50Al合金,电孤
熔炼钮扣锭中仅约为0.3,熔模铸造合金锭中约为
0.5.因此,相图上
g
相区边界位置的准确性取决于
Al偏析导致的非平衡显微组织能否有效消除.此
外,如果杂质元素(如O)在两相中的溶解度差别较
大,相界位置也与合金中杂质的含量有关.更大的争
议涉及高温区域,2个与有序化反应相关的问题至今
仍无确定答案:一是在Ti-Al二元系中,
b
相是否会有
序化为B2相,一些研究
[6,7]
认为该有序化反应存在,但
另一些研究
[8]
认为不可能存在,图1选择了后者;二是
虽然确认
a
相转变成了
a
2
相,但到底是通过
a
+
b
→
a
2
包析反应
[6]
还是通过成分全等的有序化反应
[8,9]
形成
的尚无定论.这些问题充分说明了Ti-Al二元相图的
复杂性,Witusiewicz等
[10]
随后于2008年评估的Ti-
Al二元相图与图1并不完全一致.
1974~1982年,普惠航空发动机公司开展了第
一轮TiAl材料研究
[11]
,于1979年筛选出第一个具有
实用价值的合金成分:Ti-48Al-1V-0.1C,并开展了一
系列力学性能、成形工艺和典型试验件研究,通常
认为这是第一代TiAl合金的代表.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
[11]
和
JT9D发动机低压涡轮叶片
[12]
.
1974~1985年,全世界只有约15篇关于
g
-TiAl
的公开发表的论文
[12]
,这些早期开拓性的工作为
下一阶段的爆发式研究奠定了基础并指出了大致
方向.
先进材料,特别是应用于苛刻环境的结构材
料,从概念到应用一般认为会经历4个阶段(图2)
[13]
.
在研究热潮阶段,材料被描述为革命性的.当热潮
冷却下来便进入了研究活动低谷的攻坚阶段,此时
图2
先进材料的发展阶段
[13]
Fig.2
Typicalstagesofdevelopmentofadvancedmaterials
[13]
材料被描述为即将兴起,这一阶段通常是漫长的,
事实上多数先进材料走不出这个“死亡谷”
[14]
.一旦
材料的技术难题被攻克并在某个重要需求拉动下
首次应用,即进入实现特定应用的第3阶段,只有当
材料的稳定性、成本、供应链诸问题妥善解决以后
才会成为商品材料,或称为货架材料.在这2个阶
段,材料逐渐走向成熟.到目前为止,
g
-TiAl合金的
发展历史基本符合图2所示的规律.基于首先在GE
公司发动机上获得工业化应用的4822合金(Ti-
48Al-2Cr-2Nb)的发展史,可以确定
g
-TiAl合金各发
展阶段的大致时间节点.
1.2热潮阶段(1986~1995年)
Aoki和Izumi
[15]
于1979年发现,B可以改善
Ni
3
Al的室温塑性,进一步研究表明B改善Ni
3
Al塑
性的效应十分显著
[16]
,由此掀起了金属间化合物研
究热潮.在Ti-Al系中,早期对于Ti
3
Al的期望比TiAl
要大得多,但随着研发的深入,TiAl的重要性超过
了Ti
3
Al
[17]
.
热潮阶段始于2个典型第二代
g
-TiAl合金
的问世,即4822合金和45XD(Ti-45Al-2Mn-2Nb-
0.8vol%TiB
2
),结束于美国矿冶∙金属∙材料学会
(TMS)主办的第一届
g
-TiAl国际会议的召开
[18]
,
这10年间,4822和45XD均走完了从合金熔炼到
典型结构件测试的一个循环,研究进展见文献
[5,19~23].
4822是GE公司研发的迄今室温塑性最高的
g
-
TiAl合金.1988年,GE公司认识到该合金具有工程
开发价值,并经过全面比较确定铸造为首选工艺,
于1989年开始铸造工艺研究.GE90发动机的减重
需求推动了对
g
-TiAl合金重要性的认识,从而决定
在CF6-80C发动机计划中开展采用4822合金制造
第5级低压涡轮叶片的实验研究
[24]
,由Howmet公司
铸造出叶片毛坯,采用电化学方法加工出净尺寸叶