钛铝金属间化合物

铌在γ-TiAl合金发展进程中的作用Yong-Won KimUES – Materials & Processes4401 Dayton-Xenia Road, Dayton, OH 45432, USA关键词：γ钛铝合金，铌，氧化，碳，蠕变，加工摘要: Nb已经成为了γ-TiAl合金中一个很重要的合金元素,γ钛铝合金的成分也从最初的Ti-48Al-2Cr-2Nb发展到现在所用的Ti-45Al-(5-8)Nb。

成分的这些改变起初的主要目的是为了提高合金的抗氧化性，屈服强度以及蠕变性能；然而在带来这些有利的转变的同时，却以降低合金的韧性为代价。

本篇论文旨在讨论如何获取能够进一步提高合金抗氧化性能和蠕变性能，并且有可能同时提高合金断裂韧性的途径。

1前言工程γ-TiAl合金可以根据它们的使用温度进行分类，而使用温度则随着添加Nb含量的增多得到提高。

在不同的组别当中，它们最大的区别在于Nb和Al的含量不同，Al的含量已经从最初的48%降到现在的45%，而Nb的含量则从最初的2%提高到了10%。

实验证明Nb是提高合金抗氧化性能最有效的合金元素，而Al含量的降低可与Nb共同发挥作用，并有助于稳定片层组织和提高合金的强度水平。

由于成分变化所带来的合金韧性的降低，必须探讨一种可行的细化和均匀化组织的工艺。

在TiAl合金中偏析于针状和条带状硼化物周围的Nb元素也成为了必须解决的另外一个问题。

Nb元素的添加通过其固溶强化的作用很大程度上改善了合金的蠕变性能；然而合金蠕变性能的进一步提高有赖于少量的C或Si的加入从而起到沉淀强化的作用。

本论文将在已研究成果的基础上并利用试验结果分析讨论以上提及的几个方面问题。

2 TiAl合金发展进展γ-TiAl合金是一种基于γ-TiAl的一种金属间化合物合金，正在成为当前研究结构材料技术的热点[1-2]。

在过去年代里，全世界范围内发展很多这方面的合金，表1按照产生的年代顺序列出了一些代表性的合金。

⾦属间化合物浅析◆⼭⽔世⼈出品⾦属间化合物（IMC）浅析?⼭⽔世⼈◆⼭⽔世⼈出品⽬录IMC定义IMC的特点及应⽤领域IMC对焊点的影响IMC的形成和长⼤规律如何适当的控制IMC保护板镀层中IMC实例总结◆⼭⽔世⼈出品IMC的定义⾦属间化合物（i t t lli d）是指⾦属与⾦属⾦属与类?intermetallic compound）是指⾦属与⾦属、⾦属与类⾦属之间以⾦属键或共价键形式结合⽽成的化合物。

在⾦属间化合物中的原⼦遵循着某种有序化的排列。

Cu6Sn5、Cu3Sn、CuZn、InSb、等都是⾦属间化合物GaAs、CdSe等都是⾦属间化合物，⾦属间化合物与⼀般化合物是有区别的。

⾸先，⾦属间化合物的组成常常在⼀定的范围内变动；其次⾦属间化合物中各元素的化合价很难确定，⽽且具有显著的⾦属键性质。

◆⼭⽔世⼈出品IMC的特点及应⽤领域⾦属间化合物在室温下脆性⼤，延展性极差，很容易断裂，缺乏实⽤⾦属间化合物在室温下脆性⼤延展性极差很容易断裂缺乏实⽤价值。

经过50多年的实验研究，⼈们发现，含有少量类⾦属元素如硼元素的⾦属间化合物其室温延展性⼤⼤提⾼，从⽽拓宽了⾦属间化合物的应⽤领域。

与⾦属及合⾦材料相⽐，⾦属间化合物具有极好的耐⾼温及耐磨损性能，特别是在⼀定温度范围内，合⾦的强度随温度升⾼⽽增强，是耐⾼温及耐⾼温磨损的新型结构材料。

除了作为⾼温结构材料以外，⾦属间化合物的其他功能也被相继开发，稀⼟化合物永磁材料、储氢材料、超磁致伸缩材料、功能敏感材料等稀⼟化合物永磁材料储氢材料超磁致伸缩材料功能敏感材料等也相继开发应⽤。

⾦属间化合物材料的应⽤，极⼤地促进了当代⾼新技术的进步与发展，促进了结构与元器件的微⼩型化、轻量化、集成化与智能化，促进了促进了结构与元器件的微⼩型化轻量化集成化与智能化促进了新⼀代元器件的出现。

⾦属间化合物这⼀“⾼温英雄”最⼤的⽤武之地是将会在航空航天领域，如密度⼩、熔点⾼、⾼温性能好的钛铝化合物等具有极诱⼈的应⽤前景合物等具有极诱⼈的应⽤前景。

70 2019.04创新人物Innovation Character“工欲善其事，必先利其器。

”金属材料的高效利用，离不开先进的熔炼工艺，熔炼工艺和设备是熔炼企业的“武器”，材料的熔炼与凝固倍受人们关注。

理论沃土勤耕耘，匠心铸造新时代苏彦庆教授始终以一颗匠心对待自己冶金材料领域的研究工作。

如何实现由中国制造向中国创造转变，这是他一直以来竭力思考的问题。

高中时期实习时参观的铸造工厂，给他留下了深刻印象，从那时起，一颗种子就悄悄种在了他的心底。

1988年，他考入了著名的工科高等学府哈尔滨工业大学，在金属材料及工艺系系统学习铸造专业，圆了自己一直以来的梦想。

最初，他只是在老师的指导下做些熔体过滤技术方面的研究，但已意识到熔体质量的重要。

博士阶段，他把精力集中于钛合金熔体质量控制研究方面，利用热力学动力学理论解决了钛合金熔炼过程合金元素挥发、间隙元素溶解的问题，并与导师合作出版了钛合金熔炼的熔体质量控制方面的专著，崭露头角，也更加鼓舞了自己的科研信心。

目前，他的关注领域主要集中于材料的熔炼与凝固，在这方面取得了多项创新性成果。

钛合金具有强度高、耐蚀性好、耐热性好等特点，被誉为“太空金属”、“海洋金属”，在航空、航天、舰船、化工、能源等重大工程领域不乏它们的身影。

哈工大1996年就开始了对钛合金的研究，在钛合金制备过程的成分控制、高温钛合金精密铸造和轧制等方面达到国际领先水平，而其中苏彦庆教授主持研发的高熔点、高活性钛基合金的精准成分熔炼、原位净化、铸造成形关键技术等，为我国高品质钛合金生产提供了重要技术支撑。

与其它金属相比，钛及其合金是高化学活性金属，在熔融状态下，几乎与所有耐火材料均会发生化学反应，且不能在大气中进行熔炼，必须在真空或惰性气氛中进行，因此掌握钛合金的熔炼技术难度很大。

苏彦庆教授瞄准这一国际战略竞争的制高点，率领科研团队，研制了世界上第一台电磁冷坩埚定向凝固装备，实现了高活性材料的原位熔炼及后续原位凝固过程晶体定向生长，解决了高活性材料晶体定向生长这一挑战性难题，填补了国内外的空白。

３２中国材料进展第２８卷Ｂ合金化，可进一步提高高温强度，细化晶粒¨ｄ１。

在过去的年代里，全世界范围内发展了很多不同的ＴｉＡＩ合金。

一般来讲，工程用＾ｙ—ＴｉＡＩ合金的成分范围可以合并一起表示为Ｔｉ一４５（４５—４８）Ａｌ一（０～２）（Ｃｒ，Ｍｎ）一（１～８）Ｎｂ—ｘＢ—ｙｃ—ｚＳｉ。

在发展过程中Ａｌ含量逐渐降低，而Ｎｂ含量则逐渐升高，这反映在使用温度的不断提高上。

硼元素的添加逐渐变得普遍，作为一种晶粒细化的途径，硼在锻造合金中的添加量要稍微少于在铸造合金中的添加量。

低Ｎｂ合金化的ＴｉＡＩ合金中有时添加少量碳或硅元素来提高合金的蠕变抗力‘“。

目前工程用ＴｉＡＩ合金已形成两个不同使用温度的级别，高温ＴｉＡＩ合金（高Ｎｂ—ＴｉＡＩ合金）和普通ＴｉＡｌ合金，基础合金成分主要差别是在Ｎｂ含量上：Ｔｉ一４８ＡＩ一２Ｎｂ为普通Ｔｉｍ合金；Ｔｉ一４５Ａ１一（５—１０）Ｎｂ为高Ｎｂ—ＴｉＡＩ合金。

１９８７年，在国家８６３计划的支持下，北京科技大学陈国良等选择Ｔｉ—ＡＩ—Ｎｂ系中的高Ｎｂ—ＴｉＡｌ合金相区进行了大量基础研究。

在１９９１年得到国家发明专利＂１。

１９９０年开始在国内外召开的国际会议上发表研究成果，特别是１９９０年和１９９２年两次在美国召开的国际会议上做了系统的介绍，产生较大影响∞。

７１。

１９９５年第一届国际ＴｉＭ金属问化合物合金会议主席美国ＫｉｍＹＭ博士在大会报告中提出要发展高温高性能ＴｉＡＩ合金，并指出高Ｎｂ—ＴｉＡｌ合金是发展高温高性能合金的“首例”，提出这是非常值得进行的工作１８１。

高Ｎｂ合金化使Ｔｉ舢合金发展进入新阶段，室温屈服强度可达８００ＭＰａ，高温强度（７６０℃）可达５５０ＭＰａ，同时保持原有室温拉伸延伸率不降，特别是大幅度提高了合金的抗氧化性。

目前，高Ｎｂ—ＴｉＡＩ合金的研究在国内外已经很广泛，成为发展高性能合金的重要途径。

２高Ｎｂ．ＴｉＡｌ合金的基础研究高Ｎｂ—ＴｉＡＩ合金相关的基础研究工作主要包括：Ｔｉ—Ａｌ—Ｎｂ三元系相图一““、成分一力性图、成分一抗氧化性图等¨２’１引；高Ｎｂ—ＴｉＡＩ合金中形变诱导界面结构变化‘ｔｓ－２０３、形变诱导微区有序变化和诱导相变的高分辨研究心“２２１；形变孪晶和孪晶交截研究ｍ１；Ｔｉ—Ａｌ＋Ｎｂ系中原子分布的计算和实验研究、工程合金的发展等Ⅲ’。

αT i A l金属间化合物的研究进展3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T i A l金属间化合物的研究进展.介绍T i A l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T i A l及T i A l 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　T i A l;金属间化合物;室温脆性分类号　T G13213+2许多金属间化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,而被认为是一种理想的待开发的航空航天用高温结构材料[1].与其他金属间化合物相比,T i A l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T i3A l(Α2),T i A l(Χ)和T i A l3(Σ).室温脆性和难加工成形性是其实用化进程上的主要障碍[2].人们经过对T i3A l合金比较全面系统的研究,可以期望它最先接近实用化;T i A l3则由于室温塑性更差,目前只限于在日本、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T i A l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.1　T i A l金属间化合物室温脆性问题的解决办法T i A l是典型的Betho llide型化合物,任何温度下均呈有序状态.根据A l含量的高低,T i A l合金可分为Χ单相合金(≥49at%A l)和Χ+Α2双相合金(<49at%A l),而Χ+Α2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Χ+Α2等轴晶组成;(3)近Χ组织(N G),由粗大的Χ等轴晶及较细的Χ+Α2混合组成;(4)双态组织(D up lex),为细小的层片块和细小的Χ+Α2等轴晶的混合组织.由于T i A l晶体为面心四方结构(L10型),晶胞c a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,因此室温时呈脆性.目前用于改善T i A l合金室温脆性的方法可归纳为合金化法和热加工法[3].111　合金化法通过合金化来改善ΧT i A l金属间化合物室温脆性,是近年来T i A l合金研究的一个重要方向.目前发展的T i A l基合金的成分为T i(46～52)at%A l(1～10)at%M,其中M为C r,M n,V,M o,T a 等元素中的一种或几种.合金化法改善T i A l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T i A l合金室温拉伸性能和断裂韧性[4];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C r来改善T i A l金属间化合物室温脆性的研究取得了显著的成果.添加C r后,可取代T i A l中的A l,有助于获得低A l的Χ相;同时降低了Α2相的稳定性,使片层Α2相变成粒状,形成了新生的细小的Χ+Α2晶体,因而可显著细化Χ+Α2两相合金铸态组织.K i m[5]认为,同时加入N b和C r对提高T i A l合金性能最为有效.曹名洲等人[6]的研究表明,在T i A l合金中添加M n后,使Χ相晶格a和c轴都减小,并使c a值接近1.M n促使Χ相中孪晶的形成,提高了T i A l合金的室温塑性.B lackburn等人[7]发现适量的V能有效地提高T i A l合金的塑性,并可降低韧脆转变温度.贺连龙[8]的研究表明,T i A l金1999年12月Journal of Guangx iU n iversity(N at Sci Ed)D ec.1999　α3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M n 的合金化效果更好.最近,有关T i A l 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.刘昌明等人[9]发现N d 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晶粒.添加011at %N d 后,铸锭的平均晶粒尺寸由1400Λm 减小为450Λm .V asudevan 等人[10]在合金中加入014at %E r 后,发现由于形成E r 2O 3弥散粒子,降低了基体中杂质氧的含量,使塑性得以改善.陈仕奇等人[11]发现添加L a 也具有类似的效果.112　热加工法解决T i A l 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.显微组织是影响T i A l 合金力学性能的重要因素.双态组织有利于提高合金的室温延性,但其高温抗蠕变强度低;而较粗大的全片层状组织具有优良的抗蠕变能力,但室温延性低.因而,为能在保证T i A l 基合金优良的高温力学性能的前提下解决其室温脆性的问题,细化其粗大全片层结构成为了近年来研究者追求的目标[9].K i m [12]报道了用等温热锻工艺可使T i A l 合金晶粒尺寸减小到500～1000Λm ;而采用复合热机械工艺破碎粗大片层组织,可使晶粒尺寸下降到20～30Λm ,从而获得性能优异的细晶组织,极大地改善了T i A l 合金室温塑性.H all 等人[13]研究发现,通过适当的热机械处理可获得具有层片状T i A l (Χ)+T i 3A l (Α2)组织的双相T i A l 合金,其室温塑性比单相T i A l 合金有明显改善.H ana m ura 等人[14]利用快速凝固技术研究了T i A l 基合金的显微组织.结果表明,在104～105K s 的冷却速度下可获得直径为1～3Λm 的细小晶粒,从而使该工艺成为一种解决T i A l 合金室温脆性的可能途径之一.在此基础上,曹名洲等人[15]采用气体雾化法制备了T i A l 合金的微晶粉末,其快冷态主要由Α2相和少量Χ.经900℃,2h 真空退火后,大部分Α2相转变成Χ相,使原来的组织更加细化.此外,蒲忠杰等[16]在同时加入C r 和V 的情况下,将T i A l 合金经1250℃再结晶处理,并适当控制冷却速度,获得了418%的室温延性.2　金属间化合物制备与加工新工艺目前,T i A l 合金尚未进入实用化阶段,但有关其制备技术的研究早已展开.除熔铸、粉末冶金等常规方法外,人们还根据材料自身的特点开发了许多种新的材料成型加工技术.(1)快速凝固法:该法将快速凝固技术与粉末冶金相结合,采用旋转盘雾化法,等离子旋转电极法或气体雾化法制得预合金粉末,而后装入钛合金包套中,经干燥,抽空和密封,再加热挤压成型[1].该法不但明显增加了B ,Si ,V 等溶质原子在基体中的固溶度极限,获得很好的固溶强化和沉淀强化效果,而且通过细化晶粒及第二相粒子,减少成分偏析,提高了强度和塑性.(2)机械合金化反应烧结:通过高能球磨使元素粉末在室温下通过固态反应生成合金粉末,甚至使互不相容的元素形成假合金.通过球磨,使成分分布均匀,晶粒及弥散颗粒比采用快速凝固法更不易长大,获得具有超塑性能的超细晶粒,有利于T i A l 合金室温脆性的改善.机械合金化处理后,T i A l 合金的室温延展性可达5%[17].(3)自蔓燃反应合成法(SH S ):该法利用物质反应热的自传导作用维持燃烧波的传播,使不同物质间发生化学反应,在极短时间内形成化合物.由于以单一金属粉末为原料,不必将材料全部熔化即可合成化合物,克服了金属间化合物制造上的困难.目前采用该法合成的T i A l 金属间化合物经H IP 可以制出致密的烧结坯,且性能和成本均达到了应用要求.(4)超塑性成形技术:超塑性成形技术是利用材料在一定温度和应变速率范围内表现出的超塑性进行材料成形的,其关键是要具有超细晶粒并选择合适的变形速率和变形温度.T i A l 合金超塑性的发现为解决其成形问题提供了广阔的前景.在5×10-5s -1的应变速率下,T i A l 合金晶粒尺寸可达2Λm ,而最大塑性超过了230%[1].3　研究及开发动向(1)基础理论研究.广泛测定T i A l X 系相图,寻找新的合金元素,确定合金的最优成分与组362第4期周怀营等:T i A l 金属间化合物的研究进展462广西大学学报(自然科学版)第24卷　织,以全面提高T i A l合金的综合性能;深入研究合金的塑性变形机理,掌握T i A l金属间化合物的超塑性变形机制,并寻求其实际应用途径;发展一套关于T i A l合金的系统的成分—组织—性能的理论体系.(2)开发制备与加工的新工艺.开发无污染熔炼、制粉工艺,降低氧、氮等杂质元素的有害作用;研究T i A l合金领域热等静压的条件、方式对压块的影响;确定合理的热处理工艺参数,改善合金微观组织,解决其室温脆性问题;利用冲击波、电、磁等手段解决成形问题.(3)类单晶T i A l合金及T i A l基复合材料的研制.研究类单晶T i A l的变形和断裂特征,利用其良好的塑性和高强度、高断裂韧性,在较短时间内能作为高温结构材料获得实际应用.寻找新的高质、价廉的共容增强颗粒,解决与T i A l基体间的相容性问题;加强T i A l基复合材料的优化设计,开发新的复合材料制备技术,为T i A l合金的广泛应用开拓更广阔的前景.参考文献1　曹　阳,李国俊.金属间化合物高温结构材料的研究动向.材料导报,1994,(4):14～182　N obuk iM,H ash i m o to K,T suji m o to K,et al.D efom ati on of T i A l in ter m etallic compound at elevated te mperatures.J Jpn In st M et,1986,50(9):840～8443　刘志坚,曲选辉,黄伯云.粉末冶金法制备T i A l合金的进展.材料导报,1995,(2):23～284　张继,张志宏,邹敦叙,等.T i A l合金细小全片层组织断裂机理.金属学报,1996,32A(10):1044～10485　K i m Y W.O rdered In ter m etallic A ll oys III.Gamm a T itan ium A lum in ides.JOM,1994,49(7):30～396　曹名洲,韩东,周敬,等.含M n的T i A l基合金的组织和性能.金属学报,1990,26(3):A223～A2277　B lackburn M J,S m ith M P.T itan ium A ll oys of the T i A l T ype.U S Pat,4294615.197907258　贺连龙,叶恒强,徐仁根,等.T i A l-V-Si合金中T i5Si3析出相与基体相的取向关系.金属学报,1994,30(4):A145～A1499　刘昌明,李华基,何乃军,等.钕对T i-44A l合金组织和晶粒尺寸的影响.材料工程,1998,(11):20～2310　V asudevan V K,Court S A,Kurath P,et al.Effect of purity on the defo r m ati on m echan is m in the in ter m etallic compound T i A l.Scri p ta M etall,1989,23(6):907～91211　陈仕奇,曲选辉,雷长明,等.T i A l+L a有序合金的室温力学性能.金属学报,1994,30(1):A20～A2412　K i m Y W.Effects of m icro structure on the defo r m ati on and fracture ofΧT i A l all oys.M ater Sci Eng,1995,A192-A193:519～53313　H all E L,H uang S C.Sto ich i om etry effects on the defo r m ati on of binary T i A l all oys.J M ater R es,1989,4(3):595～60214　H anam ura H,Sugai T,T an ino M.R ap idly Q uenched in ter m etallic compounds.T i A l and A l3T i.In:N i ppon Steel,ed.Sin tering′87.Tokyo:E lsevier A pp lied Science Poblishers,1988.617～62815　曹名洲,韩东,张涛,等.快速凝固T i A l基合金微晶的显微组织.金属学报,1992,28(10):A426～A42916　蒲忠杰,石建东,邹敦叙,等.T i A l基合金组织对拉伸性能的影响.金属学报,1993,29(8):A363～A36917　Suryanarayana C,F roes F H.M echan ical all oying of titan ium base all oys.A dv M ater,1993,5(2):96～106D evelop men t of Studi es on Ti A l I n ter metall i csZhou H uaiying　Zhan Yongzhong(In stitute of M aterial Science ,Guangx iU n iversity,N ann ing,530004)Abstract　T h is paper describes the status quo of studies on the T i A l in ter m etallic compound and in troduces the s o luti on s to its room brittle.It als o revie w s the ne w p roducti on and p rocesses by classificati on s. Further research directi on s,such as theo retical research,ne w p rocessing techno l ogies and single crystal like T i A l etc.is po in ted out.Keywords　T i A l;in ter m etallic compound;room brittle(责任编辑　唐汉民)。

Ti2AlNb 合金焊接综述一．Ti 2AlNb 合金特点轻质的Ti3Al 基合金由于具有突出的高温比强度和高弹性模量而引起人们的广泛关注，成为制造航空航天发动机的首选材料之一，然而室温时由于缺乏足够的形变方式和超点阵位错低的可动性等特点，显示出了室温性脆和韧性低的缺点。

1988年Banerjee等人在Ti-25AI-15Nb合金湘区淬火后回火时首先发现了0相，他们认为0相是一种畸变的a相（Cmcm空间群），其成分为Ti z AINb °Ti2AINb基合金，简称0相（Orthorhombic Phase合金，其晶体结构为有序斜方，故又称为有序斜方晶系钛铝化合物。

以O相为主要相组成的Ti2AlNb基合金由于具有较高的比强度、室温塑性、断裂韧性和蠕变抗力，且具有较好的抗氧化性、无磁性等优点，适应了未来航空航天发动机及机（弹）身结构对高比强、高比模量且综合性能优异的轻质高温结构材料的迫切要求，具有广阔的应用前景，是目前Ti3Al基合金研究中的热点。

1.Ti2AlNb 合金的成分Ti2AlNb基合金的成分通常在Ti-（18%〜30%）AI-（12.5%〜30%）Nb （原子分数），一般由a、B /B和O相中的两相或三相构成。

由于Nb含量不同，Ti2AlNb 基合金各相区的温度范围不同，在此基础上热处理得到的Ti2AlNb 基合金显微组织及性能也不同。

一般认为当Nb v 25%时，在0B2+O+a三相区热处理得到三相合金，称为第一代O相合金，名义合金成分主要有Ti-25Al-17Nb、Ti-21Al-22Nb 以及Ti-22Al-23Nb，其相组成为a+B /B+O。

当Nb为5%时，在B /B+O两相区热处理得到的B2+O 相合金称为第二代O 相合金，其名义合金成分主要有Ti-22Al-25Nb、Ti-22AI-27Nb。

该合金的特点为高Nb低Al，其相组成为B2+O 相。

研究表明，0相的强化作用比a 相大，经过热处理，得到B2相基体上分布着O 相板条的合金具有最佳的综合性能，特别是合金具有良好的蠕变性能和抗氧化性能。

材料物理0901 崔同参200965167钛与钛合金钛有色轻金属，原子序数22，相对原子质量47.87，在地壳中的含量排第十位。

通过向金属晶格中掺入杂质原子实现合金化。

合金化导致金属硬度和强度提高塑性降低。

钛合金具有两大优异的特性：比强度高和抗蚀性优异，应用于航空航天、化学工业、医药工程等行业。

较高温度下，钛合金的比强度特别优异（钛的最高使用温度受其氧化特性的限制，钛铝化合物可以部分地克服这一缺点），低温下纯钛和大多数钛合金结晶成接近理想状态的密排六方结构（hcp）称为α-Ti,高温下，体心立方结构（bcc）很稳定，称为β–Ti(纯钛的β转变温度为（880-884）℃。

密排六方晶体结构导致α-Ti的力学性能呈现显著的各向异性；其中弹性的各向异性尤为显著。

（c：145Gpa,a:100Gpa）.金属塑性变形的容易程度按密排六方、体心立方，再到面心立方的顺序逐渐增大。

α-Ti的塑性变形能力低于β-Ti。

钛从β相区冷却下来时，体心立方β相中的最密排面{110}转变为六方α相的基面{0001}.α相基面的面间距略大于β相中相应{110}面的面间距，故β /α转变会使晶格产生轻微畸变，钛冷却过程中通过β转变温度时还可以宏观上观察到体积轻微增大。

由于(hcp) α-Ti中原子堆垛密度大，因此α-Ti中的扩散比（bcc）β中的扩散缓慢得多。

从马氏体相变开始温度以上快速冷却时，bcc的β相通过无扩散相变过程完全转变为hcp的α相，生成亚稳的细小盘状或针状马氏体组织。

根据对β转变温度的影响，钛的合金化元素可分为中性元素，α相稳定化元素或β相稳定化元素。

钛合金显微组织显微组织对钛合金的性能有显著的影响，通常，通过热加工处理可以得到不同的显微组织。

热加工处理较为复杂，包括固溶处理、变形、再结晶、时效和去应力退火。

相转变温度是热加工处理的关键，因为它将β单相区与α+β两相区分割开来，从转变温度以上完全冷却可以得到片状显微组织。

Al-18Si-5Ti合金中TiAlSi金属间化合物的形成高通;刘相法【摘要】目的选取Al-18Si-5Ti合金为研究对象,研究TiAlSi金属间化合物成分、结构和形貌的形成规律.方法通过调整制备工艺(如熔体反应法、液固反应法),改变制备温度和原料(Ti源),可得到板片状或块状的Ti7Al5Si12或Ti(Al1–x,Six)3相.结果使用海绵Ti为原料时,高的熔炼温度倾向于合成板片状Ti7Al5Si12,而低温则易于形成块状Ti7Al5Si12;当使用K2TiF6、Al-10Ti中间合金或以Al粉、Si粉及Ti 粉为原料时,可通过熔体反应或液固扩散反应合成块状的Ti7Al5Si12或Ti(Al1–x,Six)3相.结论通过对熔体参数调整,可实现Al-Si系合金中TiAlSi相的设计.【期刊名称】《精密成形工程》【年(卷),期】2017(009)005【总页数】7页(P50-56)【关键词】TiAlSi金属间化合物;熔体参数;Ti源;相变【作者】高通;刘相法【作者单位】山东大学材料液固结构演变与加工教育部重点实验室,济南 250061;山东大学材料液固结构演变与加工教育部重点实验室,济南 250061【正文语种】中文【中图分类】TG146.2+1Ti是铝合金中常见的元素。

自20世纪初，工业生产就开始向Al熔体中添加Ti来细化晶粒[1]。

此外，Ti也常作为合金化元素被添加到多种牌号的铝合金中，如铝活塞材料（Al-Si合金）中常含有一定量的Ti元素，其可在合金中形成金属间化合物（记作TiAlSi），使Al-Si系合金的组织发生复杂性变化。

当Al熔体中Ti加入量相对较大时，会形成TiAl3金属间化合物[2]。

TiAl3相属正方晶系，晶格参数a=0.385 nm, c=0.858 nm，依据Al合金的Ti含量、熔炼温度和冷却速度等工艺参数的不同，TiAl3相可表现几种典型形态：板状(plate-like)、片状(flake-like)、花瓣状(petal-like)和块状(block-like)。

第３ பைடு நூலகம்卷 第 ５期 ２ ０ １ ５年 １ ０月
大 连 交 通 大 学 学 报
Ｊ ＯＵＲＮ ＡＬ ＯＦ ＤＡＬ Ｉ ＡＮ Ｊ Ｉ ＡＯＴ ＯＮ Ｇ ＵＮＩ ＶＥ ＲＳ Ｉ Ｔ Ｙ
Ｖｏ １ ． ３ ６ Ｎｏ ． ５
０ｃ ｔ ． ２ ０１ ５
文章编号 ： １ ６ ７ ３ — ９ ５ ９ ０ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ５ — ０ ０ ７ ４ — ０ ５
的试 样沿着 纵 向均分 为 两 份 ， 依次采用 ４ ０ ０ 、 ６ ０ ０ 、
异种 材料 的扩 散焊接 接头 性能提 供 实验依 据．
１ 试 验 材 料 与 方 法
纯钛 Ｔ Ａ ２尺 寸 为 Ｏ ｍ ｍ， 厚度为 ５ ｍ ｍ， 纯
８ ０ ０ 、 １ ０ ０ ０ 、 １ ５ ０ ０ 、 ２ ０ ０ ０、 ３ ０ ０ ０ ＃ 砂 纸进 行 磨削 以去
７ ８
大 连 交 通 大 学 学 报
第３ ６卷
［ Ｊ ］ ． 航空工艺技术 ， １ ９ ９ １ （ ２ ） ： ３ ４ ． ３ ６ ．
［ ６ ］ Ｌ Ｉ Ｕ Ｚ Ｈ Ｏ Ｎ Ｇ Ｑ Ｉ Ｎ Ｇ， Ｌ Ｉ Ｕ Ｋ Ａ Ｉ ． Ｍ ａ ｎ ｕ ａ ｌ ｏ ｆ Ｄ ｉ ｓ ｓ ｉ ｍ ｉ ｌ ａ ｒ Ｍ ｅ ｔ ａ ｌ Ｗｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ［ Ｍ］ ． Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ ： Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙ
理好 的钛 片和 铝 箔 按 照 钛一 铝． 钛 的形 式 叠 加 （ 如
Ａ ｌ 复合 结构 具 有稳 定 性 好 、 隔热 隔音 和耐 高温 等 性能 ， 可以最大限度 的发挥两种材料 的特性 潜力 ， 飞 机的机翼 即是 由钛合金 的蒙皮 和铝合金 的蜂 窝状夹 层连接而成 的复合 结构 Ｊ ．Ｔ ｉ 和 的物理 性能 和

第37卷第6期2020年12月Voi.37No.6Decembee2020Ti穀臧钛/铝复合板爆炸焊接技术研究进展田晓东'，王小苗'，丁旭2,彭艺杰'，周仁健'，罗海龙3(1.长安大学，陕西西安710064)(2.西安航空学院，陕西西安710077)(3.西安市轻金属爆炸复合材料工程研究中心，陕西西安710086)摘要：通过爆炸焊接技术制备的钛/铝复合板可兼具钛合金耐腐蚀性和铝合金低成本的优点。

对钛/铝复合板爆炸焊接技术的研究进展进行介绍，论述了炸药种类、质量比#、基覆板间距及爆炸焊接窗口等主要工艺参数对钛/铝复合板组织和的影响；了影响钛/铝复合板结合界面的主要因素一一金属间化合物种类、扩散层和界面波形；对钛/铝复合板硬度、抗强度、抗拉强度伸的研究进行了汇总分析。

最后，了钛/铝复合板工研究的重点方向。

关键词：钛/铝复合板；爆炸焊接；结合界面；工艺参数中图分类号：TG456.6文献标识码：A文章编号：1009-9964(2020)06-034-07Research Progres s of Explosive Welding Technology for Ti/Al Clad PlatesTian Xiaodong1，Wang Xiaomiaa1，Ding Xu2，Peng Yijie1，Zhou Renjian1，Lua Hailong3(1./hang'an University，Xi's710064,/hina)(2.Xi'an Aeronautical University，Xi'an710077，China)(3.Xi'an Light Metai Explosive Composite Materiale Engineering Research/enter，Xi'an710086，China)Abstract:The Ti/AO clad plate prepared by explosiw welding technology can haw the advantagvs of titanium Slay cagosion resistanca and aluminum Slay low cast.The reseerch progress of explosiw welding technology fgr Ti/AO clad plates was iny■oduced，and discussed the effects of technoloyicai parameters such as explosiw types，mass ratic #，base-to-Tyer plate spacing and explosiw welding window on the structure and performanca of Ti/Al clad plates，and the main factors affecting the bonding inmrfaca of Ti/AO composite plate were analyzed，Cicluding the types of intermetallic compounds，diOusion layer and interfaca wawform of the interfaca in the Ti/AO clad plate.The studies on hadness,sheer strength，tensiOe strength and tensiOe fracture of the Ti/Al clad plate were summarized.FinSly,the development trend of explosiw welding technology far Ti/AO clad plate is pointed out.Key words:Ti/Al clad plate；explosive welding；bonding interfaca；process parameter钛及钛合金具有比强度高、耐温力学 异的特点，在航空航天、舰船等行业被广泛使用，但其格较高[1，2]%合金密度小，作为主要的轻量化结构材料，是制行器的主要材料，在工艺和价格上较其他合金有明显优势，收稿日期：2020-06-25基金项目：2019年度西安航空科技创业资金项目(2019-01)；大学生创新创业(S202010710224)；西安市科技创新引导项目(201805032YD10CG16(3))通信作者：田晓(1980—)，，副教授。

TiAl金属间化合物的合金设计及研究现状摘要：介绍了TiAl合金的研究背景与应用前景；论述了该类台金的成分设计与组织设计，指出和金元素的加入对其性能的影响；分析了该类合金的几种常用成形方法，并指出了各自的优点和缺点。

关键词：TiAl合金合金设计相图计算成形技术1、前言高温结构材料的研究、发展和应用是和航空、航天工业的发展息息相关的，也是21世纪航空航天推进系统实现革命性变革和发展的关键因素。

对于航空发动机而言，发动机的温度和空气压缩比与燃料消耗速率和发动机的推力直接相关，提高工作温度和减轻发动机部件的质量足改善现有发动机的性能、研究高推重比新型发动机的两项主要措施。

TiAl合金有金属键和共价键共存，使之兼有金属与陶瓷的性能，如高熔点、低密度、高弹性模量、好的高温强度（700~900℃）、好的阻燃能力、好的抗氧化性等优点，是一种很具应用前景的新型轻质耐高温结构材料。

这主要体现在三个方面：第一，TiAl合金具有高弹性模量，比目前应用的结构材料高约50%，用TiAl合金制成的高温结构件能够承受更高频率的振动；第二，合金在600~800℃具有良好的抗蠕变能力，有潜力替代密度大的Ni基超合金作为一些部件的材料；第三，TiAl合金具有很好的阻燃性能，与Ni基超合金相当，可以替代价格昂贵的阻燃性Ti基合金部件。

TiAl合金主要应用于航空航天及汽车领域，如发动机用高压压缩机叶片、低压涡轮、过渡导管梁、排气阀、喷嘴等［1,2］。

适宜的合金成分和组织结构是获得好性能的前提，合理的成形技术是获得较好性能产品的必要手段。

近年来，通过成分优化、组织控制以及改善加工工艺等方法，使TiAl合金的室温塑性、强度、断裂韧性、蠕变性能以及抗氧化性能等都得到普遍提高［3,4］。

本文综述了TiAl合金成分结构设计、相图方法设计和成形技术，并提出其应用的研究现状。

2、TiAl合金成分设计工程应用的TiAl合金主要由大量的γ-TiAl（L10型结构）和少量的α2-TiAl （DO19型结构）组成。

能 的要求越来越高 。在高 温结构材 料 中， 钛铝金 属 间化合物 材
料具有 比重低 、 较高的使用温度 、 高温强度 、 刚度和弹性模量 ， 较
好 的抗 氧化性能 、 抗蠕变性 能 、 疲劳性能 等突 出优点 ， 抗 因而在 航空发 动机 和火箭 推进 系统采用的新一代高温结构材料 中成为 极具 吸引力 的候选 材料之一。但是 ， ｉ 金属 间化合物 材料存 ＴＭ
分别进行介绍 。
的制约 。因此 ， 针对 Ｔｉ 材料 的潜在 应用背景 ， 究 和开发 对 Ａｌ 研 该材料行之有效 的制备与成 形技 术 ， 推动其 发展 和应用 的关 是
键。
Ｔｉ 基合 金 常 规 采 用 的方 法 主要 包 括 铸 造 、 锭 冶 金 Ａｌ 铸
１ 预合 金粉末制备工艺
ｔ ｄ ｃｄｉｃ ｄｎ ｏ ｏ ｔｔ ｒｃｓｉｇ ｅｆ ｒｐ ｇ ｔ ｎｈｇ －ｅ ｅａｕｅｓｎｈ ｓ ， ｗ ｅ ｊｃｉｎｍｏｄｎ ｎ ｒ ｕｅ ｌ ｉ ｈ ｔ ｓｓａｉ ｐｏｅｓ ，ｓｌ ｐｏ ａ ａｉ ｉ ｔ ｏ ｎｕ ｇ ｉ ｃ ｎ － ｏ ｈ ｍｐｒｔｒ ｙ ｔｅｉ ｐ ｄ ｒｉ ｅｔ ｌｉｇａ ｄ ｓｏ ｎ ｏ
ｖ ｅ ｄ ｉ ｅ ｍｓ ｏ ｏ ｅ ｒ ｐ ｒ ｔｏ ｉｗｅ ｔ ｒ ｆｐ ｗｄ ｒｐ ｅ ａ ａ ｉｎ，ｆ ｒ ｉ ｇ，ｓ ｎ ｅ ｉｇ ａ ｄ ｈ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｏ ｅ ｓｎ ｅ ｉ ｇ ｍｅ ｈ ｄ ｒ ｒｅ ｌ ｎ ｎ ｏ ｍ ｎ ｉ ｔ ｒｎ ｎ ｅ ｔｔ ｅ ｔ ｎ ．Ｓ ｍ ｉ ｔ ｒ ｔ ｏ ｓａ ｅ ｂ ｉｆ ｉ — ｎ ｙ
由于 Ｔｉ 的熔点较高 、 活性 大 ， Ｍ 预合金 粉末 的制备需 严 Ｔｉ
（Ｍ）粉末 冶金 （ ／ 等 。在铸 造过 程 中 Ｔｉ ｌ Ｉ 、 Ｐ Ｍ） Ａ 基合 金一 般形

项目名称：轻质高温TiAl金属间化合物合金及其制备加工的科学技术基础首席科学家：林均品北京科技大学起止年限：2011.1至2015.8依托部门：教育部二、预期目标1总体目标：获得新型轻质高温TiAl合金及其制备与加工技术基础，促进其产业化和应用，满足国家经济和社会发展对轻质高温材料的重大需求。

即采用低密度的新型高温材料替代现有的高温合金，以降低重量；另一方面采用新型轻质高温材料可以大幅度降低燃料消耗。

发展新型轻质高温材料可以大幅度提升我国民用工业和航空航天等工业的水平，有效减少能源消耗、实现社会可持续发展。

在高温TiAl合金设计理论基础及强韧化机制、高温TiAl合金凝固过程组织及缺陷的调控机制、高温TiAl合金粉末冶金制备过程的流变塑变理论、针对金属间化合物特性建立性能表征方法和评价体系研究上获得突破。

在此基础上，发展和形成高温TiAl合金材料制备与成形加工整套技术的科学基础，主要包括：高温TiAl合金不同使用条件下材料成分和组织优化，高洁净度铸锭的制备新熔炼技术基础、铸锭的热加工新技术、部件熔模精密铸造特殊技术、冷坩埚定向凝固新技术、高性能粉末冶金板材的新技术。

同时制备出各种全尺寸样件，为进一步向部件性能测试试验发展打下基础。

以铸造叶片为重点，突破从小试样到批量生产的瓶颈关键技术基础。

针对铸造、热变形和粉末冶金三类加工技术发展的高温TiAl合金的材料成分范围为：Ti-（44-46）Al - （6-9）Nb-（0 -2.5）W, B, Y, Mn （这些元素都是微量元素，只有Mn可高到2.5）对于铸造合金：Nb 含量取低限，添加B（稍高含量）、Y 和Mn等；对于变形合金：Nb 含量取中间值，添加W、B（较低含量）、Y等；对于粉末冶金板材：Nb 含量取高限，添加W、Y，Mn等。

高温TiAl合金使用温度达到900 ℃，900 ℃的抗氧化性按航标达到抗氧化级，对于三种典型部件：铸造叶片样件: 尺寸为长350-400mm、宽50-70mm900 ℃强度达到450 MPa，室温拉伸塑性1-2%；锻件: 尺寸为直径400-600mm、厚50-100mm900 ℃强度达到400 MPa，室温拉伸塑性大于2%；粉末板材：宽度400-500mm、厚1-2mm；900 ℃强度达到400 MPa，室温拉伸塑性2-3%。

铝/ 钛异种金属焊接技术异种材料复合构件能够最大限度利用材料各自的优点，起到“物尽其用”的效果，获得更好的经济效益和社会效益[1]。

铝/钛异种金属复合结构同时兼有铝合金密度低、经济性好和钛合金强度高、耐腐蚀性好等优点，能够减轻结构重量、节约能源，在航空航天、武器装备、交通运输等领域拥有广阔的应用前景，飞机机舱散热片、机翼蜂窝夹层、座位导轨和高速列车车厢等结构均可采用铝/钛复合结构[2]。

特别是近年来，随着航空发动机和飞机结构设计对“减轻重量、提高推重比、增加有效载荷”的要求越来越高，将铝合金与钛合金焊接形成复合结构的需求越来越迫切。

但是，由于铝、钛都是活性金属、极易氧化，且两者之间的物理、机械性能存在较大差别，如两者的熔点相差约800℃，两者的晶格类型、晶格参数等结晶化学性能差异很大，铝的热导率和线膨胀系数分别是钛的16倍和3倍。

因此铝/钛异种金属的焊接性很差，接头的强度不能满足要求，铝/ 钛异种金属的焊接既是热点也是难点，目前还没有一种成熟的工艺可以用于实际生产[3]。

铝/ 钛异种金属焊接技术现状目前，国内外主要对铝/钛异种金属的钎焊、扩散焊、熔- 钎焊、爆炸焊等连接方法进行了探索。

康慧等[4] 以Al-11.5Si合金为基, 通过添加不同含量的Sn和Ga元素配置成9种钎料对LF21铝合金和TC4钛合金进行了真空钎焊，结果表明：在结合界面上生成层状脆而硬的脆性相是铝/钛钎焊时所存在的主要问题；在钎料中加入Sn和Ga元素可有效抑制脆性相的形成、改善接头性能；当Sn和Ga元素含量分别为10% 和0.2% 时接头的剪切强度达到67MPa。

曲文卿等[5] 采用高频感应钎焊进行了钛合金管与铝合金管的连接，由于加热时间短、脆性相来不及产生，因而获得了力学性能和密封性能较好的接头。

吕世雄等[6] 采用交流钨极氩弧焊电弧微熔钎焊方法也实现了TC4钛合金/LF6铝合金的连接。

采用扩散焊方法能够在一定程度上克服铝/钛焊接时熔点相差较大的问题，因此国内外学者进行了较多的研究。