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粉末冶金TiAl基合金的研究进展


粉末冶金 TiAl 基合金的研究进展 摘 要 本文综述了粉末冶金制备钛铝基合金的几种工艺方法, 如预合金粉末 工艺,元素粉末制备工艺,自蔓延高温合成工艺方法等,介绍了有关力学性能的 研究及进展情况,对各方法的优势及局限性进行了论述,同时指出了粉末冶金 TiAl 基合金制备技术目前存在的问题及今后研究重点。 关键词 TiAl 基合金;粉末冶金;力学性能 0 引言 作为高温结构材料,

TiAl 基合金正受到业内界人士的越来越高度关注, 良好 的抗氧化性能,低密度,耐高温性能等,让其比之镍基合金和钛基合金更具优越 性[1],因此成为航空,国防,军工等高科技领域极具吸引力的材料。然而,室 温塑性低,高温屈服应力高和加工成形性差等,使得 TiAl 合金广泛应用受到严 重的制约。因此,研究和开发针对 TiAl 合金合理高效的制备与成形技术,是科 技工作者的一个重要课题。常规制备 TiAl 基合金的方法主要有粉末冶金,铸造, 铸锭冶金等。其中粉末冶金方法有其显著独特优点:克服了铸造缺陷,如疏松缩 孔等;加入合金元素来制备复合材料变得容易;材料成分均匀,显微组织细小, 力学性能优异;复杂零件易于实现近净成形。 1 预合金粉末制备工艺 采用预合金粉末成型工艺制备 TiAl 基合金首先要制备 γ-TiAl 预合金粉末, 之后经过模压成型与烧结反应而制得所需制件的工艺。此工艺的成本有些昂贵, 因为, Ti 熔点高且活性比较大, 需要在制备过程中严格控制工艺, 故难度也较大。 现阶段,发展出来很多方法制备 γ-TiAl 预合金粉,其中主要被采用的有:雾化 法、机械合金化法(MA) 、自蔓延高温合成法(SHS)等。此工艺所获材料其晶 粒大小, 相分布以及合金元素分布的均匀性与相应的锻件相比, 都得到显著提高。 用预合金法,德国姆波公司制造出大型客机连接臂,和直升机叶片连杆接头,产 品相比于锻件,材料和成本分别节省 40%和 34%[2]。随后美国坩埚公司又开发 出,可以制备全致密,形状复杂的钛合金近形产品的陶瓷模热等静压技术,使得 合金材料的力学性能得到进一步提升。 2 元素粉末法 元素粉末法是对 Ti、Al 和 Nb、Cr、Mo 等外加元素预压成形,在高温下反 应合成之后进行致密化来制备 TiAl 基合金材料的,制品组织细小、成分均匀。 此法优点是成本比较低, 工艺设备简单而且容易添加各种高熔点合金元素,通过 均匀化混合和高温反应能避免成分偏析。元素粉末法制备 TiAl 基合金,已经得 到了广泛研究,所制备出来的材料性能可与铸造 TiAl 基合金媲美。元素粉末法 制 备 TiAl 合 金 时 Ti , Al 元 素 会 发 生 扩 散 反 应 , 基 本 反 应 过 程 为 [3] : 6Ti+6Al→4Ti+2TiAl3, 4Ti+2TiAl3→Ti3Al+TiAl+2TiAl2, Ti3Al+2TiAl2+TiAl → 6TiAl。 3 成型工艺 预合金粉末属硬脆粉末,不便直接模压成形,所以采用挤压方式进行成形。 有冷挤压和热挤压两种方式。 此工艺让粉末晶粒得到了细化,组织均匀性和粉末 间的高温扩散能力得到提高。 对于元素粉末挤压可以消除压坯膨胀开裂,而对于 预合金粉末,挤压也提高了粉末变形能力。随着科技的进步,出现了很多新技术 如:温压技术,流动温压技术,模壁润滑技术,爆炸压制技术,高速压制技术等。 这使得粉末冶金成形技术正向高性能化,高致密化方向发展。 4 烧结反应工艺 以下是对目前出现的几种 TiAl 合金粉末冶金烧结工艺简单介绍。 4. 1 热压和热等静

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