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1、1999年12月JournalofGuangxiUniversity(NatSciEd)Dec.1999a3TiAl金属间化合物的研究进展周怀营湛永钟(广西大学材料科学研究所,南宁,530004;第一作者42岁,男,教授)摘要综述了TiAl金属间化合物的研究进展.介绍TiAl合金室温脆性的解决办法,对其制备和加工的新工艺进行分类评述,并从基础理论研究、制备与加工新技术、类单晶TiAl及TiAl基复合材料的研制等方面指出其今后的研究与开发动向.关键词TiAl;金属间化合物;室温脆性+分类号TG132132许多金属间化
2、合物由于具有比重轻、强度高、高温力学性能和抗氧化性优异等特点,而被认为是一[1]种理想的待开发的航空航天用高温结构材料.与其他金属间化合物相比,TiAl系由于铝化合物本身所具有的极高的抗氧化性、较高的比熔点、较低的密度以及钛极高的比熔点,而成为近年来人们研究开发的焦点,目前正在研究开发的主要有Ti3Al(A2),TiAl(C)和TiAl3(S).室温脆性和难加工成形性是[2]其实用化进程上的主要障碍.人们经过对Ti3Al合金比较全面系统的研究,可以期望它最先接近实用化;TiAl3则由于室温塑性更差,目前只限于在日本
3、、美国和中国等少数国家进行基础性研究.目前,研究的重点主要集中在TiAl合金上,试图通过合金化及热加工等手段来改善其室温脆性问题.1TiAl金属间化合物室温脆性问题的解决办法TiAl是典型的Bethollide型化合物,任何温度下均呈有序状态.根据Al含量的高低,TiAl合金可分为C单相合金(≥49at%Al)和C+A2双相合金(<49at%Al),而C+A2双相合金按组织形态又可分为4类:(1)全片层组织(FL),由较大的层片块组成;(2)近片层组织(NL),由较大的层片块及较细的C+A2等轴晶组成;(3)近C组
4、织(NG),由粗大的C等轴晶及较细的C+A2混合组成;(4)双态组织(Duplex),为细小的层片块和细小的C+A2等轴晶的混合组织.由于TiAl晶体为面心四方结构(L10型),晶胞cöa比值为1102,晶体对称性低,滑移系少,且共价键成分大,电子云分布不均匀,因此室温时呈脆[3]性.目前用于改善TiAl合金室温脆性的方法可归纳为合金化法和热加工法.111合金化法通过合金化来改善CTiAl金属间化合物室温脆性,是近年来TiAl合金研究的一个重要方向.目前发展的TiAl基合金的成分为Ti(46～52)at%Al(1～
5、10)at%M,其中M为Cr,Mn,V,Mo,Ta等元素中的一种或几种.合金化法改善TiAl合金室温脆性的基本机制为:(1)细化晶粒,以提高合金的延展性;(2)调控合金显微组织,获得具有较大体积百分量的细小的全片层组织,以均衡提高TiAl合金[4]室温拉伸性能和断裂韧性;净化合金,降低氧、氮等间隙式杂质元素的含量.近年来,通过添加Cr来改善TiAl金属间化合物室温脆性的研究取得了显著的成果.添加Cr后,可取代TiAl中的Al,有助于获得低Al的C相;同时降低了A2相的稳定性,使片层A2相变成粒状,形成了新[5]生的
6、细小的C+A2晶体,因而可显著细化C+A2两相合金铸态组织.Kim认为,同时加入Nb和Cr对提[6]高TiAl合金性能最为有效.曹名洲等人的研究表明,在TiAl合金中添加Mn后,使C相晶格a和c轴[7]都减小,并使cöa值接近1.Mn促使C相中孪晶的形成,提高了TiAl合金的室温塑性.Blackburn等人[8]发现适量的V能有效地提高TiAl合金的塑性,并可降低韧脆转变温度.贺连龙的研究表明,TiAl金a3国家自然科学基金(29771009)和广西自然科学基金(9824017)资助项目收稿日期:19990802第
7、24卷第4期广西大学学报(自然科学版)Vol.24No.4第4期周怀营等:TiAl金属间化合物的研究进展263属间化合物中加入少量Si可使其电子云对称化,从而提高室温延性.计算结果表明,Si比Mn的合金化效果更好.最近,有关TiAl金属间化合物通过添加稀土元素改善室温脆性的研究也取得了长足的进展.[9]刘昌明等人发现Nd可明显增加铸锭柱状晶的长度和减小柱晶直径,同时细化了铸锭中心区的等轴[10]晶粒.添加011at%Nd后,铸锭的平均晶粒尺寸由1400Lm减小为450Lm.Vasudevan等人在合金中加入014a
8、t%Er后,发现由于形成Er2O3弥散粒子,降低了基体中杂质氧的含量,使塑性得以改善.陈仕[11]奇等人发现添加La也具有类似的效果.112热加工法解决TiAl室温脆性的另一重要途径是通过控制热加工工艺参数来达到的.这一方法的基本原理可归纳为:(1)获得细晶组织,减少滑移长度、增加非滑移系,从而提高塑性;(2)控制工艺参数,减少成分偏析和晶粒大小不均匀性.显
