粉末冶金TiAl基合金的研究进展
摘 要 本文综述了粉末冶金制备钛铝基合金的几种工艺方法,如预合金粉末工艺,元素粉末制备工艺,自蔓延高温合成工艺方法等,介绍了有关力学性能的研究及进展情况,对各方法的优势及局限性进行了论述,同时指出了粉末冶金TiAl基合金制备技术目前存在的问题及今后研究重点。
关键词 TiAl基合金;粉末冶金;力学性能
中图分类号TF12 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2013)91-0045-02
0 引言
作为高温结构材料,TiAl基合金正受到业内界人士的越来越高度关注,良好的抗氧化性能,低密度,耐高温性能等,让其比之镍基合金和钛基合金更具优越性[1],因此成为航空,国防,军工等高科技领域极具吸引力的材料。然而,室温塑性低,高温屈服应力高和加工成形性差等,使得TiAl合金广泛应用受到严重的制约。因此,研究和开发针对TiAl合金合理高效的制备与成形技术,是科技工作者的一个重要课题。常规制备TiAl基合金的方法主要有粉末冶金,铸造,铸锭冶金等。其中粉末冶金方法有其显著独特优点:克服了铸造缺陷,如疏松缩孔等;加入合金元素来制备复合材料变得容易;材料成分均匀,显微组织细小,力学性能优异;复杂零件易于实现近净成形。
1 预合金粉末制备工艺
采用预合金粉末成型工艺制备TiAl基合金首先要制备γ-TiAl预合金粉末,之后经过模压成型与烧结反应而制得所需制件的工艺。此工艺的成本有些昂贵,因为,Ti熔点高且活性比较大,需要在制备过程中严格控制工艺,故难度也较大。现阶段,发展出来很多方法制备γ-TiAl预合金粉,其中主要被采用的有:雾化法、机械合金化法(MA)、自蔓延高温合成法(SHS)等。此工艺所获材料其晶粒大小,相分布以及合金元素分布的均匀性与相应的锻件相比,都得到显著提高。用预合金法,德国姆波公司制造出大型客机连接臂,和直升机叶片连杆接头,产品相比于锻件,材料和成本分别节省40%和34%[2]。随后美国坩埚公司又开发出,可以制备全致密,形状复杂的钛合金近形产品的陶瓷模热等静压技术,使得合金材料的力学性能得到进一步提升。
2 元素粉末法
元素粉末法是对Ti、Al和Nb、Cr、Mo等外加元素预压成形,在高温下反应合成之后进行致密化来制备TiAl基合金材料的,制品组织细小、成分均匀。此法优点是成本比较低,工艺设备简单而且容易添加各种高熔点合金元素,通过均匀化混合和高温反应能避免成分偏析。元素粉末法制备TiAl基合金,已经得到了广泛研究,所制备出来的材料性能可与铸造TiAl基合金媲美。元素粉末法制备TiAl合金时Ti,Al元素会发生扩散反应,基本反应过程为[3]:6Ti+6Al→4Ti+2TiAl3, 4Ti+2TiAl3→Ti3Al+TiAl+2TiAl2,Ti3Al+2TiAl2+TiAl → 6TiAl。
3 成型工艺
预合金粉末属硬脆粉末,不便直接模压成形,所以采用挤压方式进行成形。有冷挤压和热挤压两种方式。此工艺让粉末晶粒得到了细化,组织均匀性和粉末间的高温扩散能力得到提高。对于元素粉末挤压可以消除压坯膨胀开裂,而对于预合金粉末,挤压也提高了粉末变形能力。随着科技的进步,出现了很多新技术如:温压技术,流动温压技术,模壁润滑技术,爆炸压制技术,高速压制技术等。这使得粉末冶金成形技术正向高性能化,高致密化方向发展。
4 烧结反应工艺
以下是对目前出现的几种TiAl合金粉末冶金烧结工艺简单介绍。
4. 1热压和热等静压
热压和热等静压是目前两种很可行的制备钛铝基合金的工艺。在压制的过程粉末的受力比较均匀,所得制件的致密度很高,力学性能很优异。经文献和实践所知,在1100℃~1300℃,压力大于100MPa时,将雾化TiAl预合金粉末,直接进行热等静压效果为最好。刘咏等人用此热等静压的工艺方法所制得的钛铝基合金制件,致密度高,显微组织细小,结果很是成功[4]。
4.2 自蔓延高温合成工艺
自蔓延高温合成(也被称为燃烧合成方法),是利用化学反应过程所生成的热量和产生的高温,而使自身反应持续下去,进而获得所需材料或制品的方法。该工艺简单,高效节能,成本低且制品质量高,自问世后在世界范围内得到了广泛的研发与应用。其中开发出来的SHS制备粉体,烧结,致密化技术,能够制备出常规方法难以制备出的TiAl化合物,且产物形状复杂,致密度高,目前SHS粉末技术已成功应用与工业生产且技术越发成熟。
4.3 放电等离子烧结
放电等离子体烧结亦叫作等离子体活化烧结,最早源于20世纪30年代年美国人的脉冲电流烧结原理,但此快速烧结工艺真正发展成熟是90年代从日本开始的,此后才得到广泛的关注与研发。在装有粉末的模具上联通瞬间,断续,高能脉冲电流,粉末颗粒间就能产生等离子放电现象,产生的高活性离子化的电导气体,迅速消除粉末粒表面的杂质和气体, 并加快粉末的净、活、均化等效应[5]。SPS艺有其独特优势:加热均匀,烧结温度低且升温速度快,产品组织细小均匀且致密度高。研究表明,用MA技术与SPS技术结合制备出的TiAl合金,组织均匀,性能优良。
4.4 粉末注射成形工艺
此技术是把塑料注射成形工艺和传统粉末冶金技术相互结合,而发展成为一种新型的近净成形的工艺。主要步骤为:混合粉末与粘结剂,注射成形,脱模,烧结。此工艺制备的制件致密度高,组织均匀,性能优越,能够制备质量要求高且精密复杂的制品,而且成本低,自动化程度高,材料利用率几近百分百。因此该工艺在国际上很热门,很受欢迎。采用PIM工艺制备出的TiAl合金组织细小均匀,相对密度高,性能优良,而且成本与传统工艺比大大降低,当然此方面的研究还有广阔空间。
5 粉末冶金TiAl基合金的力学性能
作为高温结构材料,TiAl合金因为低的密度,高强度系数,良好的抗氧化性能和抗蠕变性能等,而备受关注与欢迎。然而因低室温延展性,难加工性,使其被广泛应用受到制约[6]。如何使其强度和延展性相平衡是一个很大挑战,有关此方面的研究工作一直在进行。研究表明,TiAl合金中增加Nb能改善TiAl合金高温抗氧化性能,适量Cr可以提高延性,B可以细化晶粒, 提高抗蠕变性能。经过不断地改进和完善,粉末冶金TiAl合金的一些力学性能已得到了显著的提高。近期研究发现,合金添加Mo,V和Ag能改善显微组织,在1350度烧结能提高其致密度能达到96%,而抗压缩强度可达到1782MPa。然而,孔隙的难以彻底消除,间隙元素难于控制等问题,还需要不断地克服。
6 结论
TiAl合金因其独特的性能在军工,航空等高技术产业占有重要地位,采用粉末冶金工艺制备TiAl基合金,优势明显,能够制备得精密度很高的制件。在TiAl合金制备技术中,极富吸引力,进而脱颖而出。然而,粉末冶金法制备TiAl基合金技术并不是完美至极的,还有一些工作需要进一步研究和拓展:控制间隙元素和杂质的污染;合金元素的合理选择与添加,改善TiAl合金的性能;进一步完善致密化技术,让显微组织更加均匀细化,消除孔隙缺陷等;进一步研发让生产低成本,高效率,规模化,不但为军用而且为民所用,促进经济的发展。粉末冶金钛铝合金技术有其独特的优势和地位,若得到进一步改进和完善,对我国的经济发展,国力的提升,具有重大意义。
参考文献
[1]Q.Liu,P.Nash. The effect of Ruthenium addition on the microstructure and mechanical properties of TiAl alloys[J]. Intermetallics 2011(19):1282-1290.
[2]赵瑶,贺跃辉.粉末冶金Ti6Al4合金的研制进展[J].粉末冶金材料科学与工程,2008,13(2).
[3]Wang G X,Dahms M.PMI,1992,24(4):219-225.
[4]刘咏,黄伯云,周科朝,等.热等静压对粉末冶金TiAl合金显微组织和相成分的影响[J].粉末冶金技术,2001,19 (3):1651-1653.
[5]X.F.Ding,J.P.Lin,L.Q.Zhang.Materials and Design[J].Microstructures and mechanical properties of directionally solidified Ti-45Al-8Nb-(W, B, Y) alloys.201(32):395-400.
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