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+6Al4Ti+2TiAl3， 4Ti+2TiAl3Ti3Al+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.