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铸造TiAl金属间化合物

/cast titanium aluminide intermetallics/
条目作者南海冯新
条目作者南海

南海

冯新

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最后更新 2023-10-25
浏览 158
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采用铸造方法制备的TiAl金属间化合物

英文名称
cast titanium aluminide intermetallics
所属学科
航空宇航科学与技术

铸造TiAl金属间化合物多用于轻质耐高温结构件,熔模精密铸造成型技术是制备TiAl金属间化合物构件的主要方法之一。

20世纪50年代,国际上关于TiAl金属间化合物性能的报道相继出现,虽然其具有很好的高温强度和蠕变抗力,然而由于存在严重的室温脆性,在此后相当长的时间内,没有引起材料研究者们的广泛重视。直到1974年,美国普惠公司筛选出了第一个具有实用价值的TiAl金属间化合物〔成分为Ti-48Al-1V-0.1C(at.%)〕,通常认为这是第一代TiAl金属间化合物。

1988年,美国通用电气公司(GE公司)开始从事TiAl金属间化合物的工程开发。1993年,全套共98片成分为Ti-48Al-2Cr-2Nb(at.%)的金属间化合物铸造低压涡轮叶片,在GE公司的CF6-80C型航空发动机低压涡轮第五级转子系统上安装,并进行了1529循环周次发动机试车,试验取得成功。这次TiAl金属间化合物研究的测试被认为具有里程碑意义,是铸造TiAl金属间化合物进入第二代的标志。

铸造TiAl金属间化合物可分为二代(见表),正在开始第三代研制。

铸造TiAl金属间化合物的分类表

代次

化学成分∕at.%

成形方法

研究单位或研究者

服役温度∕℃

第一代

Ti-48Al-1V-0.3C

实验室研究

M.布莱克曼

<760

第二代

Ti-47Al-2(Cr,Mn)-2Nb

Ti-48Al-2Cr-2Nb

铸造

美国通用电气公司

760~800

Ti-(45-47)Al-2Nb-2Mn-0.8vol%TiB2

放热弥散法

美国铝业豪梅特公司

Ti-47Al-3.5(Nb,Cr,Mn)-0.8(Si,B)

铸造

德国吉斯塔赫特材料研究中心

Ti-47Al-2W-0.5Si

铸造

瑞士ABB公司

铸造TiAl金属间化合物的研究方法主要包括材料的模拟计算、真空电弧自耗电极熔炼制备方法、真空感应悬浮熔炼制备方法、真空电弧自耗电极凝壳熔铸方法、真空感应悬浮凝壳熔铸方法研究、重力铸造、离心铸造、热等静压、热处理、铸件修复、铸件表面处理、金属间化合物与铸件组织性能检测方法研究、铸件无损检测等。

是将TiAl金属间化合物置于坩埚中熔化后,将熔体在重力场或其他外力的作用下充填入铸型,凝固后获得具有一定形状、尺寸和性能构件的工艺过程。由于TiAl金属间化合物性能对间隙元素、杂质含量敏感,需采用高纯度原材料以降低氧、氮等间隙元素的含量;为了消除夹杂,一般采用水冷铜坩埚进行铸造,如使用分瓣式水冷铜坩埚磁悬浮设备、真空自耗凝壳设备等。

铸造TiAl金属间化合物具有广阔的应用前景,包括要求高弹性模量的低间隙TiAl结构件,如机匣、支撑架、鼓筒和扩压器等;要求低密度、高服役温度的结构件,如低压涡轮叶片、高压涡轮叶片、导向器、涡旋式喷嘴等;具有阻燃性能的TiAl金属间化合物结构件,如发动机排气阀、涡轮增压器叶轮等。

铸造TiAl金属间化合物的研究出现了三大趋势:①通过金属间化合物成分设计,研制使用温度900℃以上的新型铸造TiAl金属间化合物,以高熔点金属铌、钨、钼、钽与TiAl形成的第四代多元化合物为主。②通过显微组织调控提高铸造TiAl金属间化合物性能。由于TiAl金属间化合物性能受成分和微观组织影响程度高,因此显微组织的调控是铸造TiAl金属间化合物研究方向之一。③大力开展铸造TiAl金属间化合物工业化生产应用研究。尽管铸造TiAl金属间化合物已步入实用化研究阶段,但进展相对缓慢,应用基础研究尚不完善,需要在工业生产条件下积累相关数据和应用经验,提升铸造TiAl金属间化合物材料技术成熟度。

  • 杨锐.钛铝金属间化合物的进展与挑战.金属学报,2015,51(2):129-147.
  • LORIA E A.Gamma titanium aluminides as prospective structural materials.Intermetallics,2000,8(9):1339-1345.
  • KIM Y W,KIM S L.Advances in Gammalloy Materials-Processes-Application Tchnology: Successes, Dilemmas, and Future.2018,70(4):553-560.

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