TiAl金属间化合物被认为适于制造航空、航天发动机叶片、压气机盘、涡轮盘等转动部件,还适于制造发动机机匣、扩压器等部件,以及热防护结构、喷口位置部件等耐高温零件。
TiAl金属间化合物
钛(Ti)元素和铝(Al)元素按一定原子比例形成的金属间化合物。
- 英文名称
- Ti-Al intermetallic compound,titanium aluminide
- 所属学科
- 航空宇航科学与技术
TiAl金属间化合物是一种原子长程有序排列的中间相,原子间以金属键和共价键结合,同时具备陶瓷材料的高温强度和金属材料的可延展性。TiAl系中金属间化合物相主要由γ-TiAl相和α2-Ti3Al相组成。γ相具有L10型有序超点阵结构,为正方点阵。单胞参数随成分变化有所改变,a为0.3957~0.4105纳米,c为0.4062~0.4097纳米,c/a轴比为1.01~1.03。其点阵单胞含有4个原子,Ti和Al各有2个原子,Ti原子和Al原子沿[001]方向交替排列在(002)面上。α2相具有有序六方D019超点阵结构,单胞参数随成分变化有所改变,a为0.5783~0.5640纳米,c为0.4760~0.4619纳米。其点阵单胞在(0001)面上原子为密排结构。α2相是一种有序固溶体,高于临界温度将转变为无序固溶体α相(hcp结构)。
从20世纪70年代到21世纪20年代,TiAl金属间化合物已从第一代合金发展到第三代合金(见表)。制备工艺以锻造合金为主,强调高温强度、高温蠕变抗力,合金成分向高合金化、多组元方向发展。TiAl金属间化合物按制备工艺可分为:①锻造TiAl金属间化合物。②铸造TiAl金属间化合物。③粉末冶金TiAl金属间化合物。
合金分代 | 合金成分(at%) | 制备工艺 |
第一代 (1973~1983年) | Ti-48Al-1V-0.3C | 实验室研究 |
第二代 (1989~2000年) | Ti-(47/48)Al-2(Cr,Mn)-2Nb (47/48-2-2) | 铸造 |
Ti-(45/47)Al-2Nb-2Mn+0.8vol%TiB2 (45/47XD) | 铸造 | |
Ti-47Al-3.5(Nb,Cr,Mn)-0.8(B,Si) | 铸造 | |
Ti-47Al-2W-0.5Si | 铸造 | |
Ti-46.2Al-2Cr-3Nb-0.2W (K5) | 锻造 | |
第三代 (2001年~至今) | Ti-45Al-(8/10)Nb | 锻造 |
Ti-46.2Al-2Cr-3Nb-0.2W-0.2Si-0.1C (K5SC) | 锻造 | |
Ti-45Al-4Nb-4Ta | 锻造 | |
Ti-45Al-(5-10)Nb-0.5(B,C)(TNB) | 锻造 | |
Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B (TNM) | 锻造 |
TiAl金属间化合物的主要应用优势体现在:①刚性高。TiAl金属间化合物比航空发动机其他常用结构材料(如镍基高温合金)的高温比刚性高约50%,高刚性对要求低间隙的部件(如箱体、构件以及支撑件等)有利,同时可延长叶片等部件的使用寿命。②比强度大。TiAl金属间化合物在700~850℃具有明显的比强度优势,采用该合金替代镍基高温合金材料制造转动部件,一方面可以提高部件的服役温度,另一方面可以降低转动离心力,进而减少对相关支撑件(盘、轴等)的负荷,通过优化支撑件(盘、轴等)设计可实现结构减重。③阻燃能力强。TiAl金属间化合物具有优异的阻燃能力,可以避免发动机失火隐患。④高温抗氧化性能优异。TiAl金属间化合物在650~850℃高温下具有优异的高温抗氧化性能,部分成分的合金在850℃可以达到完全抗氧化级,为合金在高温使用提供了保障。