文 献 综 述

高Nb-TiAl合金变温相变动力学

1引言

TiAl是目前最有应用前景的一类金属间化合物。金属间化合物一般具有比重轻、熔点高、高温性能优越、耐烧蚀、耐腐蚀等特点，并基本可采用传统工艺进行制备和加工，被材料界认为是一类介于镍、钴基高温合金和先进陶瓷材料之间较理想的新型高温结构材料。然而由于TiAl合金的室温塑形、加工型以及高温抗氧化性性较差，阻碍了其应用。北京科技大学以陈国良院士为首的研究组提出的高Nb合金化成为提高TiAl金属间化合物使用温度的最佳途径。在此基础上发展的有我国自主知识产权的高温高Nb-TiAl合金，比普通TiAl合金使用温度高60-100℃、强度高300~500MPa。高温抗氧化性能已达到涡轮盘用镍基高温合金水平。高Nb合金化代表了国内外TiAl合金的发展方向，引领了国际TiAl合金的发展。

2.关于高铌钛铝基合金的研究

2.1高铌钛铝基合金的相结构

高铌钛铝合金的许多优异性能与其相结构有着密切的联系^[2],俄罗斯的Popov和Zakhaor在1980年声称在Ti-Al-Nb三元体系中发现了四方结构的NbTiAl₃金属间化合物，晶格常数为a=0.356nm，c=0.469nm,c/a=1.32^[3],但在1990年Perepezko和Kaltenbach等同时报道了Ti-Al-Nb三元体系的等温面相图，并反驳了Ti-Al-Nb三元体系在1000℃以上NbTiAl₃的存在性。此后，国内陈国良教授等公布了Ti-Al-Nb三元体系在1400，1120和1000℃等温相面图，证实了NbTiAl₃的存在，该相具有四方结构，点阵常数a的范围为0.558-0.584nm,c的范围为0.815-0.845nm，与之前的都不同。由于Nb在TiAl合金中具有连续有序化的现象，Nb原子在TiAl中替代Ti原子，占据Ti原子的格子，这样连续有序化的进展容易导致有着化学计量比的新三元金属间化合物的生成，所以在TiAlNb三元体系中的化合物比较复杂，而且相结构也比较繁杂，随着温度的变化而变化。另外热处理手段和Nb含量的不同，也会导致新相生成，这些相对合金的整体性能有着重要的影响。现今研究的高铌钛铝基合金的Nb的添加量一般从5%到15%(原子分数)，随着Nb含量的进一步增加，会有更多的新相出现。

2.2高铌钛铝基合金的制备加工方法

由于难熔金属Nb元素的加入,使得高铌钛铝基合金熔点比普通钛铝合金提高了60～100℃,同时也提高了其高温抗氧化性。但是Nb的加入带来优越高温性能的同时，也增加了高铌钛铝基合金制备的难度,因为合金熔点的提高必然带来熔炼温度和热加工温度的提高,在熔炼过程中,容易导致低熔点元素的挥发和合金液的挥发,从而影响合金收得率。

传统的熔炼方法包括感应熔炼、真空自耗重熔、等离子熔炼3种主要熔炼工艺^[4]，但或多或少熔炼出来的都有某些不足。陈国良领导的课题组采用了复合熔炼工艺^[1]。利用感应凝壳重熔工艺将合金组元预合金化，并浇注成自耗电极，再将成分比较均匀的电极自耗重熔。这样既解决了宏观缩孔和疏松，又使铸锭致密化，成分进一步均匀化。在熔炼过程中,由于Nb的熔点比设备的最高熔炼温度还高,所以直接把固态Nb加入熔炼,很容易在合金中造成Nb的偏析。为了确保Nb元素的均匀化，采用熔点较低的铌铝中间合金方式加入，使得Nb元素以液态扩散方式来达到成分均匀化。为了进一步获取最佳性能，一般把试样先经过等温包套锻造，再经过后续的热处理，得到所需的组织结构。

2.3高铌钛铝基合金的组织与性能