高Nb-TiAl 在850℃服役条件下组织特征及稳定性文献综述

 2021-10-06 13:56:38

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高铌钛铝800℃等温相变动力学研究

1.引言

TiAl基合金兼有金属的高温韧性及陶瓷的高温性能，还具有低密度、优异的高温强度、良好的抗氧化性和抗蠕变性等优异性能，是十分优异的先进航空航天发动机用高温结构材料。但普通钛铝合金的室温塑性和断裂韧性较低，在800℃以上抗高温蠕变和抗高温氧化性能较差，很大程度上限制了TiAl合金的实际应用。为了改善TiAl系合金的室温塑性和高温抗氧化性能，人们在TiAl或Ti3Al中添加高含量、高熔点的过渡族元素Nb，Zr，Hf和Ta。通过添加高熔点的合金化元素Nb能有效提高合金的熔点及有序化温度，使高铌钛铝基合金的使用温度达到900℃以上，同时具有良好的抗氧化性能。我国北京科技大学陈国良院士团队通过多年的研究，开发出了具有我国自主知识产权的高Nb-TiAl合金，为我国高温TiAl合金的发展奠定了很好的基础。

2.关于高铌钛铝基合金的研究

2.1高铌钛铝基合金的相结构

高铌钛铝合金的许多优异性能与其相结构有着密切的联系[7]，国内陈国良教授领导的课题组公布了NbTiAl3三元体系在1400、1150和1000℃等温面相图，证实了NbTiAl3的存在，该相具有四方结构，点阵常数a范围为0.558~0.584nm，c的范围为0.815~0.845nm。由于Nb在TiAl合金中具有连续有序化的现象，Nb原子在TiAl中替代Ti原子，占据Ti原子的格子，这样连续有序化的进展容易导致有着化学计量比的新三元金属间化合物的生成，所以在TiAlNb三元体系中的化合物比较复杂，而且相结构也比较繁杂，随着温度的变化而变化。另外热处理手段和Nb含量的不同，也会导致新相生成，这些相对合金的整体性能有着重要的影响。现今研究的高铌钛铝基合金的Nb的添加量一般从5%到15%(原子分数)，随着Nb含量的进一步增加，会有更多的新相出现。

2.2高铌钛铝基合金的制备加工方法

传统的熔炼方法包括感应熔炼、真空自耗重熔、等离子熔炼3种主要熔炼工艺[8]。采用感应熔炼工艺，虽然合金成分相对比较均匀，但由于高铌TiAl合金的高熔点使得浇注温度很高，铸锭经常出现宏观缩孔和疏松，无法进行后续加工；而真空自耗重熔在凝固过程中不存在疏松，但合金在凝固过程中，高熔点Nb来不及扩散均匀，合金出现Nb的严重偏析，导致铸态组织不均匀，影响合金的力学性能。

针对以上问题，陈国良教授领导的课题组采用了复合熔炼工艺[8]，利用感应凝壳重熔工艺将合金组元预合金化，并浇注成自耗电极，再将成分比较均匀的电极自耗重熔。这样既解决了宏观缩孔和疏松，又使铸锭致密化，成分进一步均匀化。为了确保Nb元素的均匀化，采用熔点较低的铌铝中间合金方式加入，使得Nb元素以液态扩散方式来达到成分均匀化。为了进一步获取最佳性能，一般把试样先经过等温包套锻造，再经过后续的热处理，得到所需的组织结构。

2.3高铌钛铝基合金的组织与性能

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