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1、收稿日期: 2011-11-21 作者简介:郎泽保,1975 年出生,硕士,主要研究粉末钛合金、Ti3Al 合金及 TiAl 系金属间化合物的制备及成形技术。 E-mail:lzb0413 粉末冶金 Ti-Al 系金属间化合物的研究 郎泽保摇 摇 王摇 亮摇 摇 贾文军摇 摇 史金靓摇 摇 谢摇 飞 (航天材料及工艺研究所,北京摇 100076) 文摇 摘摇 由于可以制备出组织细小、均匀的 Ti-Al 系金属间化合物材料,粉末冶金技术在 Ti-Al 系金属间 化合物材料的应用研究方面具有很强的优势。 本文以 Ti-23Al-17Nb(at%)和 Ti-45Al-2Cr-2Nb-(B, W) (
2、at%)为例,介绍了粉末冶金技术在 Ti-Al 系金属间化合物材料制备及成形方面的制备工艺、性能和部分样 件,展示了 Ti-Al 系金属间化合物材料在航天及武器型号方面良好的应用前景。 关键词摇 Ti-Al 系金属间化合物,粉末冶金技术,应用研究 Research on Powder Metallurgy Ti-Al Based Intermetallics Lang Zebao摇 摇 Wang Liang摇 摇 Jia Wenjun摇 摇 Shi Jinliang摇 摇 Xie Fei (Aerospace Research Institute of Materials 且可 近净成型形状比
3、较复杂的部件14 16。 在致密化之 前,首先在振动的条件下将预合金粉末装入碳钢包套 中,在 400 600 益抽真空,并保持一段时间后密闭包 套。 TiAl 基合金的热等静压温度范围一般在1 000 1 300益,不同的热等静压温度可以得到不同类型的 组织,并且对热等静压后材料的晶粒大小影响很大 17。 在研究 Ti-46Al-2Cr-2Nb-(B, W)的致密化过 程中,采用的热等静压工艺为:1 200益,3 h,压力为 140 MPa。 经过热等静压处理后,Ti-46Al-2Cr-2Nb- (B, W)材料的组织为等轴晶组织,细小,均匀,但其 伸长率很低。 一般来讲,具有双态组织或者全片
4、层状 组织的 TiAl 基合金在室温下才具有良好的伸长 率18,因此需要进行热处理改善组织。 在粉末冶金 Ti-46Al-2Cr-2Nb-(B, W)合金热 处理工艺的研究中,分别利用不同的热处理制度制备 了具有全片层组织及双态组织的合金,其拉伸性能如 表 6 所示。 从表 6 可以看出,具备双态组织的 Ti-46Al-2Cr -2Nb-(B, W)的抗拉强度和伸长率都优于具备全片 层组织材料。 两种不同组织状态的粉末冶金 Ti-46Al-2Cr- 2Nb-(B, W)的金相组织见图 5。 从图 5 可知,粉末 冶金 Ti-46Al-2Cr-2Nb-(B, W)形成的双态组织相 对全片层组织来
5、讲,其晶粒比较细小。 细小的晶粒可 缩短滑移带长度,减少滑移面位错运动长度和位错堆 积,降低了滑移面交截面和晶界处的应力集中,阻止 裂纹的产生。 此外,等轴晶组织和片层组织之间的界 面可以阻碍裂纹的扩展。 因此,细小的双态组织表现 出了较高的抗拉强度和伸长率。 表 6摇 粉末冶金 Ti-46Al-2Cr-2Nb-(B, W)的室温拉伸性能 Tab. 6摇 Tensile properties of P/ M Ti-46Al-2Cr-2Nb- (B, W) at room temperature 组织类型 滓0. 2/ MPa滓b/ MPa 啄/ % 全片层组织 425 440 440 555
6、540 565 1.3 1.5 1.7 双态组织 470 475 471 610 624 608 3.1 2.9 3.0 (a)摇 全片层组织 (b)摇 双态组织 图 5摇 粉末冶金 Ti-46Al-2Cr-2Nb-(B, W)的金相组织 Fig. 5摇 Optical metalographs of P/ M Ti-46Al-2Cr-2Nb-(B, W) 1. 2. 3摇 高温拉伸性能 对粉末冶金 Ti-46Al-2Cr-2Nb-(B, W)的高温 拉伸性能进行了测试,结果如图 6 所示。 07宇航材料工艺摇 http:/ / www. yhclgy. com摇 2012 年摇 第 1 期
7、图 6摇 粉末冶金 Ti-46Al-2Cr-2Nb-(B, W) 在 800 1 000益的拉伸性能 Fig. 6摇 High temperature tensile properties of P/ M Ti-46Al-2Cr-2Nb-(B, W) tested at 800 to 1 000益 从图 6 可以看出,粉末冶金 Ti-46Al-2Cr-2Nb- (B, W)的抗拉强度随温度的变化而发生剧烈变化: 800 850益,粉末冶金 Ti-46Al-2Cr-2Nb-(B, W) 的强度变化不大;当超过 850益 时,抗拉强度下降明 显,并在 1 000益时,抗拉强度下降到 290 MPa
8、 左右。 粉末冶金 Ti-46Al-2Cr-2Nb-(B, W)的伸长率随着 测试温度的升高而增加,尤其当温度由 800益上升到 900益时,伸长率急剧增大,而当超过 900益 之后,伸 长率变化不大。 1. 2. 4摇 高温持久强度 粉末冶金 Ti-46Al-2Cr-2Nb-(B, W)在 900益、 持续加载为170 MPa 下的持久性能做了测试,测试时 间为10 h。 试棒没有断裂,表现出了良好的高温持久 性能。 1. 2. 5摇 抗氧化性 经热处理之后,粉末冶金 Ti-46Al-2Cr-2Nb- (B, W)也表现处了较好的抗氧化性能。 在 900益 下,粉末冶金 Ti-46Al-2C
9、r-2Nb-(B, W)的抗氧化 性能如图 7 所示。 图 7摇 900益下粉末冶金 Ti-46Al-2Cr-2Nb-(B, W) 的氧化速率与时间的关系曲线 Fig. 7摇 Diagram of relationship between oxidation rate and oxidation time for P/ M Ti-46Al-2Cr-2Nb-(B, W) at 900益 从图 7 可以看出,粉末冶金 Ti-46Al-2Cr-2Nb- (B, W)在氧化过程中,其氧化速率是逐渐降低,从开 始的 0. 41 减少到 0. 0541 mg/ (m2 h)。 经分析,在 氧化过程中,粉末
10、冶金 Ti-46Al-2Cr-2Nb-(B, W) 的表面开始形成了致密的氧化膜,阻碍了氧化的剧烈 发生。 随着氧化时间的延长,氧化膜的厚度增加, 粉 末冶金 Ti-46Al-2Cr-2Nb-(B, W)的氧化速率也越 来越慢。 2摇 粉末冶金 Ti-Al 系金属间化合物 2. 1摇 粉末冶金 Ti-23Al-17Nb 合金 利用粉末冶金技术可以完成简单形状粉末冶金 Ti-23Al-17Nb 部件的近净成型,从而可以减少材料 消耗和研制周期。 目前,已经利用粉末冶金 Ti-23Al -17Nb 制备了一些典型结构的部件,如图8 所示。 部 分粉末冶金 Ti-23Al-17Nb 构件已经进行了试
11、车。 (a)摇 前壳体 (b)摇 喷管延伸段 图 8摇 粉末冶金 Ti-23Al-17Nb 合金部件 Fig. 8摇 Some Ti-23Al-17Nb parts made by powder metallurgy processing 2. 2摇 粉末冶金 Ti-46Al-2Cr-2Nb-(B, W) 在航空航天领域,粉末冶金 酌-TiAl 系合金主要 应用的部位有舱体、薄壁夹层结构和发动机等部位。 根据粉末冶金 酌-TiAl 系合金的特点,利用热等静压 技术和钎焊技术成功研制了粉末冶金 Ti-46Al-2Cr- 2Nb-(B, W)壳体、薄壁筒形件、夹层结构等典型结 构,如图 9 所示
12、19 。 (a)摇 壳体 17宇航材料工艺摇 http:/ / www. yhclgy. com摇 2012 年摇 第 1 期 (b)摇 舱体 (c)摇 夹层结构 图 9摇 粉末冶金 Ti-46Al-2Cr-2Nb-(B, W)典型样件 Fig. 9摇 Typical parts of Ti-46Al-2Cr-2Nb-(B, W) made by powder metallurgy processing 3摇 结论 (1)利用粉末冶金技术制备的 Ti3Al 基合金(Ti- 23Al-17Nb) 具有良好的综合性能,其抗拉强度在 500 650益变化不大。 (2)对于粉末冶金 TiAl 基合金T
13、i-46Al-2Cr- 2Nb-(B, W)来讲,其双态组织在室温下的伸长率 要优于全片层组织,并且在 900益具备了良好的力学 性能和出色的高温抗氧化性能。 (3)利用粉末冶金技术,制备了多种粉末冶金 Ti -Al 系金属间化合物的典型构件,部分构件已经进行 了热试车,具备了在航空航天等型号中应用的条件。 参考文献 1 Kim W Y. Microstructural evolution and mechanical properties of a forged gamma titanium aluminide alloyJ. Acta Metall. Mater. , 1992,40(6)
14、:1121-1134 2 张永刚,韩雅芳,陈国良,等. 金属间化合物结构材料 M. 北京:国防工业出版社,2001:718-736 3 Yolton C F, Kim Y M, et al. Powder metallurgy pro鄄 cessing of gamma titanium aluminide C / / WKim Y, Helmut Clemens, Rosenberger A H eds.Gamma Titanium Aluminide 2003,Pennsylvania: The Minerals, Metals & Materials Society, 2003: 233
15、-240 4 Rainer Gerling, Helmut Clemens, Frank鄄Peter, et al. PM鄄process of an advanced 酌-TiAl alloy: technologies, micro鄄 structures and mechanical propertiesC / / Hemker K J,Dimiduk D M,Clemens H, eds. Structural Intermetallics 2001. Wyoming: The Minerals, Metals & Materials Society, 2001: 139-148 5
16、Habel U,Yolton C F,Moll J H. Gas atomized 酌- Tita鄄 nium Aluminide based alloys processing, microstructure and me鄄 chanical propertiesC / / Kim Y W,Dimiduk D M,Loretto M H ed. Gamma Titanium Aluminide 1999. Pennsylvania: The Miner鄄 als, Metals & Materials Society, 1999: 301-306 6 Le鄄Holm R,Clemens C,Kestler H. Powder metallurgy (PM) gamma鄄based titanium aluminide structures for use in vari鄄 ous high temperature aerospace applicationsC / / Kim Y W,
