γ-TiAl合金高温塑形变形力学行为及本构模型

轻质高强γ-TiAl合金是航空发动机关键结构件减重的首选材料。本文概括总结了γ-TiAl合金的高温压缩变形力学行为及本构模型,重点分析了变形工艺参数、变形历史和预热处理、元素、原始组织对γ-TiAl合金高温压缩变形力学行为的影响。本文概括总结了三种本构模型：经验型本构模型、不同软化机制下的本构模型和耦合变形机理的微观模型,并对Arrhenius模型和H-S模型进行了详细分析。同时,对不同软化机制下的本构模型和耦合变形机理的模型进行了总结分析。最后指出,γ-TiAl合金高温压缩变形力学行为的未来研究重点是建立耦合多相协调性高温变形机理的本构模型。     

γ-TiAl合金在高温熔盐环境下的腐蚀机理

在800℃、75%Na2SO4和25%NaCl的熔融盐环境中,对名义成分为Ti-48Al-2Cr-2Nb的γ-TiAl合金进行高温腐蚀实验。通过氧化动力学分析、扫描电镜观察及X射线衍射分析,研究全片层γ-TiAl合金的氧化腐蚀行为,以及高温腐蚀性环境对合金内部微观组织的选择性腐蚀机理。结果表明:在高温熔融盐腐蚀环境下,γ-TiAl合金主要形成由TiO2和Al2O3组成的氧化膜层,且高温熔融盐环境对合金内部微观组织存在明显的选择性腐蚀,即腐蚀路径沿α2与γ两相界面进入合金内部,并优先腐蚀α2相片层及γ相片层中的某些亚结构。合金片层组织中α2相与γ相间的抗氧化性能差异,以及熔融盐腐蚀性环境参与氧化中间反应并加速合金氧化过程是发生选择性腐蚀的主要原因。     

高铌TiAl高温合金的研究现状与展望

高铌TiAl高温合金是一种具有发展前途的新一代高温结构材料,合金化元素铌的添加能够显著提高γ-TiAl合金的工程应用。文章首先综述了高铌TiAl合金的性能特点和应用前景,并简单介绍了该合金的最新基础研究情况,随后介绍了制备高铌TiAl合金的基本工艺。最后论述了国内外高铌TiAl高温合金的发展历史和趋势。     

多弧离子镀Cr涂层对γ-TiAl合金高温氧化性能的影响

采用多弧离子镀技术在γ-TiAl合金表面制备Cr涂层,用SEM/EDS和XRD等手段研究了该涂层对γ-TiAl合金在高温下氧化性能的影响。结果表明,涂层在高温下可形成保护性氧化膜,氧化膜主要分为内外两层,其中外层氧化膜在650℃下主要为Cr2O3,在750℃下为TiO2,在950℃为Al2O3,内层氧化膜均为Ti-Al-Cr的混合氧化膜,Ti-Al-Cr的互扩散层可有效阻止氧向基体扩散,显著提高了γ-TiAl的抗高温氧化能力。     

多弧离子镀NiCrAlY涂层对γ-TiAl氧化行为的影响

文中采用多弧离子镀技术在γ-TiAl合金表面制备了NiCrAlY涂层,用SEM/EDS和XRD等手段研究了该涂层对γ-TiAl合金高温氧化行为的影响。结果表明NiCrAlY涂层在高温下可形成保护性氧化铝膜,显著提高了γ-TiAl的高温氧化抗力。在氧化过程中,NiCrAlY/TiAl涂层体系发生了严重的Ni的内扩散,形成了层状结构的互扩散带。     

Y，Er离子注入对γ—TiAl金属间化合物高温氧化性能的影响

采用金属蒸气真空电弧(MEVVA)离子源将稀土Y,Er离子分别注入γ-TiAl金属间化合物,注入能量为50～60 keV,注入剂量为1×1017 cm-2.研究了γ-TiAl在空气中800～900℃,200 h的循环氧化行为.结果表明,Y,Er离子注入γ-TiAl的氧化增重比原始试样均未见明显减小,同时出现了严重的氧化膜剥落现象.不同于稀土改善Fe,Co和Ni基高温合金抗氧化性能,Y,Er离子注入不具有增加氧化膜粘附性,改善γ-TiAl抗氧化性能的作用.     

TiAl基合金的激光表面处理

研究了激光表面合金化和表面熔覆技术在γ-TiAl基金属间化合物上的应用，从激光表面处理技术的特点和其在TiAl合金表面改性上的最新研究结果入手，探讨了激光表面层及表面处理工艺参数对TiAl合金表面组织与高温氧化性能和耐磨性的影响及其机理，研究结果表明激光表面处理在改善TiAl合金高温抗氧化性能和提高耐磨性方面有着广阔的应用前景。     

多元γ-TiAl合金成分设计的研究现状及趋势

γ-TiAl合金有诸多良好的高温性能并在许多领域广泛应用,但室温塑性较差在一定程度限制了该类合金的工程化应用。而合金成分设计优化不仅直接影响合金的凝固组织而且能最终改善合金的性能。从多元γ-TiAl合金的凝固路径、合金元素的添加、间隙原子的添加以及Al当量计算等方面总结了多元γ-TiAl合金成分的设计理念和主要成果。基于此,提出了合金设计的原则,并预测了多元γ-TiAl合金成分设计的发展趋势。     

微量B和C对铸造TiAl合金高温性能的影响

研究了微量B和C对铸造γ-TiAl基合金高温拉伸性能和高温蠕变性能的影响.结果表明,在合金中加入微量的C,能使合金1100℃以下的高温强度显著提高,高温持久寿命也大大延长.持久断裂后的显微组织分析表明,加C合金的片层比较稳定,开裂主要发生在晶界.另外,金相组织观察表明,在B含量稍高的合金中蠕变孔洞常常在硼化物处优先形成并扩展,因而对高温持久性能不利.     

γ-TiAl合金高温塑性变形力学行为及本构模型的研究进展（英文）

轻质高强γ-TiAl合金是航空发动机关键结构件减重的首选材料。概括总结了γ-TiAl合金的高温压缩变形力学行为及本构模型,重点分析了变形工艺参数、变形历史和预热处理、元素、原始组织对γ-TiAl合金高温压缩变形力学行为的影响。本文概括了3种本构模型:经验型本构模型、不同软化机制下的本构模型和耦合变形机理的微观模型,并对Arrhenius模型和H-S模型进行了详细分析。同时,对不同软化机制下的本构模型和耦合变形机理的模型进行了总结分析。最后指出,γ-TiAl合金高温压缩变形力学行为的未来研究重点是建立耦合多相协调性高温变形机理的本构模型。     

添加高铌对TiAl合金组织和高温性能的影响

由于γ-TiAl合金低密度和高温时的高比强度，因此很有希望在航空和汽车工业的高温领域得到应用。但该合金低的延展性和抗氧化能力限制了它的实际应用。研究发现，添加第3组元可以提高TiAl合金的工程性能。因此，人们相继开展了在含铝45mol％～49mol％的TiAl基合金中添加Cr，Mn，Ta，Nb，W，No，Si，B等第3组元的微合金化研究工作。高铌TiAl合金具有优良的高温强度和室温延展性，抗氧化性能及热加工性得到明显改善。因此对于高铌含量的TiAl合金研究得到快速发展。但是关于含铝量小于45mol％和含Nb量大于10mol％的TiAl合金研究很少。     

Phase Evolution of Diffusion Bonding Interface between High Nb Containing TiAl Alloy and Ni-Cr-W Superalloy

在1000 ℃-50 MPa-60 min条件下对高Nb-TiAl和Ni-Cr-W高温合金进行了扩散连接,通过光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）和X射线衍射仪（XRD）对扩散连接界面处显微组织及相组成进行了分析。研究结果表明,未添加中间层时,高Nb-TiAl合金/Ni-Cr-W高温合金扩散连接接头处的相组成为γ-TiAl、Ni2AlTi、Ni3Ti、(NiCr)ss 相、γ 相。而高Nb-TiAl合金/Ti/Cu/Ni-Cr-W高温合金扩散连接接头处的相组成为Ti3Al、Tiss、Ti2Ni、rich Cu-NiAlTi、α2-Wss、Ni2AlTi、(NiCr)ss 相、γ相。此外,由于Cr和W的扩散速度较慢,Cr和W原子主要偏聚在靠近Ni-Cr-W高温合金的区域。Ti/Cu箔的加入有利于界面处元素的扩散和反应,可以有效避免微裂纹的产生。     

不同空位浓度γ-TiAl合金剪切过程分子动力学模拟

利用分子动力学分析了不同空位浓度的Al空位和Ti空位对γ-TiAl合金剪切力学性能的影响，重点研究了含空位γ-TiAl合金的温度效应。结果表明，随着空位浓度增加，弹性模量没有太大变化，但剪切强度逐渐减小，且含Al空位γ-TiAl合金的剪切强度要高于含Ti空位γ-TiAl合金。在剪切过程中，材料偏向于离边界更近处的空位处形成位错源，进而向材料内部发射位错，并且出现了类似于宏观材料的颈缩现象。进一步分析了温度对空位浓度为0.5%的γ-TiAl合金剪切强度的影响，发现随着温度的增加，γ-TiAl合金剪切强度总体呈下降趋势。     

合金γ-TiAl价电子结构的计算及其力学性能

利用固体与分子经验电子理论计算了合金γ-TiAl及γ-TiAl、α—Ti、β-Ti、α2-TiAl的价电子结构；利用价电子结构给出的信息-相结构因子αN、F、ρL/V、ρC/V和键络的空间分布nα，讨论了γ-TiAl、合金γ-TiAl的价电子结构及其与力学性能的关系，分析了合金元素的合金化行为，提出了改善γ合金力学性能的有效途径。     

Nb对选区激光熔化γ-TiAl基合金组织与性能的影响（英文）

采用选区激光熔化技术,在TC4合金基体上制备不同Nb含量的γ-TiAl基Ti-Al-Mn-Nb合金。系统分析Nb含量对合金显微组织和性能的影响规律。研究结果表明,合金主是由四方结构的γ-TiAl和密排六方结构的α_2-Ti_3Al相组成,且随着Nb含量的增加,合金的凝固组织逐渐由枝晶状结构演化为层片状结构。因高含量Nb在γ-TiAl相中的固溶,以及细小板条状结构的形成,致使Nb含量为7.0 at.%的合金具有最佳的综合性能,即其不仅具有高的硬度(HV2000)、高的强度(1390MPa)和良好的塑性变形能力(24.5%),而且具有良好的摩擦磨损和高温抗氧化性能。     

低成本γ—TiAl排气阀研究现状

重量轻与相当于Ni-基超合金的高温强度相结合,使得γ-TiAl合金成为可替代传统钛合金的较为理想的排气阀结构材料。排气阀重要的减轻可以减小阀体与汽缸之间的摩擦,进而提高燃料的燃烧效率,然而,应用γ-TiAl合金必须克服一般航空材料高成本、小批量的生产方式,以便使γ-TiAl排气阀能够广泛地应用到汽车工业中。本文将几种可用于制造排气阀的结构材料进行了对比,结果表明γ-TiAl的密度是小于传统钛合金,蠕变和疲劳性能与IN-751相当,是理想的排气阀结构材料,此外,还讨论了γ-TiAl合金排气阀生产,以及日后发展可能遇到的一些问题。     

高铌γ-TiAl合金表面微弧氧化陶瓷涂层的耐蚀性及高温氧化行为

利用微弧氧化技术（MAO）在硅酸钠和氢氧化钾溶液中对高铌γ-TiAl合金表面原位生长陶瓷涂层以提高γ-TiAl合金的抗高温氧化性能。采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、电化学工作站和箱式电阻炉高温氧化测试分析涂层的表面及截面形貌、相组成、元素化学结合状态、耐蚀性和高温氧化行为。XRD和XPS结果表明,陶瓷涂层主要由Al₂TiO₅、SiO₂和Nb₂O₅组成。涂层与基体界面结合良好,厚度约2.15 μm。高铌γ-TiAl合金经微弧氧化处理后,在3.5%NaCl溶液中的腐蚀电流降低近1个数量级。微弧氧化处理试样在800~900 ℃中的氧化增重仅为基体的8.9%~37.5%。微弧氧化陶瓷涂层将基体的氧化激活能从247.79 kJ/mol增加到涂层试样的574.41 kJ/mol。     

复合溶胶-凝胶法制备TiAl合金表面防护涂层

采用复合溶胶-凝胶法在γ-TiAl合金表面制备一种致密均匀的新型复合陶瓷涂层.通过1 000 ℃等温氧化和循环氧化实验研究涂层对γ-TiAl基体高温氧化行为的影响,并初步探讨涂层的抗氧化机制,利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)分析涂层氧化产物的表面形貌、组织结构及相组成.结果表明:涂层对TiAl基体具有良好的高温防护作用,能显著降低TiAl合金的高温氧化速率;涂层氧化产物Y3Al5O12和Y2(Ti2O7)的热膨胀系数与TiAl基体的非常接近,提高涂层和基体之间的相容性,从而避免涂层在氧化过程中的剥落.BSE和EDS分析表明,在涂层与基体界面处形成一层致密的Al2O3保护膜,有效地防止合金基体的高温氧化.     

NH4F溶液化学处理对γ-TiAl抗高温氧化性能的影响

采用NH4F溶液对γ-TiAl合金进行表面氟化处理,以提高TiAl合金的抗高温氧化性能.分别研究经过氟化处理和未处理试样在850和900℃时的高温氧化行为及NH4F溶液浓度对合金氧化层组织结构的影响.结果表明,经过NH4F溶液处理TiAl合金高温氧化层的组织比未处理合金更加致密,高温氧化抗力高于未处理合金的.850℃氧化时,TiAl合金氧化抗力随NH4F溶液浓度的增高而增加;900℃氧化时,TiAl合金氧化后的质量增量不随NH4F溶液浓度增加而改变.     

γ-TiAl表面NiCrAlY/Al复合涂层的高温氧化行为

采用磁控溅射和电弧离子镀技术在γ-TiAl合金表面制备NiCrAlY/Al复合涂层,研究了复合涂层对提高γ-TiAl合金抗高温氧化性能的作用机理。经950℃恒温氧化100 h后,涂层表面未发现裂纹和脱落,涂层试样氧化增重值较基体大幅减小。对氧化层进行了SEM、EDS和XRD分析,结果表明无保护涂层的基体γ-TiAl合金表层疏松多孔,无法抵抗高温环境下氧气对基体合金的侵蚀。复合涂层表面的NiCrAlY镀层在氧化过程中形成了Cr2O3,α-Al2O3和β-NiAl相组成的致密防护涂层,阻隔了氧气与基体的接触,中间的Al层为表层持续生成Al2O3提供了Al源。NiCrAlY/Al复合涂层显著提高了基体在950℃下的抗高温氧化性能。