【摘要】TiAl合金作为一种先进的高温结构材料，已引起了研究学者的广泛关注。本文总结了关于TiAl合金成分设计及成形方法的研究进展，并提出了TiAl合金的发展趋势。
【关键词】TiAl合金；抗氧化性能；高温结构材料
随着科学技术日新月异的发展和航空航天以及汽车工业对结构材料的需求，促进了新材料的诞生。作为传统的高温结构材料-钛基合金和镍基合金，其工作温度分别为600℃和1100℃，密度分别为4.5g/cm3和8.3cm3，他们的潜力已基本挖掘殆尽。因此，高温金属间化合物引起了人们的关注，金属间化合物因其金属键和共价键的存在，以及原子的长程有序排列，使其具有陶瓷不可比拟的韧性和一般金属无法达到的比刚度与比强度。其中最具有代表性的是TiAl基金属间化合物，其密度仅为镍基合金的一半，而且其抗氧化性能和抗蠕变性能优异。通过控制显微组织可以优化合金的综合力学性能，但TiAl合金的低室温塑性仍是一个问题关键，以及800℃以上的长时间应用，其抗氧化性能还不足。目前改善室温塑性的方法有：改善微观组织，细化晶粒尺寸；微合金化；合适的制备工艺等。
1、合金的成分设计研究进展
自20世纪50年代中期TiAl合金出现以来，其室温脆性这个难题一直难于解决。直到20世纪80年代，TiAl合金被美国宇航局定为优先发展的高温结构材料，并决定将此材料应用于军用飞机的发动机中，从而引起了TiAl合金研究的热潮。到目前为止，TiAl合金已经历了四代合金。第一代由美国空军材料研究所和Pratt-Whiney公司共同研发，但其断裂韧性和冲击韧性无法满足要求；第二代合金（Ti-48Al-2Cr-2Nb）由美国GE公司开发并应用到了压气机低压叶片；第三代与第四代合金是研究者近十年来的发展成果。但综合来看，微合金化主导者TiAl合金的发展方向，但是在制备方面没有出现很大的改变。经研究，现将合金元素对TiAl合金性能作用总结如下：
1）提高合金塑性：V，Mo，Cr，B，Mn，RE，Si，Ni；
2） 提高合金的抗氧化性能：Nb，Cr，W，Mo，Ta，Si，Sb；
3） 提高合金的抗蠕变性能：Si，Er，Nb，W，Ta，C，N，O；
4） 提高合金的强度：Nb，Mo，W，B，C，N；
5） 提高合金的断裂韧性：Cr，C，N；
6） 提高合金的显微硬度：W，Si，Nb；
目前所研究的TiAl合金均指的是α2-Ti3Al和γ-TiAl双相合金，因为它的综合机械性能均优于任何一种单相合金。娄贯涛等人通过实验研究了Al、Mo含量对钛合金的影响，发现Al、Mo含量的协同作用使得合金塑性得到了提高。魏强等人通过原子嵌入的方法研究了第三组元W、Cr、Mo对TiAl合金脆性的影响，发现掺杂后的TiAl合金其延展性得到了很好的改善；Cr的加入替代了Ti晶位，减弱了Mo和W对合金硬度的影响。林均品等人利用铸锭冶金方法制备了名义成分为Ti45Al8Nb（0，0.1，0.3，0.4，0.6，0.8，1.0）Y（at%）的合金，经多次熔炼后获得铸锭试样，然后对试样进行循环热处理发现，Y元素的加入，细化了合金晶粒，使氧化膜颗粒更加致密，提高了表面氧化膜和基体的结合性能；并且确定了当合金成分为Ti45Al8Nb0.3Y时，其抗氧化性能最佳。他的另一实验研究中，以Ti45Al8Nb，Ti45Al12Nb，Ti52Al8Nb， Ti52Al12Nb四种成分为研究对象，发现这四种含Nb合金的抗氧化性能均优于不含Nb的合金；高Al含量的合金氧化膜更为稳定，而且氧化膜下为贫Al区；Al和Nb协同作用提高着TiAl合金的抗氧化能力。自此以后，TiAl合金成分朝着高Nb低Al的方向发展。
我国的高Nb-TiAl合金研究已独具风格，国内几所高校重点实验室已全面彻底地对Ti-Al-Nb系合金展开了研究，如科技大学重点实验室、西北有色金属研究院等通过实验为高Nb-TiAl合金的发展提供了坚实的理论基础。北京科技大学重点实验室通过实验发展了Ti-45Al-10Nb和Ti-45Al-18Nb两种合金，其强度高于普通TiAl合金，比强度更是优于传统的镍基合金。而且他们还系统的分析了合金成分对高Nb-TiAl组织与性能的影响，还详细研究了W、Cr与合金组织的关系。中南大学与美国国家实验室联合研究了Ti-Al-Nb-W-B系合金，分别通过熔铸和粉末冶金工艺制备了综合力学性能良好的高Nb钛铝合金，并通过热处理进一步细化了合金晶粒，提高了合金性能。
2、TiAl合金的制备方法研究进展
TiAl合金的制备方法与传统的镍基很近相似，主要方法有铸锭冶金、铸造和粉末冶金。随着粉末冶金理论与技术的发展，这种制备方法有着巨大的潜力。TiAl合金制备方法如图2.1所示。
图2.1 TiAl合金制备方法
2.2.1铸锭冶金
合金通过熔炼，通常使用感应凝壳炉，也采用等离子冷坩埚炉来熔炼。然后对其进行锻造、挤压、热等静压或是热处理，均能得到成分均匀、组织细小的TiAl合金，然后经过轧制、塑性成形来获得所需要的合金材料。因合金中Nb、W的偏析严重，往往组织中含有β相的存在，又因Ti、Al在高温下活性极高，对间隙元素H、C、O、N等极为敏感，所以选择合适的熔炼工艺也极为重要。为了得到所需的微观组织，研究学着往往通过多种工艺进行复合处理，代替传统的加工手段，来获取均匀细小的组织。
2.2.2铸造
铸造作为一种传统的材料制备方法，有着成本低，甚至可实现近净成形的优点，但是铸造TiAl合金组织粗大，成分偏析严重，所以此成形方法发展前景有限。
2.2.3粉末冶金
粉末冶金方法主要有：真空热压烧结、热等静压、注射成形和无压烧结等，它可以解决熔铸中产生的成分偏析、组织粗大、铸锭中心孔洞等缺陷，而且粉末冶金的原材料为单质元素分或是预合金粉，所以这与TiAl微合金化的发展是极为适合的。但是，粉末冶金所需的合金粉制备工艺要求严格，成本高，很难实现大规模的工业生产。这就要求学者寻求一种最为合适的粉末制备工艺和合金的冶金工艺。
无论是微合金化或是先进的成形制备工艺，对制备出的TiAl合金进行适宜的热处理，在细化合金组织，稳定合金结构方面有着不可忽视的作用。根据人处理工艺的不同，可以得到四种不同的显微组织形貌：全片层组织（FL）、近全片层组织（NF）、双态组织（DL）和近γ（NG）组织。经学着分析，全片层组织的合金晶粒粗大、塑性差，但具有良好的断裂韧性和高温抗蠕变性能；近全片层组织的合金，其强度高，但塑性中等；双态组织的合金，除拉伸塑性优异外，其他性能均较差；近γ组织合金，各项性能均较差，科研学者已很少关注。
3、展望
TiAl作为航空航天领域及其重要的高温结构材料，学者们已定出了合金成发展方向为高Nb低Al，但是关于多数的单合金元素对其性能的影响，尤其是多种合金元素的协同作用对合金性能的影响机理还不够完善，需在这一方面进一步研究。另一方面，在TiAl合金的成形方面，需提高铸锭的质量，或通过合适的热处理工艺来使其组织均匀化；进一步研究粉末冶金在TiAl合金中的应用，有其是注射成形方面，寻求合适的成形工艺。
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作者简介
1罗文严，男，在读研究生，济南。