由于成分中含有大量的鋁以及共價(jià)鍵的存在,Ti-Al系金屬間化合物的密度較低,使用溫度較高并具有優(yōu)異的高溫性能,在航空航天領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值。目前,Ti-Al系金屬間化合物的研究重點(diǎn)主要是TiAl合金和Ti2AlNb合金。
Ti2AlNb合金由于添加較多的Nb元素,密度略高于鈦合金,但使用溫度可以達(dá)到650℃-700℃,可以部分替代高溫合金。國內(nèi)中科院金屬所、鋼鐵研究總院等單位均在Ti2AlNb合金及其熱加工技術(shù)方面取得了重要進(jìn)展,并研制出了Ti2AlNb合金板材,目前主要致力于優(yōu)化成分和改進(jìn)加工工藝的研究上,并積極開展Ti2AlNb合金板材在航空航天領(lǐng)域的工程化應(yīng)用研究。
但Ti2AlNb合金仍然具有比重大、使用溫度低的缺點(diǎn),還不能在更高使用溫度上替代比重大的高溫合金。TiAl合金比重不到鎳基合金的50%,使用溫度可以達(dá)到700-900℃,具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐蝕、耐磨、耐高溫等性能優(yōu)點(diǎn),正成為航空、航天等領(lǐng)域重要的備選材料。經(jīng)過十幾年來的研究,阻礙TiAl合金應(yīng)用的一些缺陷逐步得到改進(jìn),比如TiAl合金的室溫塑性低、800℃以上高溫抗氧化性不足、拉伸強(qiáng)度/塑性與斷裂/蠕變抗力具有反常關(guān)系等問題都得到一定改善。近幾年,國內(nèi)外關(guān)于TiAl合金方面的關(guān)鍵研究問題,已經(jīng)從材料問題逐漸轉(zhuǎn)變到材料成形及應(yīng)用等問題上來。GE公司2007年已經(jīng)宣布,鑄造Ti-48-2-2低壓壓氣機(jī)葉片將在Boeing 787航空發(fā)動(dòng)機(jī)GEnx-1B上大量應(yīng)用,目前已經(jīng)通過測試和資格認(rèn)證。這將是TiAl合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的首次重大應(yīng)用。使用TiAl合金鑄造葉片,發(fā)動(dòng)機(jī)直接減重800磅。美國國防部在“高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)”(IHPTET)項(xiàng)目中提出研制15~20推重比,質(zhì)量減輕50%的高性能發(fā)動(dòng)機(jī),材料和制造工藝的貢獻(xiàn)將達(dá)到50%至70%。美國NASA預(yù)測,到2020年TiAl合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用可能達(dá)到20%。同時(shí),TiAl合金對于用作先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)、熱結(jié)構(gòu)件和熱防護(hù)系統(tǒng)(TPS)的結(jié)構(gòu)材料具有特殊吸引力。TiAl合金板材已經(jīng)被列為美國主要航空計(jì)劃的備選材料,包括可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭、NASA未來X飛機(jī)、聯(lián)合戰(zhàn)斗機(jī)、X-38Crew救援車、軍用航天飛機(jī)和超音速運(yùn)輸機(jī)等。另外,在汽車工業(yè)領(lǐng)域,TiAl合金鑄造閥門已經(jīng)成功應(yīng)用到Formula 1賽車發(fā)動(dòng)機(jī),三菱重工已經(jīng)大量地將鑄造TiAl渦輪增壓器用到Lancer Evolution系列轎車發(fā)動(dòng)機(jī)中。TiAl合金在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用,在減重、降噪、較少廢氣污染、降低油耗、提高啟動(dòng)速度、延長使用壽命和提高可靠性上意義重大。
我國的科研院所在TiAl合金材料研制、精密鑄造、近等溫鍛造、包套軋制、熱擠壓、粉末冶金等方面均取得了較大的進(jìn)展。北京科技大學(xué)的高Nb-TiAl合金、鋼鐵研究總院和中科院金屬所的精密鑄造、中南大學(xué)的粉末冶金、北京航空材料研究院的熱擠壓均有各自的材料和工藝特點(diǎn)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在TiAl合金熔鑄、精密鑄造、熱處理、熱機(jī)械處理、板材軋制等理論與技術(shù)方面均進(jìn)行了系統(tǒng)深入研究,率先研制出了國內(nèi)最大尺寸鑄錠、鍛坯和板材,并澆注出了薄壁復(fù)雜鑄件。但我國在TiAl合金應(yīng)用研究方面與國外還有較大差距,無論是航空航天還是民用領(lǐng)域,TiAl合金構(gòu)件還沒有得到應(yīng)用。
從總體上看,Ti-Al系金屬間化合物構(gòu)件的應(yīng)用研究是我國現(xiàn)階段的主要目標(biāo),這還需要加強(qiáng)與應(yīng)用部門的交流和溝通,改變設(shè)計(jì)觀念與方法,以實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到構(gòu)件制造的原始創(chuàng)新。









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