TiAl基合金高温防护及热障涂层体系研究进展

TiAl基合金以其低密度、高比强度、耐烧蚀、良好的高温力学性能等优点成为新型轻质高温结构候选材料,自20世纪70年代以来备受关注。随着各种强韧化措施的研究不断深入,TiAl基合金的室温脆性问题逐步得到了解决。TiAl基合金成功应用于航空发动机叶片、航天飞行器蒙皮、舵翼、汽车排气阀等。然而,TiAl基合金高温抗氧化性能不足,限制了其作为高温零部件的应用。目前,主要通过整体合金化以及表面改性两种方式来改善TiAl基合金的高温抗氧化性能。整体合金化是在合金中添加Nb、Si、Mo、W、稀土等合金元素,促使合金表面形成致密的氧化层并提高氧化层与基体的结合力;表面改性主要包括表面合金化和表面涂层两种途径,表面合金化技术一般采用热扩散、离子注入、预氧化、激光表面合金化等方法,表面涂层技术是利用不同种类的涂层改善基体的表面性能,例如Ti-Al-X体系涂层、MCrAlY热障涂层、陶瓷涂层、复合涂层。热障涂层,作为一种表面改性中的涂层材料,具有优异的抗氧化性能以及长期服役性能。当应用于TiAl基合金表面时,热障涂层能够有效提升合金的高温抗氧化性能。但两者结合也存在如下问题,热生长氧化物的过度生长导致界面失效,以及涂层与基体元素互扩散严重,导致热障涂层/TiAl合金体系长期服役性能减弱。本文归纳并分析了TiAl基合金的高温氧化行为,分别从整体合金化以及表面改性两个方面综述了TiAl基合金高温防护的影响因素和作用机理,分析了热障涂层应用在TiAl合金表面所面临的问题并提出了改进方案,以期为提高TiAl基合金的抗高温氧化性能及发展热障涂层/TiAl合金体系提供参考。

TiAl合金与45Cr9Si3马氏体钢异种材料电阻焊接头界面结构研究

TiAl合金和45Cr9Si3马氏体钢在发动机气门阀结构中具有潜在应用价值,但二者物理、化学性能差异较大,焊接存在较大的挑战。研究发现,采用电阻焊能够实现TiAl合金和45Cr9Si3马氏体钢的良好焊接,焊接接头中不存在明显的裂纹、气孔等缺陷。在TiAl合金与45Cr9Si3马氏体钢的焊接界面存在厚度为5μm左右的扩散反应层,该扩散反应层主要是45Cr9Si3马氏体钢中的Fe元素向TiAl合金一侧扩散形成的。在焊缝处存在局部液化区,主要是焊接初期焊接界面的不均匀接触导致接触尖点位置瞬间通过大电流而发生液化所引起的。

放电等离子烧结TiAl-V-Cr合金的拉伸和压缩性能

以Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr合金粉末为原料,采用放电等离子烧结工艺制备出TiAl基合金,并研究了显微组织对合金的室温拉伸、压缩性能以及断裂机制的影响。结果表明,采用SPS方法可制备组织成分均匀的TiAl-V-Cr合金材料,其室温拉伸、压缩性能以及断裂机制与显微组织类型和晶粒尺度密切相关,且对于相同组织的合金,其压缩性能远远优于拉伸性能。当烧结温度为1100℃时,具有细小双态组织的合金具有最佳的室温力学性能,其抗压强度为3321 MPa,压缩率为35.2%。

一种新型钛基钎料钎焊TiAl合金接头的界面组织及性能

采用机械球磨制备的Ti H_(2)-65Ni和Ti B_(2)复合粉末钎料对Ti-47Al-2Nb-2Cr-0.15B(at%)合金进行钎焊连接,钎焊温度1190~1250℃、钎焊时间10 min。研究了Ti Al合金钎焊接头界面组织及钎焊温度对接头组织与室温抗剪强度的影响。结果表明,Ti Al钎焊接头由3个界面反应层组成,主要物相为α_(2)-Ti_(3)Al、τi_(3)-Ali_(3)Ni Ti_(2)、Ti B。随着钎焊温度的升高,形成的连续α_(2)-Ti_(3)Al层壁垒被打破,钎料元素向母材的扩散量及母材的溶解量增加,导致钎缝厚度增加。Ti Al钎焊接头抗剪强度随钎焊温度的升高先增加后减小。当钎焊温度为1230℃时,与钎缝基体具有相似的热膨胀系数的Ti B晶须尺寸细化,数量增加,层Ⅲ中组织更细化、物相分布更均匀,获得的接头抗剪强度最大,为332.87 MPa。钎焊接头以准解理断裂方式脆断于以τi_(3)-Ali_(3)Ni Ti_(2)为主要物相的层Ⅱ中。

微观组织结构对TiAl合金高温氧化行为的影响

通过分析不同微观组织TiAl合金在850℃下的恒温氧化行为,揭示了不同微观组织TiAl合金的高温氧化机制。研究表明,近γ组织和双态组织TiAl合金表现出优异的高温抗氧化性,850℃恒温氧化100h后,样品表面氧化膜厚度分别为13.78、12.81μm,而全片层组织TiAl合金在同等条件下的氧化膜厚度为19.06μm。经850℃氧化100 h后,不同微观组织TiAl合金表面均形成了不具有保护作用的TiO_(2)/Al_(2)O_(3)混合氧化层。全片层组织TiAl合金高温抗氧化性不足的主要原因是基体中存在过多的原子扩散通道(片层晶界和板条相界),导致大量的氧进入基体发生氧化反应,而近γ组织和双态组织中原子扩散通道明显减少,且存在大量抗氧化性能优异的γ晶粒,显著降低了氧扩散与氧化速率,从而提高了TiAl合金的高温抗氧化性能。

TiAl合金叶片类构件成形工艺研究进展

TiAl合金具有良好的高温强度和比强度等优异性能,在航空发动机叶片、汽车涡轮叶片等部件上的应用得到广泛关注。但TiAl合金存在本征脆性、高温变形过程中温度/应变速率敏感性大、热加工窗口窄及热变形易开裂等难题,导致TiAl合金叶片类构件制备具有极大难度。随着TiAl合金体系的不断完善,除铸造成形外,锻造及增材制造工艺通常也被用于航空发动机用TiAl合金叶片类构件的制备。总结分析了近年来国内外TiAl合金叶片类构件铸造、锻造及增材制造工艺的原理、工艺参数及应用现状,并对TiAl叶片的制备工艺进行了展望。

TiAl基合金格栅结构预制空位拉制成形研究

为解决TiAl基合金板材制备困难、成形性能差以及难以采用传统方法制造格栅结构的问题,采用预置空位拉制成形方法制造TiAl基合金格栅结构。在烧结温度1150℃、烧结压力30 MPa、保温时间2 h条件下,通过预合金粉末热压烧结工艺制备TiAl基合金。TiAl基合金板料预制空位拉制成形温度为990℃,应变速率为0.001 s^(-1)。结果表明,随着板材变形长度增加,空位形状变化为纵向菱形→正方形→横向菱形,空位沿板材分布比较均匀,与模拟结果相符;板材最大拉应变位置由空位圆角处转移到空位交叉处,最大拉应变值为0.5。当TiAl基合金预置空位板材变形长度最大达到89 mm时,变形区伸长率为112%。

TiAl合金铸件的热处理组织调控机制

TiAl合金铸态组织粗大,致使其铸件强度低、塑性差,必须通过热处理细化铸态组织。利用OM和SEM研究了Ti-47Al-2Cr-2Nb合金铸件不同热处理组织演变规律,优化制定了双态和近片层组织热处理工艺,实现了晶粒细化,揭示了细化机理。结果表明,1185℃/6 h/炉冷双态组织热处理和1185℃/6 h/炉冷+1330℃/0.25 h/炉冷近片层组织热处理可分别将铸态组织晶粒尺寸细化75.51%和40.21%。双态组织热处理晶粒细化机制是在片层团晶粒内部析出大量γ晶粒打断原始粗大的片层团晶粒,γ晶核在片层团晶粒内形核来源于Al元素偏析和γ片层连续粗化。近片层组织热处理晶粒细化机制是在α单相区短时保温时发生了γ→α转变,破坏了原始粗大的片层团晶粒。等轴γ晶粒对α晶粒长大有钉扎作用,使得冷却后形成的片层团晶粒尺寸较小。

TiAl合金在高电位流动电解液中的庞加莱截面分析

TiAl合金在高电位电化学溶解过程中的电流密度时间序列呈现出明显的高维混沌行为,相空间重构已不能直观地展示系统的具体形态,针对此问题采用庞加莱截面、差分庞加莱截面及分布熵定量表征TiAl合金在不同压力电解液中的高电位溶解电流密度时间序列的非线性行为特征。研究表明:差分庞加莱截面由于其去趋势化作用能更直观地反映合金电流密度的局部波动,局部波动越大散点越分散,说明合金发生非均匀溶解,局部波动越小散点越聚集,说明合金发生均匀溶解。结合分布熵运算结果可知,TiAl合金高电位电化学溶解系统在电解液压力为0.4 MPa时最稳定,合金发生均匀稳定溶解。

基于田口法的离心铸造TiAl合金环形件组织调控工艺参数优化

为了获得TiAl合金环形件离心铸造过程中离心转速、浇注温度、浇注速度和模具预热温度对TiAl合金铸环凝固组织的影响规律,通过数值仿真和田口法,并利用晶粒尺寸和缩孔率的信噪比结果作为衡量铸件质量的指标,从而优化离心铸造工艺参数。试验结果表明:各工艺参数对晶粒尺寸影响因素大小依次为浇注速度、浇注温度、离心转速、铸型预热温度。各工艺参数对缩孔率影响因素大小则依次为浇注速度、离心转速、浇注温度、铸型预热温度。以晶粒细化程度最大、缩孔率最小作为优化目标时,最优工艺参数为离心转速600 r/min、浇注温度1620℃、浇注速度200 mm/s和型壳预热温度150℃。试验验证结果表明,该工艺参数制备出晶粒细小、组织致密的优质TiAl合金铸件。

超声纵扭辅助铣削TiAl合金表面质量及刀具磨损研究

TiAl合金属于典型难加工材料,采用传统方式加工难以获得良好的表面质量,因此文章提出采用超声纵扭辅助铣削TiAl合金。试验采用单因素对照方法,研究了超声纵扭铣削(ULTM)与普通铣削(CM)加工TiAl合金时工艺参数对表面粗糙度、表面形貌及显微硬度的影响规律。研究结果表明,ULTM铣削可以改善TiAl合金的表面粗糙度,获得普遍较低的粗糙度值(Ra<0.6μm);ULTM对TiAl合金表面硬化具有强化作用,能使表面硬度平均提升超过10%,并且采用ULTM加工得到的工件和切屑表面质量都较好。此外,铣削150 mm3的TiAl合金时发现ULTM的刀具底刃磨损量明显减小,刀具主要发生氧化磨损和扩散磨损。

TiAl合金低周疲劳失效机理综述

TiAl合金具有优异的比强度和高温稳定性,被广泛应用于航空航天领域。随着社会发展对飞机发动机运行稳定性和可靠性的要求越来越高,TiAl合金的低周疲劳性能和失效机理越来越受到关注。本文综述了近30年来TiAl合金低周疲劳方面的研究进展,包括应变范围、温度、合金成分、组织类型、片层取向、微观变形等对TiAl合金低周疲劳行为的影响机理,重点阐释了测试条件与TiAl合金微观结构的交互作用对疲劳失效行为的影响规律。

新型多相TiAl合金的β/B2相含量变化及其对拉伸性能的影响

以新型多相TiAl合金(Ti-43.5Al-6(Nb、Cr、Ta))的挤压态组织为研究对象,先通过热处理分析该合金中β/B2相、α/α2相和γ相平均含量随固溶温度和保温时间的演变规律,然后测试合金在三相区内不同β/B2相含量时的室温和高温(750℃和800℃)拉伸性能。结果表明:在1190~1350℃范围内,γ相含量随固溶温度的升高和保温时间的延长逐渐减少,在1270℃时,γ相完全消失;在1190~1350℃范围内,β/B2相含量随固溶温度的升高先减少后增加,随保温时间的延长逐渐减少,而层片团的含量和尺寸与β/B2相的含量变化负相关;在1230~1280℃范围内,β/B2相平均含量可控制在10%以下;在1250~1270℃范围内,延长保温时间可将β/B2相平均含量控制在0.5%以下;当合金处于三相区时,控制β/B2相平均含量约6%,可得到综合拉伸性能优异的均匀细小近层片组织,且该组织的室温抗拉强度超过1050 MPa、室温伸长率1.5%~2%,750℃抗拉强度超过950 MPa,800℃抗拉强度超过850 MPa。

TiAl合金电解加工系统的非线性动力学特征与加工表面形貌之间的映射关系

电流密度的大小和波动形态一直是电解加工过程的一个重要的参数,但其波动形态与电解加工表面微观形貌之间映射关系却一直没有得到重视。采用相空间重构、递归图及量化参数分析TiAl合金电解加工过程电流密度的非线性动力学行为,利用粗糙度与缺项量化表征加工表面微观形貌。研究发现,电解液压力和脉冲频率均是影响电解加工过程的非线性动力学行为和加工表面微观形貌的显著因素,当电解液压力为0.35 MPa或脉冲频率为300 Hz时,TiAl合金电解加工系统结构最简单、稳定,加工表面最光滑、均匀,电解加工系统的结构特征和加工表面的微观形貌之间存在良好的匹配关系。

粉末注射成形制备复杂薄壁TiAl合金旋流器

旋流器作为航空发动机的重要部件,实现其轻量化制造对提升发动机服役性能具有重要意义。轻质高强耐热TiAl合金是一种极具应用潜力的高温结构材料,但其本征脆性大、制备加工困难,严重限制其在高性能旋流器制造方面的应用。为此,本研究采用粉末注射成形(powder injection molding,PIM)制备方法,结合水溶性芯模的模具设计及高保形聚甲醛(POM)基黏结剂开发,通过催化脱脂、热脱脂及两步烧结工艺,直接近净成形制备出复杂薄壁TiAl合金旋流器,无需机加工过程。结果表明:成分为82%(质量分数,下同)POM-5%高密度聚乙烯(HDPE)-5%乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)-8%硬脂酸(SA)的黏结剂具有较高的粉末装载量和较佳的充模性能,其喂料粉末装载量为62%(体积分数),流动行为指数n为0.56,黏流活化能E为22.95 kJ/mol,综合流变学因子为9.59;常压两步烧结方法可实现高致密度和细晶的协同控制,当烧结工艺为1430℃/1 h+1250℃/5 h时,PIM所制备TiAl合金的致密度达到96.3%,且片层团尺寸约为100μm,后续结合热等静压处理实现了TiAl合金的近全致密化,所制备复杂薄壁TiAl合金旋流器的尺寸偏差为±0.1 mm,表面粗糙度Ra为1.046μm,室温抗拉强度为577 MPa,屈服强度为466 MPa,伸长率为0.96%。

挤压态TiAl合金热变形行为及热加工图研究

针对TiAl合金热塑性变形难的问题,通过MMS-200型热模拟试验机研究了挤压态Ti-47Al-2Cr-2Nb合金在变形温度为1000~1300℃、应变速率为0.001~1 s^(-1)、工程应变为60%条件下的热变形行为。通过Arrhenius函数模型建立了该合金基于应变补偿的本构方程;基于动态材料模型建立了合金在工程应变为60%时的热加工图。结果表明,该合金具有正应变速率敏感性和负温度敏感性;通过建立的热加工图发现理想的变形参数为1100~1150℃、0.001~0.05 s^(-1)和1200~1300℃、0.001~0.01 s^(-1),突破了传统TiAl合金只能在高温低应变速率条件下变形的认知,发现在0.01和0.1 s^(-1)高应变速率下通过合适的成形温度匹配,该合金仍可以获得较好的成形性能。

基于第一性原理和热力学计算的TiAl-Nb金属间化合物稳定性和相关系研究

采用基于广义梯度近似密度泛函理论的第一性原理计算和相图计算方法,研究了TiAl-Nb合金中γ、α_(2)、O_(2)和ωo相的热力学和力学性质以及相转变关系.研究表明,第一性原理计算得到的化合物相的参数是准确的,且分析结果与相图计算结果相一致.四个化合物相都是能够稳定存在的相.通过热力学和力学性质的分析,发现α_(2)相更容易转变为O_(2)相,并且在一定条件下可以通过相变反应生成ωo相.而γ相更容易转变为ωo相,但无法生成O_(2)相.

大尺寸锻造β型γ-TiAl合金的显微组织与力学性能分析

β型γ-TiAl合金被广泛应用于复杂零件的制备,但在大尺寸单向锻造过程中显微组织和力学性能表现出显著的不均匀性。通过扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射(EBSD)和X射线衍射(XRD)分析了合金的显微组织,关注大尺寸锻造的高β相含量Ti-43Al-9V-0.2Y合金的显微组织和力学性能。研究表明,V元素的添加提高了合金的β相含量,增强了热变形能力。锻造技术在有效变形区形成了细小的等轴晶粒组织,而变形死区则仍保留了部分原始层片结构,中心区域的细小等轴晶粒赋予了合金优异的室温性能,尤其是1.42%的室温塑性。高温力学性能分析显示,Ti-43Al-9V-0.2Y合金在700~750℃范围内经历韧脆转变,在脆性断裂温度下具有较高的强度,主要变形机制为加工硬化。在韧性断裂温度下,合金展现出良好的塑性,主要通过动态再结晶和微孔协调变形来实现。

TiAl合金表面Al-Y渗层的抗热腐蚀性能

针对TiAl合金抗热腐蚀性能不足的问题,采用扩散渗法在其表面制备了Al-Y渗层,研究了催化剂类型对渗层组织结构的影响,分析了渗层的热冲击性能,对比研究了TiAl基体和Al-Y渗层在25%NaCl+75%Na2SO4熔盐(质量分数wt.%)中的热腐蚀行为。结果表明:用不同催化剂制备的Al-Y渗层具有相似的结构,与基体均为良好的冶金结合,由外向内均由富Al外层、TiAl_(3)中间层和TiAl_(2)内层构成,但当采用NH_(4)Cl为催化剂时,渗层的致密度和均匀性较用NaF和AlCl_(3)∙6H_(2)O催化剂好。在1000℃热冲击下,Al-Y渗层较基体合金具有更强的抗热冲击性能。TiAl合金在热腐蚀时,基体中的片层状α_(2)-Ti_(3)Al相首先与O、S介质发生选择性腐蚀,随后形成灾难性腐蚀;而Al-Y涂层在热腐蚀初期会形成致密的Al_(2)O_(3)氧化膜,有效地保护了渗层,随着热腐蚀时间的延长,由于渗层内原子的内外扩散和腐蚀应力,渗层逐渐开裂,裂纹成为O和S元素的扩散通道,但在此过程中,渗层中的TiAl_(3)相发生分解,为裂纹部位提供Al源并形成Al_(2)O_(3)来填补裂纹,延缓了O和S原子的内扩散速率,增强了TiAl合金的耐热腐蚀性能。

多尺度TiB/Ti_(2)AlN颗粒相增强TiAl合金组织与力学性能研究

在Ti43Al6Nb1Mo合金中加入BN增强体,设计出多尺度颗粒增强TiAl复合材料,研究合金中多尺度、多组分硼化物和氮化物颗粒相形成机制以及颗粒相对合金凝固组织的影响规律,探究多尺度颗粒相的协同强韧化机制。结果表明:Ti43Al6Nb1Mo-xBN复合材料中原位自生形成了Ti_(2)AlN相和TiB相,加入BN增强体后,合金片层团尺寸细化明显,这主要是由于Ti_(2)AlN相和TiB相的协同细化效应。另外,Ti_(2)AlN相和TiB相的形成有效抑制了B2相的形成,当BN含量为0.5wt%时,B2相消失。多尺度Ti_(2)AlN和TiB相诱发细晶强化效应、抑制B2相形成,产生固溶强化效应以及第二相沉淀强化效应,Ti43Al6Nb1Mo-xBN复合材料表现出优异的室温和高温强塑性,实现TiAl合金强度和塑性的良好匹配。