TiAl合金板材的制备与组织分析

陈玉勇，孔凡涛，崔　宁

(哈尔滨工业大学 金属精密热加工国家级重点实验室，哈尔滨 150001)



第一作者：陈玉勇，男，1956年生，教授，博士生导师

TiAl合金板材的制备与组织分析

陈玉勇，孔凡涛，崔宁

(哈尔滨工业大学 金属精密热加工国家级重点实验室，哈尔滨 150001)

摘要：TiAl金属间化合物板材以其低密度、高强度、高刚度和优异的抗蠕变和抗氧化性能等优点，在航空航天领域，成为替代700～900 ℃使用的高温合金板材的重要高温结构材料。目前，TiAl金属间化合物板材的制备方法主要为铸锭冶金技术(IM)和粉末冶金技术(PM)。本文采用铸锭冶金技术(近等温包套轧制技术)成功制备了尺寸为700 mm×200 mm×2 mm的TiAl合金板材。TiAl合金板材外观完整，无宏观及微观裂纹等缺陷。TiAl合金板材显微组织为近双态组织，由γ相、B2相和少量的α2相、YAl2相组成。其中B2相含量达到24%，呈块状或片状分布在γ相基体中，B2相高温下转变为无序β相可显著改善合金的高温变形能力。TiAl合金板材显微组织中存在较多的块状γ相和B2相，这主要是由于高温轧制过程中的动态再结晶和静态再结晶引起的。

关键词：TiAl合金；铸锭冶金；热轧；板材；组织；再结晶

1前言

TiAl合金比重不到镍基合金的50%，使用温度可达700～900 ℃，具有轻质、高强、耐蚀、耐磨、耐高温等性能优点，逐渐成为航空、航天等领域重要的备选材料[1-2]。TiAl合金板材制备技术是当前TiAl合金领域重要的研究方向之一，铸锭冶金、粉末冶金、铸轧技术、箔材叠层扩散、EBPVD以及增材制造等多种技术均用于TiAl合金板材制备技术的研究[3-6]，其中铸锭冶金和粉末冶金两种技术研究较系统。TiAl合金板材除了有望直接用作结构外，还可以作为超塑性成形的预成形材料。近些年来，TiAl合金板材在热结构及热防护性系统中的应用，已经被纳入未来欧洲航空运输研究计划(FESTTP)，欧洲准备将TiAl板材应用于高速民用运输机(HSCT)和可重复使用的单级入轨(SSTO)太空船(RLV)。欧洲未来的飞机A3XX以及美国NASA在研的新型可重复使用的航天飞机的防热结构也准备大量使用TiAl合金板材。

但是，到目前为止，TiAl合金制备技术中存在的问题仍然没有得到很好的解决，特别是采用热轧工艺制备板材时很容易开裂，使得到大尺寸、高质量板材非常困难。原因一方面是近等温包套轧制工艺的控制较难，另一方面主要是传统的TiAl合金属于难变形合金，不适合高温轧制成形。从轧制工艺角度，大多采用以下方法来改善TiAl合金板材成形困难问题：①对轧制前的材料质量要求高；②采用特种包套轧制技术进行轧制，包套工艺设计严格；③在α+γ两相区进行轧制，由于变形过程中温降较快，道次间要回炉加热；④仔细选择轧制速度与道次变形量等加工工艺，避免苛刻的应变速率影响；⑤避免轧制过程中板材的氧化等。但即使仔细控制工艺参数，通过轧制生产出较大尺寸的TiAl合金板材也是非常困难的。

近年来研究发现[7-10]，加入大量的特定β相稳定元素(如V,Cr,Mn,Mo)及少量的晶粒细化元素(如Y,B,C)，得到的beta-gamma TiAl合金，其热加工性能要远好于传统TiAl合金，是一种非常有潜力的变形合金。从热加工性能上看，该合金高温流变应力低，高温变形能力较好，在热加工过程中不容易产生裂纹等缺陷。从相构成上看，该合金主要含有β(或B2)相和γ相，而α2相非常少，有些合金中β/B2相的体积百分比甚至可以达到20%以上。可通过后续热处理，控制热加工后beta-gamma TiAl合金的显微组织及相组成，这有利于调控常温、高温力学性能。本文通过采用铸锭冶金技术制备了一种beta-gamma TiAl合金(Ti-43Al-9V-Y，原子百分数)板材，并对其显微组织进行了系统分析。

2实验方法

实验用原材料为海绵Ti (> 99.7%)，高纯Al (> 99.99%)，其它添加元素均为添加金属与Al的中间合金。合金名义成分为Ti-43Al-9V-Y(原子百分数)。按照设计的成分配料后，在真空自耗电极电弧熔炼炉 (VAR) 中熔炼成铸锭。将铸锭进行均匀化退火处理 (900 ℃/48 h) 和热等静压处理 (HIP)。HIP采用Ar气作为保护气氛，边升温边充Ar气直至170 MPa，在1 250 ℃下保温4 h后随炉缓冷。经HIP后对材料进行包套锻造(始锻温度1 200 ℃，总变形量>85%)，锻后将材料在900 ℃条件下退火48 h。将退火后的材料切割成试样，采用不锈钢包套后，在热轧机上近等温包套轧制成板材。包套轧制主要工艺参数如下：开轧温度1 200 ℃，轧制速度<0.5 m/s，道次变形量约10%，道次回炉时间 5～20 min，总变形量>70%。轧后板材炉冷至400～500 ℃后，空冷至室温。采用XRD，带有EDS和EBSD的SEM，TEM对TiAl合金板材的相组成及显微组织进行观察与分析。

3结果与讨论

采用铸锭冶金技术制备的大尺寸TiAl合金板材如图1a所示。合金板材的尺寸约为700 mm×200 mm×2 mm。从宏观形貌看，经包套轧制后的Ti-43Al-9V-Y合金板材变形均匀，未出现裂纹等质量缺陷，表明Ti-43Al-9V-Y合金本身具有较好的热加工性能。这主要得益于锻态组织中较多的γ和B2相。关于γ相的变形机制已经被广泛研究，在热加工条件下，γ相通过开动位错和孪晶滑移可以获得大变形。室温B2相在高温下会转变为无序的体心立方β相，β相可为变形提供较多的滑移系，作为变形润滑剂，承载部分变形，进而改善合金的高温变形能力。同时，Ti-43Al-9V-Y合金细小的显微组织，对高温变形也极为有利[11]。对Ti-43Al-9V-Y合金板材进行XRD分析，结果如图1b所示。XRD结果表明，板材主要由γ相、B2相组成，而α2相衍射峰基本与其它相的衍射峰重合，说明板材中α2相含量不高，难以分辨。Ti-43Al-9V-Y合金板材与铸态和锻态合金的相组成基本一致[11]。

图1　 TiAl合金板材宏观形貌(a) 及TiAl合金板材的XRD花样(b) Fig.1　 Morphology(a) and XRD pattern (b) of TiAl alloy sheets

图2为Ti-43Al-9V-Y合金板材的BSE组织。可以看出，Ti-43Al-9V-Y合金经热轧后，显微组织比较均匀，轧态组织接近于双态组织(DP)，由不平直的板条和块状相组成。为确定合金的相组成，在Ti-43Al-9V-Y合金板材组织中选取3个不同的区域(如图2b所示)，进行EDS分析，结果如表1所示。图2b中，深色相(A点)为基体相，其Ti和Al的原子比接近1∶1，确定为γ-TiAl相；灰白色相(B点)中含有较多的V，V原子和Al原子的原子数之和等于Ti原子数，判断为B2相，该相是β相稳定元素V偏聚形成的一种热平衡相；亮白色相(C点)，为Y析出，与析出的Al作用形成的YAl2相。图1b的XRD花样显示板材的相组成中有α2-Ti3Al的存在，但在BSE图片中难以辨别，这一方面是由于板材中α2相含量较少，另一方面由于α2相的对比度较低，在SEM图片中较难分辨。由Ti-Al-V三元相图可以推测，在1 200 ℃进行轧制过程中，高温α相发生反应：α→β+γ，导致在轧制后的板材内部由于α相有序化，形成的α2相含量较少。

图2　Ti-43Al-9V-Y合金不同放大倍率的BSE像Fig.2　BSE images of TiAl alloy sheet

PointTiAlVYPhaseA46.9248.454.510.12γB50.2234.9614.760.06β/B2C9.259.931.8329.04YAl2

由图2可以看出，不同尺寸的片层状B2相随机分布在γ基体中，而YAl2相较少，以点状在基体中随机分布。板材内部各相大多呈条块状，平直的层片组织较少，这说明在Ti-43Al-9V-Y合金板材轧制变形过程中，发生了明显的动态再结晶，同时，道次间回炉过程中也发生了静态再结晶。条块状相尺寸较大，说明高温轧制过程中，也会伴随再结晶晶粒的长大。

由于α2较低的含量和对比度，在XRD结果和SEM图片中很难辨别，进一步对Ti-43Al-9V-Y合金板材进行了EBSD分析，如图3所示，灰色相为γ相，灰白色相为B2相，而黑色相为α2相。由相分布图可知：主相为γ相，含量为71.8%；B2相含量约为24%，呈块状或片状分布在γ相基体中；而α2相含量极少且尺寸很小，含量仅有4%，在合金组织中随机分布。小尺寸的α2相随机分布在合金组织中，也可能起到一定的弥散强化作用，进而提高合金的强度。

图3　Ti-43Al-9V-Y合金的相分布图(EBSD)Fig.3　Phase map of Ti-43Al-9V-Y alloy (EBSD)

为进一步确定Ti-43Al-9V-Y合金板材的微观组织形貌，对其进行了TEM分析。图4为Ti-43Al-9V-Y合金板材的TEM照片。从图4a可以发现，γ-TiAl相具有等轴状和层片状两种形态。等轴γ晶粒的形成，是由于轧制过程中，在较高的温度和应力作用下，合金发生了明显的再结晶及晶粒长大。γ层片宽度较窄且不平直，这与传统TiAl合金的平直层片形貌具有显著不同。同时还可以观察到，在γ层片之间，还分布着B2相的层片，不平直γ层片和B2层片的形成是由于添加大量β相稳定元素V引起的，这与铸态与锻态Ti-43Al-9V-Y合金的研究结果基本一致。此外，在合金TEM组织中还发现较多的块状B2相和少量的块状α2相，如图4b所示，说明B2相主要是以块状存在，这也与上述EBSD分析结果相同。

图4　Ti-43Al-9V-Y合金组织TEM照片Fig.4　Bright-field TEM images of Ti-43Al-9V-Y alloy

4结论

采用近等温包套轧制工艺成功制备了尺寸达700 mm×200 mm×2 mm的Ti-43Al-9V-Y合金板材。板材变形均匀，外观良好，未出现裂纹等质量缺陷，表明Ti-43Al-9V-Y合金本身具有较好的热加工性能。板材组织为近双态组织，由γ、B2和少量的α2、YAl2组成，其中B2相含量达到24%，呈块状或片状分布在γ相基体中，B2相高温下转变为无序β相可显著改善合金的高温变形能力。Ti-43Al-9V-Y合金板材组织中存在较多的块状γ和B2相，这主要是由于轧制过程中再结晶引起的。

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(编辑盖少飞惠琼)

特约撰稿人张　虎

张虎:男， 1964年生，教授，博士生导师。1990年于哈尔滨工业大学材料科学与工程学院获工学博士学位。 1993年自北京科技大学材料科学与工程学科博士后流动站出站。 现为北京航空航天大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。主持和承担国家自然科学基金项目、国家“863”项目、国防“973”项目、国防预研项目、国防基金项目和国防重大专项项目等多项国家和企业科研项目。研发的“低压铸造计算机控制系统”市场占有率一度超过70%，被汽车车轮行业誉为“改变了整个行业的技术”。近5年发表SCI论文50余篇，获国家发明专利28项。 主要研究方向：纯净化熔炼与精密成型技术；高温结构材料；特种加工方法与设备。

特约撰稿人孔凡涛

孔凡涛:男，1971年生，教授，博士生导师。2003年于哈尔滨工业大学材料科学与工程学院获工学博士学位，2009～2010年任新西兰怀卡托大学Research Fellow，兼任中国材料研究学会-金属间化合物与非晶合金分会理事，先后主持国家自然科学基金、国防“973”等课题多项，承担国家“973”子课题、国家科技重大专项子课题、“十一五”、“十二五”总装预研项目等课题20余项。在国内外学术期刊及会议上发表论文120余篇，其中SCI收录80余篇，EI收录100余篇，SCI他引400余次。获黑龙江省科学技术奖自然科学一等奖1项、自然科学二等奖1项，获授权国家发明专利10余项。主要从事钛合金及TiAl金属间化合物凝固组织控制、精密铸造、高温锻造、轧制、复合材料及粉末冶金等方面的研究工作。

Preparation and Microstructural Analysisof TiAl Alloy Sheet

CHEN Yuyong, KONG Fantao,CUI Ning

(National Key Laboratory for Precision Hot Processing of Metals, Harbin Institute

of Technology, Harbin 150001, China)

Abstract：TiAl intermetallics sheets, which can be used to replace heavier superalloy sheets in the working temperature range of 700～900 ℃, have continued to attract so much attention from aerospace applications because of its low density, high strength, high stiffness and good creep and oxidation resistance. At present, two main preparation methods, ingot metallurgy (IM) and powder metallurgy (PM), are developed to produce TiAl alloy sheets. In this paper, TiAl alloy sheets with dimensions of 700 mm×200 mm×2 mm were produced by ingot metallurgy technology (near-isothermal packed rolling). The microstructure of the sheets is near duplex structure, which is composed of γ phase, B2 phase and a few α2phase, YAl2phase. The content of massive/lamella B2 phase distributed in γ phase matrix is about 24%. B2 phase changed into disordered β phase at high temperature can significantly improve the hot deformability of TiAl alloys. The main deformation mechanism of TiAl alloy is dynamic recrystallization and static recrystallization in the hot rolling process.

Key words：TiAl alloys; ingot metallurgy; hot rolling; sheet; microstructure; recrystallization

中图分类号：TG146.2+3

文献标识码：A

文章编号：1674-3962(2015)05-0379-04

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2015.05.09

通讯作者：孔凡涛，男，1971年生，教授，博士生导师，Email：kft@hit.edu.cn

基金项目：新金属材料国家重点实验室开放基金(2013-ZD06)；国家自然科学基金(51471056)；国家973项目(2011CB605502)

收稿日期：2014-04-30