隨著高超聲速飛行器飛行速度的不斷提高，航空航天領(lǐng)域?qū)p質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫合金材料的需求越來(lái)越迫切。目前可用的材料有高溫鈦合金，如TA15或Ti65、鎳基高溫合金、TiAl和Ti3Al金屬間化合物等。Ti2AlNb合金是Ti3Al系列金屬間化合物中新發(fā)展的輕質(zhì)、耐高溫結(jié)構(gòu)材料，可在650～750℃下長(zhǎng)期使用，短期可在1000℃以上使用。其使用溫度比Ti65等高溫鈦合金高100℃以上，密度遠(yuǎn)低于高溫合金，其室溫塑性、高溫比強(qiáng)度、斷裂韌性、抗蠕變等綜合力學(xué)性能遠(yuǎn)優(yōu)于TiAl和Ti3Al合金。
Ti2AlNb合金通常被稱為正交（O）相合金，由Banerjee等人于1988年發(fā)現(xiàn)，該O相具有更多的滑移系，因此具有更好的延展性。此外，O相還表現(xiàn)出更好的力學(xué)性能，如高的強(qiáng)度重量比、斷裂韌性、抗氧化性和成形性，該合金的熱處理會(huì)產(chǎn)生五種主要微觀結(jié)構(gòu)，包括完全B2和α2+B2、層狀、雙峰層狀、等軸和雙相O相微觀結(jié)構(gòu)。其優(yōu)異性能幾乎成為高超聲速飛行器高溫結(jié)構(gòu)材料的zuijia選擇,受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和深入研究。
Ti2AlNb合金相關(guān)研究
RELATED RESEARCH
Ti2AlNb金屬間化合物由于具有較高的比強(qiáng)度和高溫下高的抗蠕變性，在航空航天工業(yè)中有著很好的應(yīng)用前景，該材料的選擇性激光熔化(SLM) 技術(shù)近年來(lái)興起。有實(shí)驗(yàn)通過(guò)SLM工藝制備Ti2AlNb合金，研究了不同熱處理后板條、針狀和晶界(GB)析出物的特征，建立了固溶熱處理(SHT)溫度與時(shí)效處理(AT)前后析出物尺寸和體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。對(duì)SLM和熱處理后的金屬間化合物進(jìn)行了高溫拉伸試驗(yàn)，提出了微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)系，合理化了高溫下抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SLM處理后的試樣以B2相為主，具有良好的室溫延展性，但在650℃時(shí)，沿晶界的連續(xù)析出使拉伸強(qiáng)度和延展性降低。SHT（920℃）+AT后，由于大尺寸板條O+α2相的析出，650℃下的最大伸長(zhǎng)率（El）顯著增加。SHT（1000℃）+AT后，由于針狀O相的析出，650℃下拉伸試驗(yàn)的最大極限拉伸強(qiáng)度（UTS）增加到820MPa。
也有研究采用選擇性激光熔化技術(shù)原位合成了Ti-22Al-25Nb合金。數(shù)據(jù)顯示制備的合金顯微硬度為358.1±5.8HV0.5，SLM生產(chǎn)的Ti-22Al-25Nb材料退火后由B2晶粒、Ti2AlNb和Ti3Al沉淀物組成，塊體材料中元素分布均勻。
SLM制備TiAlNb合金顯微組織掃描電鏡電弧增材制造技術(shù)因沉積效率高、成本低、材料利用率大以及可靈活制造大型結(jié)構(gòu)件等優(yōu)點(diǎn)，在船舶、航空、汽車等許多工程領(lǐng)域引起了人們的極大關(guān)注并顯示出很好的應(yīng)用前景，有研究采用電弧增材制造（WAAM）技術(shù)原位制備Ti2AlNb合金，并對(duì)沉積成分進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明：沉積物平均測(cè)試值與設(shè)計(jì)值之間的成分誤差在1.1%以內(nèi)，但存在成分和組織局部偏析。偏析現(xiàn)象惡化了其力學(xué)性能，室溫和高溫（650℃）下的極限拉伸性能和伸長(zhǎng)率平均分別為504±38.59MPa、0.41±0.03%和375±32.60MPa、0.76±0.05%。同時(shí)，制備的合金呈現(xiàn)完全層狀結(jié)構(gòu)，XRD結(jié)果表明Ti2AlNb合金的基本組成相B2、O和α2成功出現(xiàn)。由于本工作展示的原位制造方法具有低成本和高靈活性優(yōu)勢(shì)，有望顯著促進(jìn)AM的廣泛應(yīng)用。
03 通過(guò)熱等靜壓工藝制備Ti2AlNb合金
Ti2AlNb合金在高溫下具有更高的比強(qiáng)度，曾被視為在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中取代GH4169等高溫合金的候選材料。盡管Ti2AlNb合金具有很強(qiáng)的抗變形能力，但其典型的成形工藝是鍛造或軋制，錠材熱機(jī)械加工引起的不均勻微觀結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致Ti2AlNb合金的力學(xué)性能發(fā)生大幅波動(dòng)。粉末冶金(PM)為解決大型鑄錠生產(chǎn)中的許多問(wèn)題提供了潛力，例如中心線孔隙度、化學(xué)不均勻性和熱機(jī)械加工組織的遺傳現(xiàn)象等。
通過(guò)優(yōu)化熱等靜壓及熱處理方案，粉末冶金熱等靜壓Ti2AlNb合金可獲得均勻的組織和均衡的綜合性能。研究發(fā)現(xiàn)：氣霧化工藝可制備潔凈的預(yù)合金Ti2AlNb粉末，通過(guò)熱等靜壓工藝可獲得均勻的化學(xué)成分和組織；熱等靜壓溫度影響粉末冶金Ti2AlNb合金中孔隙的體積密度和分布。結(jié)果表明：熱等靜壓溫度影響粉末冶金Ti2AlNb合金的孔隙率分布和力學(xué)性能。經(jīng)過(guò)不同的后熱處理后，粉末冶金Ti2AlNb合金的組織和力學(xué)性能發(fā)生了明顯變化，通過(guò)優(yōu)化熱處理工藝獲得了良好的拉伸強(qiáng)度、延展性和斷裂壽命的結(jié)合。
04 熱包軋制SPS制備的Ti2AlNb合金
放電等離子燒結(jié)（SPS）技術(shù)具有升溫速度快、燒結(jié)密度高的優(yōu)點(diǎn)，研究人員以預(yù)合金Ti-20.3Al-24.7Nb粉末為原料，采用SPS工藝制備壓坯，燒結(jié)溫度為1060℃，壓力為50MPa，壓坯微觀結(jié)構(gòu)均勻，有利于高溫軋制，有可能獲得高強(qiáng)度的板材。燒結(jié)后，將壓坯切割成尺寸為28mm×28mm×3mm的小塊，然后將它們密封在304不銹鋼袋中。軋制時(shí)采用雙輥非對(duì)稱熱軋機(jī)，軋制溫度采用3個(gè)階段，分別為850℃（O+B2相區(qū)）、950℃（α2+O+B2三相區(qū)）和1030℃（單一B2相區(qū)）。而后對(duì)Ti2AlNb板材在無(wú)事先進(jìn)行熱處理時(shí)的不同溫度下進(jìn)行高溫力學(xué)性能測(cè)試，可以得出以下結(jié)論：（1）Ti2AlNb板材在試驗(yàn)前即使不進(jìn)行熱處理也具有良好的高溫強(qiáng)度，說(shuō)明通過(guò)軋制放電等離子燒結(jié)來(lái)制備Ti2AlNb板材具有很大的潛力。（2）對(duì)于在單一B2相區(qū)軋制的板材，抗拉強(qiáng)度在650℃時(shí)達(dá)到最大值931.4MPa。升高試驗(yàn)溫度顯著降低板材的抗拉強(qiáng)度。在單一B2相區(qū)軋制的板材由于晶界結(jié)合力較弱，容易在晶界處斷裂。（3）在O+B2相區(qū)軋制的板材由于延展性好，抗拉強(qiáng)度低，板材的伸長(zhǎng)率為83.2%，但抗拉強(qiáng)度較低，在650℃時(shí)僅為477.4MPa。板材表現(xiàn)出穿晶斷裂模式，斷裂后晶界處的空洞演變?yōu)榇罂紫?。?）在α2+O+B2相區(qū)軋制的板材具有良好的高溫拉伸性能，650℃時(shí)的拉伸強(qiáng)度高達(dá)956.6MPa，拉伸強(qiáng)度隨溫度的升高而降低。