TiAl基金属间化合物表面涂层研究进展

TiAl合金具有优异的高温力学性能,可以作为Ni基高温合金的轻量化替代材料,但氧化和磨损等行为限制了TiAl合金的高温服役时间,不利于工业化应用。通过在TiAl合金表面沉积涂层,可以使材料兼具基体的力学性能和涂层材料的表面性能,以提高TiAl合金适应不同服役环境的能力,进而拓展其应用范围。列举了TiAl合金使用的涂层材料应具有的性质;介绍了常见涂层的制备方法;以涂层成分分类,分别总结了不同涂层体系的研究现状,并展望了制备工艺和涂层性能的发展趋势。

W含量对Ti-42Al-5Mn-xW合金相转变行为的影响

以低成本、易变形的Ti-42Al-5Mn合金(原子分数,%)为研究对象,利用DSC、EPMA、EBSD及Pandat热力学计算软件系统研究了W含量(0.5%~1.0%)对合金相变行为和组织的影响。结果表明,随着W含量由0.5%提高至1.0%,合金β单相区开始温度(T_(β))和γ相溶解温度(T_(γ-solv))几乎未发生变化,而共析转变温度(T_(eut))稍有增加。W添加会在一定程度上影响合金固态相变路线,随着W含量增加至0.5%,合金近服役温度下的平衡相由α_(2)+γ+Laves逐渐演变为β_(o)+α_(2)+γ+Laves。W添加会对合金片层组织特征产生显著影响。在(γ+α+β)三相区处理时,随着W含量的提高,合金缓冷后组织中片层含量显著降低,当W含量为0.8%和1.0%时,合金组织以γ晶粒和βo相为主,几乎消除了α_(2)/γ层片组织。在(α+β)两相区处理时,合金缓冷后均为近片层组织,且随着W含量由0.5%提高至1.0%,片层组织晶团得到明显细化。

一种新型Ti-Al-Mn-W合金组织与力学性能

设计并制备了一种新型低成本、易热变形的Ti-43Al-3.5Mn-0.5W(at%)合金锻锭,并对其组织、室/高温拉伸力学性能、抗高温氧化性、热变形能力进行了系统分析。结果表明,与Ti-42Al-5Mn相比,研制的合金强度、抗高温氧化性、热变形能力更佳,且该合金α2和βo相中具有更低的Mn含量,降低了合金近服役温度下富锰Laves相的析出倾向。合金的固态相变路线为:β→β+α→β+α+γ→β+βo+α+α2+γ→βo+α2+γ,其中γ相完全溶解的温度(T_(γ-solv))约为1250℃,β单相区温度(Tβ或Tα)约为1360℃。锻态合金显微组织为α2/γ片层和片层界面处大量βo和γ混合相,高温强度降低明显。通过两步热处理,锻态合金的高温强度和稳定性均有一定提升,这主要归结为片层组织含量的提高和片层晶团尺寸的细化。1260℃/0.5 h/AC+800℃/3 h/FC热处理合金800℃的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为320 MPa、555 MPa、16%。

钨、硼对Ti-42Al-5Mn合金热物性参数的影响

材料的导热和膨胀性能是影响其应用的重要因素,本工作以低成本、易变形的Ti-42Al-5Mn合金(原子分数,%,下同)为研究对象,研究了钨、硼微合金化对合金的热扩散速率、热导率、热膨胀性等热物性参数的影响。结果表明,随着W含量提高至1.0at%,合金的热扩散率稍有降低,反之B含量提高至0.3at%,合金的热扩散率略有增加。W添加降低合金导热性能与其增加组织中βo相含量有关。对于β凝固γ-TiAl合金,γ、α_(2)、β_(o)三相导热能力大小顺序应为γ>α_(2)>β_(o)。而B提高合金的导热性能与B在合金中形成的含B第二相粒子有关。W对合金线热膨胀性影响较小,在100~300℃范围内,随着W含量提高至1.0at%,合金的平均线膨胀系数稍有降低,相反在更高温度时的影响逐渐减小。TiAl合金的热膨胀系数数值与铸铁相当,低于钢铁、镍基高温合金等材料,在制造诸如活塞这类要求热膨胀系数很低的部件时具有一定的应用价值。

钨添加对含锰β凝固γ-TiAl合金热加工性的影响

为揭示微量W添加对含锰β凝固γ-TiAl合金热加工性的影响规律,采用真空感应熔炼炉(VIM)制备了Ti-42Al-5Mn-0.8W合金(原子分数),借助热模拟试验机研究了合金在变形温度1100~1250℃、应变速率0.001~10s^(-1),变形程度为70%条件下的热变形行为。结果表明,合金合适的热加工区间为1150~1250℃/0.001~10s^(-1)和1100~1145℃/0.001~1s^(-1)。添加0.8%W可明显降低Ti-42Al-5Mn合金的峰值流变应力(σ_(p))和稳态流变应力(σ_(0.7)),且稳态流变应力降低幅度更加显著。0.8%W改善Ti-42Al-5Mn合金热加工性的主要原因一方面是由于W含量相对较少,在具有极强电磁搅拌作用的真空感应熔炼方式下,W元素的偏析程度并不明显;另一方面得益于W比Mn更强的β稳定作用,它的添加拓宽了合金高温β单相区,从而使合金具有更宽的可热变形窗口。

镍基高温合金K417G与氧化物耐火材料的界面反应

研究了1600℃温度下Al_(2)O_(3)、CaO、MgO、Y_(2)O_(3)稳定ZrO_(2)、CaO稳定ZrO_(2)和Y_(2)O_(3)共6种材料坩埚与镍基高温合金K417G熔体的界面反应。结果表明:熔体对Al_(2)O_(3)坩埚以物理侵蚀为主,但坩埚易剥落导致合金中含有Al_(2)O_(3)夹杂物;CaO坩埚与合金界面处生成了液相Ca_(3)Al_(2)O_(6),促进熔体与CaO之间的润湿性,导致界面处粘连严重;MgO坩埚与熔体中Al反应生成MgAl_(2)O_(4)并进入合金生成夹杂物;Y_(2)O_(3)稳定ZrO_(2)坩埚与合金界面处生成Al_(2)O_(3)反应层,但是Al_(2)O_(3)层未对坩埚发生侵蚀,可见这种坩埚具有较强的抗Al_(2)O_(3)渣的能力;CaO稳定ZrO_(2)坩埚与合金界面处生成液相CaAl_(2)O_(4),导致坩埚失稳,向合金内剥落溶解;Y_(2)O_(3)坩埚与合金界面处主要生成Al_(2)Y_(4)O_(9)反应层,并且Y_(2)O_(3)向合金内溶解较为严重。坩埚和熔体交互作用对K417G熔体杂质O含量有显著影响,CaO、Y_(2)O_(3)和Y_(2)O_(3)稳定ZrO_(2)坩埚熔炼合金中O含量没有增加,而CaO稳定ZrO_(2)坩埚熔炼后O含量由0.0007%(质量分数)增加至0.0011%,MgO和Al_(2)O_(3)坩埚熔炼后,合金O含量增加明显,由0.0007%分别增加至0.0034%和0.0135%。