鈦鋁合金以其卓越的比強(qiáng)度、耐高溫性能和抗腐蝕能力，在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中脫穎而出。作為航空航天、汽車(chē)制造和高溫設(shè)備的關(guān)鍵材料，鈦鋁合金不僅推動(dòng)了技術(shù)的革新，還為各行業(yè)的高性能應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)保障。本文將深入探討鈦鋁合金的獨(dú)特性能和廣泛應(yīng)用前景，為進(jìn)一步的研究和工業(yè)應(yīng)用提供有力支持。

1、鈦鋁合金發(fā)展和研究背景概覽

在高溫材料領(lǐng)域，傳統(tǒng)材料性能的開(kāi)發(fā)潛力受到限制，但高溫金屬間化合物的出現(xiàn)使人們看到了新的希望。金屬間化合物具有較小的密度、良好的高溫力學(xué)性能和抗氧化性，可望在航空航天、汽車(chē)和化學(xué)工業(yè)中發(fā)揮重要作用。

早在50年代初期，美國(guó)學(xué)者即對(duì)Ti-50Al二元合金的性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)合金具有優(yōu)異的高溫性能，但因合金的室溫塑性太差而放棄。1975-1982年，美國(guó)P&W空軍實(shí)驗(yàn)室的M. Blackburn 教授通過(guò)對(duì)近百種成分的TiAI合金加以研究，發(fā)展了第一代TiAI合金，即Ti-48Al-1V-0.3C (at. % )，其室溫塑性可高達(dá)2%。80年代末，美國(guó)GE司Huang博士發(fā)展了第二代TiAI合金 ( Ti-48 Al-2Cr-2Nb )，并證明了其良好的綜合性能，由此引起了對(duì)TiAI合金世界范圍的廣泛興趣。后又經(jīng)過(guò)大量研究，已發(fā)展了三代TiAI合金（見(jiàn)表1)。目前正研究具有更高耐熱溫度的第四代甚至第五代TiAI合金。

表1 TiAI合金的發(fā)展

為達(dá)到綜合平衡的力學(xué)性能，第二代TiAI合金的Al含量一般控制在46at.％-48 at.%，同時(shí)添加約2at. % Cr和Nb;而為進(jìn)一步提高合金的耐熱性能，在第二代TiAI合金的基礎(chǔ)上，第三代TiAl合金中添加了W,Ta,C,Si等元素。TiAI合金一般按以下準(zhǔn)則設(shè)計(jì)：Ti- (44~48)Al-(0~3)X1-（1~5)X2-（0.1~1.0)M，其中X1用于提高合金的塑性，如Cr,V,Mn;X2用于提高合金的強(qiáng)度，如Nb,Ta,W,Mo；M用于合金的抗氧化和蠕變性能，如Si,C,B,N,Ni,Fe,P。

TiAI金屬間化合物具有低密度，較高彈性模量，以及良好的高溫強(qiáng)度、抗蠕變和抗氧化能力，被認(rèn)為是一種理想的航空航天用高溫結(jié)構(gòu)材料。

表2對(duì)比了了鈦合金、Ti3Al合金、TiAI合金和高溫合金的典型物理和力學(xué)性能。可以看出TiAI合金是在650℃-900℃溫度區(qū)間使用的代替高溫合金的理想輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，可廣泛應(yīng)用于汽車(chē)或航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部件如渦輪盤(pán)、葉片和氣門(mén)閥等。

表2 Ti-A1化合物、鈦合金和高溫合金的性能對(duì)比

注：a表示無(wú)涂層，b表示加涂層。

2、鈦鋁合金的相圖和結(jié)構(gòu)

Ti-Al相圖（見(jiàn)圖1)中包括三個(gè)固相:γ-TiAI, α2-Ti3Al和高溫相α-Ti。

兩個(gè)相反應(yīng)：

1）包晶反應(yīng)：L＋α->γ；

2）共析反應(yīng)：α->α2 +γ

TiAI合金中最主要的相有兩種：α2相及γ相。α2相是DO19（有序六方）結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2a)，隨著溫度的不同，鋁的含量介于22％和39％之間。γ-TiAI相是L1o（有序面心四方）結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2b)，隨著溫度的不同，鋁含量介于48.5％和66％之間。對(duì)于理想配比的化合物，其晶格常數(shù)軸比c/a等于1.105;隨著鋁含量的增加，這個(gè)四面體比值升至1.03，隨著鋁含量的減少，又可降為1.01。對(duì)于遠(yuǎn)離理想配比的成分，過(guò)量的鈦或鋁原子相互占位，但不產(chǎn)生空位。

3、合金元素對(duì)鈦鋁合金組織與性能影響

合金元素影響TiAI合金的組織和性能。研究表明，Al含量對(duì)鑄造二元TiAl合金的組織形貌產(chǎn)生較大的影響，基本可分為三種類(lèi)型。

比較重要的γ-TiAI合金是基于兩相合金Ti- (45一49) Al而添加第三組元素而成的合金。TiAI合金的合金化元素主要分為三類(lèi)。

 各種合金元素在TiAI合金中的作用歸納在表3中。

表3 合金元素在TiAI合金中的作用

4、鈦鋁合金的組織

一般說(shuō)來(lái)，經(jīng)不同的熱處理后, γ-TiAI合金可以得到四種典型室溫顯微組織：

1）全片層組織（Fully Lamellar，簡(jiǎn)稱(chēng)FL)

2）近片層組 織（Near Lamell ar，簡(jiǎn)稱(chēng)NL)

3）含等軸γ晶／片層結(jié)構(gòu)的雙態(tài)組織 ( Duplex，簡(jiǎn)稱(chēng)DP）

4）近γ組織（Near Gamma，簡(jiǎn)稱(chēng)NG)

合金的組織是決定合金力學(xué)性能的一個(gè)重要因素。上述四種典型金相組織如圖3所示。

近片層組織的TiAl合金具有綜合平衡的力學(xué)性能，但等軸γ晶粒影響合金的蠕變性能。全片層組織的TiAI合金具有較好的斷裂韌性和高溫性能，但因晶粒粗大，合金的強(qiáng)度和塑性偏低。

斷裂韌性和蠕變是材料應(yīng)用的兩個(gè)關(guān)鍵性能。四種典型組織中，全片層組織的TiAl合金具有較好的斷裂韌性和蠕變性能，因此全片層組織成為工程TiAI合金的首選組織。

全片層組織TiAI合金粗大的晶粒影響合金強(qiáng)度，尤其是合金的塑性，可以在TiAI合金全片層組織的設(shè)計(jì)和控制方面做工作改善這一問(wèn)題：

①合金成分影響全片層組織TiAI合金的片層晶團(tuán)尺寸，在TiAI合金中添加0.1 at.％-0.5at.% B，其晶團(tuán)尺寸可控制在100-400m之間；

②添加一定量的合金元素以獲得較窄的區(qū)和較寬的兩相區(qū)，是保證有少量的相釘扎在相界上抑制其長(zhǎng)大；

③形變后的TiAI合金首先處理得到晶粒均勻細(xì)小的雙態(tài)組織或等軸近γ組織，然后快速升溫到Tα溫度以上短時(shí)熱處理。

④在Tα溫度附近擠壓或鍛造而得到細(xì)晶和超細(xì)片層的全片層組織。

5、鈦鋁合金的性能

1）拉伸性能

在粗大晶粒的單相γ-TiAI合金中，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)由于受TiAI結(jié)構(gòu)本征因素的影響，位錯(cuò)滑移困難，變形過(guò)程中容易形成位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)和長(zhǎng)的位錯(cuò)塞積，導(dǎo)致合金過(guò)早地發(fā)生解理斷裂。細(xì)化晶粒是改善材料室溫塑性的重要措施，同時(shí)也可以達(dá)到改善延性和提高強(qiáng)度的目的。

根據(jù)合金成分和組織處理?xiàng)l件不同，兩相合金的拉伸塑性，延伸率在室溫下范圍為0.4％-3.5%。室溫屈服強(qiáng)度為350~650MPa，根據(jù)合金成分、處理方法和組織的不同，抗拉強(qiáng)度為400~720MPa。兩相合金的室溫拉伸性能與相的形貌直接相關(guān)，雙態(tài)組織的拉伸性能最好。全片層組織通常韌性差，室溫強(qiáng)度低。

2）蠕變性能

合金的蠕變受應(yīng)力幅度、溫度大小、晶粒尺寸、化學(xué)成分及其他金相學(xué)因素的影響，而片層組織對(duì)其影響最為顯著。隨著鋁含量的增加和C,N和W的加入，蠕變抗力增加。片層體積分?jǐn)?shù)的增加也能改善蠕變性能。全片層結(jié)構(gòu)顯著特征為大晶粒，它比雙態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)蠕變性能的改善更為顯著。

鋸齒晶界的形貌對(duì)全片層結(jié)構(gòu)的蠕變抗力貢獻(xiàn) 非常顯著。不規(guī)則晶界全片層結(jié)構(gòu)的 初始蠕變變形數(shù)量非常低（800℃和70MPa條件下少于0.1%），雙 態(tài)組織的疲勞斷裂強(qiáng)度在溫度升至650℃要高一些。而在650℃以上時(shí)，片層結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度要更高一些。在高溫下，疲勞壽命對(duì)環(huán)境非常敏感。

3）斷裂韌性

TiAI合金的顯微組織是影響其斷裂韌性的一個(gè)主要因素，是通過(guò)組成相類(lèi)型、組成相百分比和顯微組織晶粒尺寸等起作用的。研究結(jié)果表明，片層狀組織的斷裂韌性高于雙相組織，而雙相組織的斷裂韌性又高于等軸狀單相TiAI合金。FL組織具有最高的斷裂韌性，這主要是由于FL組織能夠產(chǎn)生大的裂紋尖端塑性應(yīng)變，從而增大了裂紋擴(kuò)展的抗力。細(xì)晶組織的斷裂韌性（KIc）值依片層晶粒的體積比值而不同，變化范圍為10-16MPa·√m。全片層組織隨著片層晶粒尺寸的增加斷裂韌性值的增加非常明顯，變化范圍為20-30MPa·√m。

6、TiAl合金的疲勞性能

TiAl合金的高低周疲勞性能

高周疲勞時(shí)，S-N曲線較陡；而低周疲勞時(shí)，合金的S-N曲線平坦；細(xì)晶尺寸能增加γ-合金在低于800℃時(shí)的低周疲勞壽命。對(duì)于高周疲勞，較低溫度下，雙態(tài)組織具有良好的疲勞性能，稍高一點(diǎn)溫度，片層結(jié)構(gòu)的疲勞壽命要長(zhǎng)一些。

TiAl合金的疲勞裂紋擴(kuò)展

1）脆性固體的疲勞裂紋擴(kuò)展

在靜載或準(zhǔn)靜載作用下，長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展的時(shí)間速率da/dt可用線彈性應(yīng)力強(qiáng)度因子K來(lái)描述，即

da/dt=A(K)^p

A和P是由試驗(yàn)確定的常數(shù)。

如果脆性材料被增韌，裂紋頂端或尾部的作用機(jī)制不同包括應(yīng)力誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變、裂紋在晶界及基體和增強(qiáng)劑間界面處的偏折、完整晶粒對(duì)裂紋的橋連、斷裂表面上的粗糙度、顆粒和纖維的作用。

2）循環(huán)載荷下的裂紋擴(kuò)展

對(duì)于恒幅載荷疲勞來(lái)說(shuō)，可滿足以下關(guān)系：

da/dN=C(?K)^m

C和m是由試驗(yàn)確定的常數(shù)。

3）脆性固體的裂紋擴(kuò)展阻力和增韌

脆性固體準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展的阻力對(duì)其疲勞裂紋擴(kuò)展特征和疲勞損傷容限程度有很大的影響。

4）低溫下的疲勞裂紋擴(kuò)展

脆性固體在循環(huán)載荷下的裂紋擴(kuò)展的宏觀形式遠(yuǎn)異于單向加載時(shí)的斷裂形式，即使當(dāng)循環(huán)加載和單向加載的破壞機(jī)制和宏觀斷裂模式相似，由于裂紋表面的機(jī)械接觸或環(huán)境作用的結(jié)果，兩種情況下的裂紋擴(kuò)展速率也會(huì)存在明顯的差別。室溫拉-拉或拉-壓疲勞下，脆性材料裂紋擴(kuò)展特征的這些差異的來(lái)源可歸因于許多因素。隨著在名義應(yīng)力強(qiáng)度因子上的恒幅波動(dòng)循環(huán)數(shù)的增加，疲勞裂紋擴(kuò)展速率不斷增加。裂紋屏蔽作用隨循環(huán)加載降低的程度與晶粒尺寸、分布，增強(qiáng)顆粒尺寸、分布，最大應(yīng)力強(qiáng)度因子的水平、平均應(yīng)力，以及裂紋面橋連作用破壞產(chǎn)生的殘余碎片的積累等有強(qiáng)烈關(guān)系。

TiAl合金疲勞裂紋形核

在拋光試樣中，疲勞裂紋通常在鑄造空隙或鍛造缺陷處形核。在沒(méi)有這些缺陷時(shí)，疲勞裂紋通常在滑移帶和晶界處萌生。TiAI合金中疲勞裂紋的形核對(duì)表面的粗糙度和缺口的銳度非常敏感，加工缺陷、外物毀壞、磨損毀壞及表面鑿槽是疲勞裂紋的優(yōu)先形核場(chǎng)所。TiAI合金疲勞斷裂過(guò)程中，裂紋形核是一個(gè)連續(xù)的行為。大多數(shù)疲勞微裂紋在疲勞試驗(yàn)的初期產(chǎn)生，但是在疲勞壽命的后期仍然有一些微裂紋形核。

疲勞裂紋擴(kuò)展

TiAI合金的疲勞裂紋擴(kuò)展行為相當(dāng)復(fù)雜，受眾多因素的影響，主要有顯微組織、AK值、裂紋尺寸因素、應(yīng)力比、溫度和片層取向及環(huán)境因素等。

1）顯微組織

TiAI合金的疲勞裂紋擴(kuò)展行為對(duì)組織很敏感，但受合金成分少量變化的影響不大，如圖5所示。由于片層組織特有的導(dǎo)致裂紋偏斜、橋接等機(jī)制，片層組織相對(duì)雙態(tài)組織、近片層組織具有較高的斷裂韌性。

 2) △K與Kmax值對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響

TiAl合金在低溫下表現(xiàn)出極為有限的亞臨界裂紋擴(kuò)展。在受限制的損傷容限范圍內(nèi)，需要了解是純機(jī)械疲勞作用下所加載荷的循環(huán)分量引發(fā)亞臨界裂紋擴(kuò)展斷裂，還是外加波動(dòng)載荷下的裂紋擴(kuò)展只是所加載荷中靜平均應(yīng)力促進(jìn)穩(wěn)態(tài)斷裂?？捎貌煌椒ù_定△K影響的循環(huán)載荷對(duì)裂紋擴(kuò)展的貢獻(xiàn)，是應(yīng)力幅△K決定了整個(gè)裂紋擴(kuò)展速率。

裂紋擴(kuò)展速率：

da/dN=C(K_max )^p (?K)^q

3）裂紋尺寸因素對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響

TiAI合金的疲勞裂紋擴(kuò)展行為依賴(lài)于裂紋尺寸的大小，裂紋分為可長(zhǎng)大（長(zhǎng)裂紋）和不可長(zhǎng)大（短裂紋）兩種。長(zhǎng)裂紋的長(zhǎng)大規(guī)律有門(mén)檻值、Paris裂紋擴(kuò)展率和發(fā)生斷裂的Kc值。由短裂紋引起的疲勞塑性區(qū)相對(duì)來(lái)講非常大，裂紋尺寸相當(dāng)小。

常見(jiàn)的小裂紋：

①顯微組織小裂紋：裂紋尺寸與顯微組織的特征尺度相當(dāng)；

②力學(xué)小裂紋：近頂端塑性區(qū)尺寸與裂紋尺寸可比的、光滑試樣中的裂紋；

③物理小裂紋：裂紋尺寸明顯超過(guò)顯微組織的特征尺度或局部塑性區(qū)尺寸。

④化學(xué)小裂紋：某些裂紋在名義上服從線彈性斷裂力學(xué)分析，但由于環(huán)境引起的應(yīng)力腐蝕疲勞效應(yīng)對(duì)“裂紋尺寸”這一概念有影響，在裂紋擴(kuò)展速率方面也會(huì)表現(xiàn)出明顯的異常行為。

小裂紋特征：

①小裂紋門(mén)檻值低于長(zhǎng)裂紋門(mén)檻值，甚至在長(zhǎng)裂紋門(mén)檻值以下擴(kuò)展。 

②存在不擴(kuò)展裂紋，即在一定裂紋長(zhǎng)度和載荷的組合下，有可能出現(xiàn)裂紋先形成而后停止擴(kuò)展的現(xiàn)象。 

③小裂紋的擴(kuò)展速率比長(zhǎng)裂紋要快得多。

當(dāng)裂紋長(zhǎng)度或△K小于某一值時(shí)，存在不擴(kuò)展裂紋；而當(dāng)△K大于某一值時(shí)，小裂紋的擴(kuò)展具有先高速擴(kuò)展而后減速擴(kuò)展再加速擴(kuò)展的行為。

圖6 兩種顯微組織的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線

4）溫度和環(huán)境對(duì)裂紋擴(kuò)展行為的影響

Mabru認(rèn)為裂紋閉合機(jī)理幾乎不受環(huán)境的影響。Rao發(fā)現(xiàn)在室溫,650℃和800℃下，650℃的裂紋擴(kuò)展速率最快，800℃下的次之，室溫下的裂紋擴(kuò)展速率最慢。Larsen發(fā)現(xiàn)在室溫、600℃和800℃下，600℃的裂紋擴(kuò)展速率最快，800℃與室溫下的裂紋擴(kuò)展速率接近，略微要慢一些。

5）應(yīng)力比對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響

應(yīng)力比增加提高了合金的裂紋擴(kuò)展速率，并且降低了合金的門(mén)檻值。

6）片層取向?qū)α鸭y擴(kuò)展速率的影響

TiAl合金中，全片層組織的裂紋擴(kuò)展速率較之于其他組織都要低一些，這是因?yàn)槠瑢咏M織對(duì)裂紋擴(kuò)展起到較好的阻礙作用。晶團(tuán)間片層取向越大對(duì)阻止裂紋擴(kuò)展越有利。對(duì)于鑄造TiAI合金，其顯微組織具有明顯的方向性。預(yù)制裂紋與片層間的取向關(guān)系嚴(yán)重地影響合金的斷裂韌性。

圖9 預(yù)制裂紋與片層間的取向關(guān)系示意圖

TiAI合金的等溫疲勞和熱機(jī)械疲勞

1）TiAI合金的等溫疲勞

研究發(fā)現(xiàn)合金的成分和顯微組織直接影響合金的低周疲勞性能。低周疲勞抗力主要受屈服強(qiáng)度的影響，塑性對(duì)其也具有一定程度的影響，歸根到底這些性能還是受組織參數(shù)的控制。

2）TiAl合金的熱機(jī)械疲勞行為

影響合金低周疲勞循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)的因素有合金成分、溫度、應(yīng)變幅、時(shí)效條件等。一般用應(yīng)力幅一循環(huán)反向次數(shù)曲線來(lái)表征循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)：在循環(huán)過(guò)程中只有不斷降低應(yīng)力幅才能維持應(yīng)變幅恒定稱(chēng)為循環(huán)軟化；反之，則稱(chēng)為循環(huán)硬化；如果循環(huán)過(guò)程中應(yīng)力幅變化不明顯，此時(shí)則稱(chēng)之為循環(huán)穩(wěn)定。

影響熱機(jī)械疲勞壽命的因素有試驗(yàn)溫度、應(yīng)變速率、蠕變、氧化、試驗(yàn)環(huán)境、材料變形后回復(fù)或再結(jié)晶及相位等，這幾種因素往往同時(shí)起作用。應(yīng)變速率可影響滑移模式、氧化、蠕變、材料變形后的回復(fù)等，因此也是影響熱機(jī)械疲勞壽命的重要因素。

7、TiAl合金的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)外對(duì)于鈦鋁（TiAl）合金的微觀結(jié)構(gòu)、變形特性、添加元素的影響以及制備技術(shù)等方面進(jìn)行了卓有成效的研究。鈦鋁（TiAl）合金因其優(yōu)異的物理和機(jī)械性能，成為眾多高科技領(lǐng)域中的重要材料。其高比強(qiáng)度、良好的耐高溫性和抗氧化性使其在航空航天、汽車(chē)工業(yè)和其他高溫應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景。

航空航天領(lǐng)域

1）渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件：TiAl合金被廣泛用于制造渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片和葉輪，由于其優(yōu)異的高溫性能和低密度，可以顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推力重量比和燃油效率。

2）飛機(jī)結(jié)構(gòu)件：鈦鋁合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用，如機(jī)翼前緣和尾翼部分，可以有效減輕飛機(jī)重量，提高飛行性能和燃油經(jīng)濟(jì)性。

汽車(chē)工業(yè)

1）發(fā)動(dòng)機(jī)部件：TiAl合金用于制造高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的閥門(mén)和渦輪增壓器部件，由于其高溫穩(wěn)定性和低密度，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和功率輸出，同時(shí)減少燃油消耗。

2）排氣系統(tǒng)：在高性能汽車(chē)的排氣系統(tǒng)中，TiAl合金能夠承受高溫氣流的沖擊，減少系統(tǒng)重量，提高車(chē)輛的動(dòng)力性能。

其他高溫應(yīng)用

1）燃?xì)廨啓C(jī)：在工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)中，TiAl合金因其優(yōu)異的高溫性能和抗氧化性，用于制造渦輪葉片和其他高溫部件，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，提高熱效率。

2）化工設(shè)備：TiAl合金在化工設(shè)備中的應(yīng)用，如高溫反應(yīng)器和耐腐蝕管道，能夠在極端環(huán)境下保持穩(wěn)定性能，減少設(shè)備維護(hù)和更換頻率。

表4 鈦鋁合金相關(guān)牌號(hào)

 表5 鈦鋁合金相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

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