一文读懂钛铝合金及其应用
钛铝合金以其卓越的比强度、耐高温性能和抗腐蚀能力，在现代工业领域中脱颖而出。作为航空航天、汽车制造和高温设备的关键材料，钛铝合金不仅推动了技术的革新，还为各行业的高性能应用提供了坚实保障。本文将深入探讨钛铝合金的独特性能和广泛应用前景，为进一步的研究和工业应用提供有力支持。
在高温材料领域，传统材料性能的开发潜力受到限制，但高温金属间化合物的出现使人们看到了新的希望。金属间化合物具有较小的密度、良好的高温力学性能和抗氧化性，可望在航空航天、汽车和化学工业中发挥重要作用。
早在50年代初期，美国学者即对Ti-50Al二元合金的性能进行了研究，发现合金具有优异的高温性能，但因合金的室温塑性太差而放弃。1975-1982年，美国P&W空军实验室的M. Blackburn 教授通过对近百种成分的TiAI合金加以研究，发展了第一代TiAI合金，即Ti-48Al-1V-0.3C (at. % )，其室温塑性可高达2%。80年代末，美国GE司Huang博士发展了第二代TiAI合金 ( Ti-48 Al-2Cr-2Nb )，并证明了其良好的综合性能，由此引起了对TiAI合金世界范围的广泛兴趣。后又经过大量研究，已发展了三代TiAI合金（见表1)。目前正研究具有更高耐热温度的第四代甚至第五代TiAI合金。
表1 TiAI合金的发展
为达到综合平衡的力学性能，第二代TiAI合金的Al含量一般控制在46at.％-48 at.%，同时添加约2at. % Cr和Nb;而为进一步提高合金的耐热性能，在第二代TiAI合金的基础上，第三代TiAl合金中添加了W,Ta,C,Si等元素。TiAI合金一般按以下准则设计：Ti- (44~48)Al-(0~3)X1-（1~5)X2-（0.1~1.0)M，其中X1用于提高合金的塑性，如Cr,V,Mn;X2用于提高合金的强度，如Nb,Ta,W,Mo；M用于合金的抗氧化和蠕变性能，如Si,C,B,N,Ni,Fe,P。
TiAI金属间化合物具有低密度，较高弹性模量，以及良好的高温强度、抗蠕变和抗氧化能力，被认为是一种理想的航空航天用高温结构材料。
表2对比了了钛合金、Ti3Al合金、TiAI合金和高温合金的典型物理和力学性能。可以看出TiAI合金是在650℃-900℃温度区间使用的代替高温合金的理想轻质结构材料，可广泛应用于汽车或航空发动机的高温部件如涡轮盘、叶片和气门阀等。
表2 Ti-A1化合物、钛合金和高温合金的性能对比
注：a表示无涂层，b表示加涂层。
Ti-Al相图（见图1)中包括三个固相:γ-TiAI, α2-Ti3Al和高温相α-Ti。
图1 TiAl二元合金相图
两个相反应：
1）包晶反应：L＋α->γ；
2）共析反应：α->α2 +γ
图2 单胞结构示意图
TiAI合金中最主要的相有两种：α2相及γ相。α2相是DO19（有序六方）结构（见图2a)，随着温度的不同，铝的含量介于22％和39％之间。γ-TiAI相是L1o（有序面心四方）结构（见图2b)，随着温度的不同，铝含量介于48.5％和66％之间。对于理想配比的化合物，其晶格常数轴比c/a等于1.105;随着铝含量的增加，这个四面体比值升至1.03，随着铝含量的减少，又可降为1.01。对于远离理想配比的成分，过量的钛或铝原子相互占位，但不产生空位。
合金元素影响TiAI合金的组织和性能。研究表明，Al含量对铸造二元TiAl合金的组织形貌产生较大的影响，基本可分为三种类型。
比较重要的γ-TiAI合金是基于两相合金Ti- (45一49) Al而添加第三组元素而成的合金。TiAI合金的合金化元素主要分为三类。
各种合金元素在TiAI合金中的作用归纳在表3中。
表3 合金元素在TiAI合金中的作用
一般说来，经不同的热处理后, γ-TiAI合金可以得到四种典型室温显微组织：
1）全片层组织（Fully Lamellar，简称FL)
2）近片层组 织（Near Lamell ar，简称NL)
3）含等轴γ晶／片层结构的双态组织 ( Duplex，简称DP）
4）近γ组织（Near Gamma，简称NG)
合金的组织是决定合金力学性能的一个重要因素。上述四种典型金相组织如图3所示。
图3 γ-TiAI合金的典型显微组织
近片层组织的TiAl合金具有综合平衡的力学性能，但等轴γ晶粒影响合金的蠕变性能。全片层组织的TiAI合金具有较好的断裂韧性和高温性能，但因晶粒粗大，合金的强度和塑性偏低。
断裂韧性和蠕变是材料应用的两个关键性能。四种典型组织中，全片层组织的TiAl合金具有较好的断裂韧性和蠕变性能，因此全片层组织成为工程TiAI合金的首选组织。
全片层组织TiAI合金粗大的晶粒影响合金强度，尤其是合金的塑性，可以在TiAI合金全片层组织的设计和控制方面做工作改善这一问题：
①合金成分影响全片层组织TiAI合金的片层晶团尺寸，在TiAI合金中添加0.1 at.％-0.5at.% B，其晶团尺寸可控制在100-400m之间；
②添加一定量的合金元素以获得较窄的区和较宽的两相区，是保证有少量的相钉扎在相界上抑制其长大；
③形变后的TiAI合金首先处理得到晶粒均匀细小的双态组织或等轴近γ组织，然后快速升温到Tα温度以上短时热处理。
④在Tα温度附近挤压或锻造而得到细晶和超细片层的全片层组织。
1）拉伸性能
在粗大晶粒的单相γ-TiAI合金中，位错运动由于受TiAI结构本征因素的影响，位错滑移困难，变形过程中容易形成位错网络和长的位错塞积，导致合金过早地发生解理断裂。细化晶粒是改善材料室温塑性的重要措施，同时也可以达到改善延性和提高强度的目的。
根据合金成分和组织处理条件不同，两相合金的拉伸塑性，延伸率在室温下范围为0.4％-3.5%。室温屈服强度为350~650MPa，根据合金成分、处理方法和组织的不同，抗拉强度为400~720MPa。两相合金的室温拉伸性能与相的形貌直接相关，双态组织的拉伸性能最好。全片层组织通常韧性差，室温强度低。
2）蠕变性能
合金的蠕变受应力幅度、温度大小、晶粒尺寸、化学成分及其他金相学因素的影响，而片层组织对其影响最为显著。随着铝含量的增加和C,N和W的加入，蠕变抗力增加。片层体积分数的增加也能改善蠕变性能。全片层结构显著特征为大晶粒，它比双态结构对蠕变性能的改善更为显著。
锯齿晶界的形貌对全片层结构的蠕变抗力贡献 非常显著。不规则晶界全片层结构的 初始蠕变变形数量非常低（800℃和70MPa条件下少于0.1%），双 态组织的疲劳断裂强度在温度升至650℃要高一些。而在650℃以上时，片层结构的疲劳强度要更高一些。在高温下，疲劳寿命对环境非常敏感。
3）断裂韧性
TiAI合金的显微组织是影响其断裂韧性的一个主要因素，是通过组成相类型、组成相百分比和显微组织晶粒尺寸等起作用的。研究结果表明，片层状组织的断裂韧性高于双相组织，而双相组织的断裂韧性又高于等轴状单相TiAI合金。FL组织具有最高的断裂韧性，这主要是由于FL组织能够产生大的裂纹尖端塑性应变，从而增大了裂纹扩展的抗力。细晶组织的断裂韧性（KIc）值依片层晶粒的体积比值而不同，变化范围为10-16MPa·√m。全片层组织随着片层晶粒尺寸的增加断裂韧性值的增加非常明显，变化范围为20-30MPa·√m。
TiAl
合金的疲劳性能
TiAl合金的高低周疲劳性能
高周疲劳时，S-N曲线较陡；而低周疲劳时，合金的S-N曲线平坦；细晶尺寸能增加γ-合金在低于800℃时的低周疲劳寿命。对于高周疲劳，较低温度下，双态组织具有良好的疲劳性能，稍高一点温度，片层结构的疲劳寿命要长一些。
TiAl合金的疲劳裂纹扩展
1）脆性固体的疲劳裂纹扩展
在静载或准静载作用下，长裂纹扩展的时间速率da/dt可用线弹性应力强度因子K来描述，即
da/dt=A(K)^p
A和P是由试验确定的常数。
如果脆性材料被增韧，裂纹顶端或尾部的作用机制不同包括应力诱发马氏体转变、裂纹在晶界及基体和增强剂间界面处的偏折、完整晶粒对裂纹的桥连、断裂表面上的粗糙度、颗粒和纤维的作用。
2）循环载荷下的裂纹扩展
对于恒幅载荷疲劳来说，可满足以下关系：
da/dN=C(∆K)^m
C和m是由试验确定的常数。
3）脆性固体的裂纹扩展阻力和增韧
脆性固体准稳态裂纹扩展的阻力对其疲劳裂纹扩展特征和疲劳损伤容限程度有很大的影响。
4）低温下的疲劳裂纹扩展
脆性固体在循环载荷下的裂纹扩展的宏观形式远异于单向加载时的断裂形式，即使当循环加载和单向加载的破坏机制和宏观断裂模式相似，由于裂纹表面的机械接触或环境作用的结果，两种情况下的裂纹扩展速率也会存在明显的差别。室温拉-拉或拉-压疲劳下，脆性材料裂纹扩展特征的这些差异的来源可归因于许多因素。随着在名义应力强度因子上的恒幅波动循环数的增加，疲劳裂纹扩展速率不断增加。裂纹屏蔽作用随循环加载降低的程度与晶粒尺寸、分布，增强颗粒尺寸、分布，最大应力强度因子的水平、平均应力，以及裂纹面桥连作用破坏产生的残余碎片的积累等有强烈关系。
TiAl合金疲劳裂纹形核
在抛光试样中，疲劳裂纹通常在铸造空隙或锻造缺陷处形核。在没有这些缺陷时，疲劳裂纹通常在滑移带和晶界处萌生。TiAI合金中疲劳裂纹的形核对表面的粗糙度和缺口的锐度非常敏感，加工缺陷、外物毁坏、磨损毁坏及表面凿槽是疲劳裂纹的优先形核场所。TiAI合金疲劳断裂过程中，裂纹形核是一个连续的行为。大多数疲劳微裂纹在疲劳试验的初期产生，但是在疲劳寿命的后期仍然有一些微裂纹形核。
疲劳裂纹扩展
TiAI合金的疲劳裂纹扩展行为相当复杂，受众多因素的影响，主要有显微组织、AK值、裂纹尺寸因素、应力比、温度和片层取向及环境因素等。
1）显微组织
TiAI合金的疲劳裂纹扩展行为对组织很敏感，但受合金成分少量变化的影响不大，如图5所示。由于片层组织特有的导致裂纹偏斜、桥接等机制，片层组织相对双态组织、近片层组织具有较高的断裂韧性。
图4 显微组织对裂纹扩展速率的影响
2) △K与Kmax值对疲劳裂纹扩展的影响
TiAl合金在低温下表现出极为有限的亚临界裂纹扩展。在受限制的损伤容限范围内，需要了解是纯机械疲劳作用下所加载荷的循环分量引发亚临界裂纹扩展断裂，还是外加波动载荷下的裂纹扩展只是所加载荷中静平均应力促进稳态断裂。可用不同方法确定△K影响的循环载荷对裂纹扩展的贡献，是应力幅△K决定了整个裂纹扩展速率。
裂纹扩展速率：
da/dN=C(K_max )^p (∆K)^q
图5 不同应力比下△K值和Kmax：对疲劳裂纹扩展速率的影响
3）裂纹尺寸因素对疲劳裂纹扩展的影响
TiAI合金的疲劳裂纹扩展行为依赖于裂纹尺寸的大小，裂纹分为可长大（长裂纹）和不可长大（短裂纹）两种。长裂纹的长大规律有门槛值、Paris裂纹扩展率和发生断裂的Kc值。由短裂纹引起的疲劳塑性区相对来讲非常大，裂纹尺寸相当小。
常见的小裂纹：
①显微组织小裂纹：裂纹尺寸与显微组织的特征尺度相当；
②力学小裂纹：近顶端塑性区尺寸与裂纹尺寸可比的、光滑试样中的裂纹；
③物理小裂纹：裂纹尺寸明显超过显微组织的特征尺度或局部塑性区尺寸。
④化学小裂纹：某些裂纹在名义上服从线弹性断裂力学分析，但由于环境引起的应力腐蚀疲劳效应对“裂纹尺寸”这一概念有影响，在裂纹扩展速率方面也会表现出明显的异常行为。
小裂纹特征：
①小裂纹门槛值低于长裂纹门槛值，甚至在长裂纹门槛值以下扩展。
②存在不扩展裂纹，即在一定裂纹长度和载荷的组合下，有可能出现裂纹先形成而后停止扩展的现象。
③小裂纹的扩展速率比长裂纹要快得多。
当裂纹长度或△K小于某一值时，存在不扩展裂纹；而当△K大于某一值时，小裂纹的扩展具有先高速扩展而后减速扩展再加速扩展的行为。
图6 两种显微组织的疲劳裂纹扩展速率曲线
4）温度和环境对裂纹扩展行为的影响
图7 温度对裂纹扩展行为的影响
Mabru认为裂纹闭合机理几乎不受环境的影响。Rao发现在室温,650℃和800℃下，650℃的裂纹扩展速率最快，800℃下的次之，室温下的裂纹扩展速率最慢。Larsen发现在室温、600℃和800℃下，600℃的裂纹扩展速率最快，800℃与室温下的裂纹扩展速率接近，略微要慢一些。
5）应力比对裂纹扩展速率的影响
应力比增加提高了合金的裂纹扩展速率，并且降低了合金的门槛值。
图8 应力比对裂纹扩展行为的影响
6）片层取向对裂纹扩展速率的影响
TiAl合金中，全片层组织的裂纹扩展速率较之于其他组织都要低一些，这是因为片层组织对裂纹扩展起到较好的阻碍作用。晶团间片层取向越大对阻止裂纹扩展越有利。对于铸造TiAI合金，其显微组织具有明显的方向性。预制裂纹与片层间的取向关系严重地影响合金的断裂韧性。
图9 预制裂纹与片层间的取向关系示意图
TiAI合金的等温疲劳和热机械疲劳
1）TiAI合金的等温疲劳
研究发现合金的成分和显微组织直接影响合金的低周疲劳性能。低周疲劳抗力主要受屈服强度的影响，塑性对其也具有一定程度的影响，归根到底这些性能还是受组织参数的控制。
图10 不同合金在600℃时的低周疲劳性能
2）TiAl合金的热机械疲劳行为
影响合金低周疲劳循环应力响应的因素有合金成分、温度、应变幅、时效条件等。一般用应力幅一循环反向次数曲线来表征循环应力响应：在循环过程中只有不断降低应力幅才能维持应变幅恒定称为循环软化；反之，则称为循环硬化；如果循环过程中应力幅变化不明显，此时则称之为循环稳定。
影响热机械疲劳寿命的因素有试验温度、应变速率、蠕变、氧化、试验环境、材料变形后回复或再结晶及相位等，这几种因素往往同时起作用。应变速率可影响滑移模式、氧化、蠕变、材料变形后的回复等，因此也是影响热机械疲劳寿命的重要因素。
TiAl
合金的应用
国内外对于钛铝（TiAl）合金的微观结构、变形特性、添加元素的影响以及制备技术等方面进行了卓有成效的研究。钛铝（TiAl）合金因其优异的物理和机械性能，成为众多高科技领域中的重要材料。其高比强度、良好的耐高温性和抗氧化性使其在航空航天、汽车工业和其他高温应用中具有广泛的应用前景。
航空航天领域
1）涡轮发动机部件：TiAl合金被广泛用于制造涡轮发动机的叶片和叶轮，由于其优异的高温性能和低密度，可以显著提高发动机的推力重量比和燃油效率。
2）飞机结构件：钛铝合金在飞机结构件中的应用，如机翼前缘和尾翼部分，可以有效减轻飞机重量，提高飞行性能和燃油经济性。
汽车工业
1）发动机部件：TiAl合金用于制造高性能发动机的阀门和涡轮增压器部件，由于其高温稳定性和低密度，可以提高发动机的效率和功率输出，同时减少燃油消耗。
2）排气系统：在高性能汽车的排气系统中，TiAl合金能够承受高温气流的冲击，减少系统重量，提高车辆的动力性能。
其他高温应用
1）燃气轮机：在工业燃气轮机中，TiAl合金因其优异的高温性能和抗氧化性，用于制造涡轮叶片和其他高温部件，延长设备使用寿命，提高热效率。
2）化工设备：TiAl合金在化工设备中的应用，如高温反应器和耐腐蚀管道，能够在极端环境下保持稳定性能，减少设备维护和更换频率。
表4 钛铝合金相关牌号
表5 钛铝合金相关标准
性能研究部分出自：
《钛铝金属间化合物的高温特性及疲劳行为研究》
