高温TiAl基合金定向凝固的研究现状

高温TiAl基合金在航空航天领域减重和升高使用温度方面是极具发展潜力的高性能结构材料。介绍了高温TiAl基合金定向凝固的研究现状和发展趋势,阐述了提高定向凝固高温TiAl基合金使用性能的几种方法,主要包括:利用高Nb合金化提高合金的使用温度和高温强度,使用冷坩埚定向凝固来避免氧化物陶瓷坩埚带来的合金污染,采用籽晶法/非籽晶法控制定向凝固片层取向以提高力学性能。     

定向凝固TiAl合金成分−组织−性能研究进展

TiAl合金由于其低密度和高比强度,在航空材料中展现出良好的应用前景。通过定向凝固控制TiAl合金晶体取向,有助于大幅提升合金高温性能和服役温度,促进TiAl合金在新一代航空发动机上的应用。综述了近年来TiAl合金定向凝固的研究方法和成分?组织?性能关系的研究进展,总结了国内外定向凝固TiAl合金的主要研究单位及研究主题,简要介绍了定向凝固方法与模壳材料的应用情况。从合金成分角度,分析并总结了α、β相稳定元素和其他常见元素对定向凝固组织和性能的作用;从力学性能角度,介绍了定向凝固高Nb?TiAl合金在高温拉伸、蠕变、高周疲劳性能上的优势及相关机理;从定向凝固工艺角度,归纳了生长速率和温度梯度对合金凝固路径、片层取向及宏观、微观偏析的影响。展望了定向凝固TiAl合金的未来发展方向。     

TiAl合金片层形成及其稳定性研究现状

TiAl合金具有低密度和优异的高温性能,是650~850 ℃温度区间内替代镍基高温合金的重要候选材料。具有片层组织的TiAl合金高温综合性能优异,但片层组织形成机理、高温服役条件下片层稳定性仍是关注的重点。综述了近年来片层形成和组织稳定性的研究成果,主要分析片层形成机制和γ变体选择机制,以及片层特征对组织稳定性的影响,并对未来的研究方向进行了展望。     

籽晶法制备高温合金单晶叶片的研究进展

定向凝固技术制备高温合金单晶叶片主要采用选晶法和籽晶法,目前工业生产中仍以选晶法为主,但籽晶法在取向方面的精确控制是选晶法无法企及的,而且随着高温合金单晶叶片服役环境日趋苛刻,单晶叶片的三维取向控制成为工业生产中面临的主要问题之一,因此籽晶法的研究和发展不容忽视。籽晶法制备高温合金单晶铸件过程中,杂晶缺陷是制约其在工业生产中广泛应用的主因之一,直接影响单晶叶片的合格率,严重影响合金的力学性能。因此,目前关于籽晶法的研究主要集中在籽晶的获取和利用、杂晶的形成机理及控制等方面。本文主要介绍了籽晶法制备高温合金单晶叶片的基本原理,综述了籽晶回熔区杂晶的形成机制、影响因素及控制措施,在此基础上,总结和展望了籽晶法制备高温合金单晶叶片仍存在的一些问题及发展趋势。     

TiAl合金气雾化制粉及热等静压成形研究进展

概述了TiAl合金气雾化制粉及热等静压成形的主要研究成果。在TiAl合金粉末制备方面,重点介绍了气雾化制粉工艺、粉末粒度控制、粉末氧含量控制和粉末组织特征。针对热等静压技术,介绍了TiAl合金粉末热等静压致密化过程及机理,总结了采用热等静压近净成形工艺制备TiAl合金转捩片的研究成果。结合粉末冶金TiAl合金研究进展,提出了未来TiAl合金粉末制备及成形技术的发展方向。     

TiAl合金高周疲劳行为的基本特征

综述了新型高温结构材料TiAl合金的高周疲劳行为基本特征,包括疲劳极限、疲劳强度和应力-寿命行为。分析TiAl合金高周疲劳S-N曲线特点发现,TiAl合金不具有疲劳极限,合金成分和组织形态是影响TiAl合金疲劳强度的关键因素。总结不同温度下的TiAl合金高周疲劳性能发现,当温度由韧-脆转变温度以下提高至该温度以上时,合金的高周疲劳寿命对循环应力变化的敏感性得到了明显改善。此外,还着重讨论了TiAl合金层片组织的疲劳寿命波动性问题,认为层片组织的随机取向是影响疲劳裂纹形核和小裂纹扩展过程的关键因素,从而导致合金高周疲劳寿命产生明显波动。根据该波动机理,探讨了增加TiAl合金高周疲劳寿命、降低其波动性的组织优化途径。     

TiAl合金热加工研究进展

TiAl合金作为新一代轻质高温结构材料,具有优异的高温性能,在航空发动机等领域具有重要应用前景。但是TiAl合金具有本征脆性,热加工窗口窄,热变形易开裂,限制了其广泛应用。回顾了TiAl合金的发展历程,综述了其热变形行为以及高温锻造、高温轧制和热挤压等热加工技术,并指出了TiAl合金热加工未来发展方向。     

有利于铸造TiAl合金增压器涡轮叶片可靠性的组织设计

针对增压器涡轮应用背景,详细分析定向层片组织铸造TiAl合金的室温拉伸塑性、断裂韧度以及高温热暴露后的剩余塑性等反映叶片抗损伤能力的性能,并讨论在叶片中形成这种定向层片组织的工艺可行性,以获得一种有利于增压器涡轮可靠性的组织设计。结果表明:定向层片组织铸造TiAl合金具有优异的室温拉伸塑性和断裂韧度,并且在高温热暴露后仍能保持较高的室温拉伸塑性,这些优异性能均依赖于定向层片取向一致性特征。通过控制凝固冷却条件和Ti/Al原子比,在增压器涡轮叶片中可以获得层片界面近似平行叶片表面的定向层片组织,有利于提高叶片的抗损伤能力,从而改善TiAl合金增压器涡轮的使用可靠性。     

电子束粉床3D打印TiAl金属间化合物研究进展

TiAl金属间化合物因具有低密度、高比强度、优异的高温强度和抗蠕变性能等特点,是迄今为数不多能够在600 ℃以上氧化环境中长期使用的轻质高温结构材料,可显著提高航空发动机推重比和燃油效率。电子束粉床3D打印(Electron Beam-Powder Bed Fusion,EB?PBF)技术具有高的能量利用率和成形效率,以及成形应力低、真空环境等诸多优势,是脆性TiAl合金最理想的增材制造技术。通过查阅国内外近20 a来EB?PBF打印TiAl合金方面的文献,从粉末原料、组织特点、力学性能、复杂构件成形及应用等方面综述了EB?PBF打印γ?TiAl合金、β凝固TiAl合金、高铌TiAl合金的研究进展,并针对目前面临的关键科学问题及实际应用难题展望了EB?PBF打印TiAl 合金的发展前景和重点发展方向。     

显微组织应变率对全片层TiAl合金室温塑性的影响

采用了特殊的热处理工艺,分别获得了不同晶粒度和不同片层厚度的显微组织的全片层TiAl合金,并在不同的应变速率下,对这些合金进行了室温单向拉伸实验.结果表明:在一定的应变速率下,晶粒度的降低和片层厚度的增加都会导致全片层TiAl合金室温塑性的增加.在确定的显微组织下,应变率的降低,会导致全片层TiAl合金室温塑性的增加.而当应变率较低、晶粒较大、片层较厚时,试样中容易萌生微裂纹.微裂纹多数在软取向的晶粒中出现.具有小晶粒、厚片层显微组织的全片层TiAl合金在较低的应变速率下将会具有较好的塑性.     

Directional Solidification of TiAl‐based Alloys and Properties of Directionally Solidified Ingots

The mechanical properties of TiAl‐based alloys with lamellar microstructure are extremely anisotropic. However, if the lamellar microstructure can be aligned parallel to the growth direction, the resulting material should possess a good combination of mechanical properties. Unfortunately, simple casting operations often lead to a solidification texture with the lamellar boundaries perpendicular to the heat flow direction. This difficulty can be overcome by directionally solidifying TiAl‐based alloys. We have been performing directional solidification experiments with and without using a seeding technique. The current status of directional solidification of TiAl‐based alloys is reviewed.     

A band microstructure in directionally solidified hypo-peritectic Ti-45Al alloy

We report the first experimental observation of discrete bands in directionally solidified hypo-peritectic Ti-45Al alloy. The banded structure consists of two phases and the lamellar orientation within these phases is different. Lamellar boundaries within one phase inclined at an angle of 45° to the growth direction and within the other phase aligned parallel to the growth direction. A number of models were proposed to explain the band formation in TiAl alloys. It was found that the phase precipitation in hypo-peritectic TiAl alloys was influenced by the solidification condition and the growth morphologies between primary and peritectic phases.     

Microstructure and Mechanical Properties of Two-phaseTiAl Alloys in Lamellar Form

In two-phase TiAl alloys, the lamellar structures are of special interest and importance since they are so common and persistent. not only under as-cast conditions but also after thermal treatment. However. the lamellar structures are still poor in ductility,although they are beneficial for toughness and high temperature strength. This article will review the recent progress made in understanding the basic mechanical properties of the γ and α2 phases which comprise the two-phase alloys in Iamellar form, and discuss how an improved balance of strength and ductillty in the lamellar form may be achieved     

定向凝固钛铝合金熔体与铸型界面反应研究展望

钛铝合金是性能优异的高温合金,在航空航天领域有广泛的应用前景,但由于其熔体具有较高的活性,制备时熔体与所有已知的铸型材料会发生不同程度的反应,限制了钛铝合金铸件的发展.定向凝固技术作为制备高精度钛铝合金的新工艺,使铸件组织定向排列,可以进一步提高钛铝合金的使用性能,因此如何调控凝固过程中钛铝合金熔体与铸型材料间的界面反应成为目前有关定向凝固钛铝合金研究的一个热点.从目前国内外关于钛铝合金熔体与铸型材料间界面反应的研究出发,综述了定向凝固过程中铸型材料、涂层成分、工艺参数及合金元素等对界面反应的影响,介绍了界面反应的理论水平,系统收集了界面反应的各项研究结果.     

Short fatigue cracks in intermetallic γ‐TiAl‐alloys

Fatigue crack growth at room temperature and its relation to the local microstructure is studied for four different γ‐TiAl‐alloys with microstructures ranging from coarse and fully lamellar to fine and partly lamellar. It is shown that the number of cycles to failure depends strongly on the efficiency of the first barrier to crack extension, as crack growth rates may increase rapidly once this barrier has been breached by a specific crack. The crack extension behaviour for two typical barriers (colony boundary and twin boundary) is studied using high‐resolution optical and scanning electron microscopy.     

Microstructural Characterization of Lamellar Features in TiAl by FIB Imaging

A novel experimental procedure is introduced to determine phase fractions and the distribution of individual phases of TiAl‐based two‐phase alloys using the focused ion beam (FIB) technique. Two γ‐titanium aluminide alloys with a fine‐grained duplex and a nearly lamellar microstructure are examined. The special FIB‐based preparation procedure results in high contrast ion beam‐induced images for all investigated alloys and allows to quantify the phase contents easily by automated microstructural analysis. Fine two‐phase structures, e.g. lamellar colonies in γ‐TiAl, can be imaged in high resolution with respect to different phases. To validate the FIB‐derived data, we compare them to results obtained with another method to determine phase fractions, electron back‐scatter diffraction (EBSD). This direct comparison shows that the FIB‐based technique generally provides slightly higher α₂‐fractions, and thus helps to overcome the limited lateral resolution near grain boundaries and interfaces associated with the conventional EBSD approach. Our study demonstrates that the FIB‐based technique is a simple, fast, and more exact way to determine high resolution microstructural characteristics with respect to different phase constitutions in two‐phase TiAl alloys and other such materials with fine, lamellar microstructures.     

航空发动机用先进高温钛合金材料技术研究与发展

新一代高推重比航空发动机压气机和涡轮系统高温环境使用的叶片、盘、机匣、整体叶盘和整体叶环等构件设计通常选用先进高温钛合金材料。本文综述近年来我国600℃高温钛合金、阻燃钛合金、TiAl合金、连续SiC纤维增强钛基复合材料及其应用技术取得的最新研究进展,并提出材料及构件设计、加工和使用亟待突破的关键技术,包括工业铸锭成分高纯化和均匀化控制技术、大规格棒材及特殊锻件制备技术、整体叶盘和整体叶环零件机械加工技术、材料性能评价及应用设计技术等。先进高温钛合金材料的不断应用将有力推动我国航空发动机技术发展。     

铸造用TiAl母合金制备技术研究进展

目前,新型轻质高温结构材料TiAl合金铸造部件已经进入工业化生产阶段,急需工业级铸造用TiAl母合金的制造技术和评估体系作为支撑。结合了钢铁研究总院铸造TiAl合金工程化研究和应用成果,概述了国内外铸造TiAl合金材料和部件的工程化应用现状,在此基础上,提出了铸造TiAl母合金的化学成分、规格等技术要求,并进一步对比分析了2次自耗熔炼、自耗熔炼+凝壳熔炼、自耗熔炼+凝壳熔炼+自耗熔炼等母合金制备工艺的优缺点,最后提出了工业级铸造TiAl母合金的技术发展方向。