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ial基合金薄板成形技术研究进展 目前，新一代高性能回来飞机的翼蒙皮和发动机部件的服役温度显著提高。钛合金和某些高温材料的要求无法满足。另一方面,若采用低密度的新型高温合金替代现有的镍基高温合金,也可以降低发动机重量,从而大幅度提高热效率和降低燃料消耗。Ti Al基金属间化合物兼有金属的韧性和陶瓷的高温性能,具有优良的高温强度、刚度和低密度以及优异的抗氧化性能、抗蠕变性。新近开发的第三、四代Ti Al基合金使用温度可以达到900~1 000℃。其性能达到最好的变形镍基高温合金的水平,而其密度仅有4.3 g/cm3,是镍基高温合金的一半,比一般钛合金还低。目前最先进的钛合金使用温度不超过600℃,因此,Ti Al基合金是替代钛合金和镍基高温合金的理想材料,拥有广阔的应用前景,一直是近年来材料科学领域中一个研究热点[1~5]。经过最近几十年来广泛而深入的研究,Ti Al基合金的性能不断提高,其中部分性能已经接近甚至达到了实际工业化应用的要求。在实用化研究领域中,Ti Al基合金薄板成形技术是最为重要的研究课题之一。然而,由于Ti Al基合金的室温延性和加工成形性差,薄板材的制备难度很大,得到真正实用意义上的航空航天用薄板还需在合金设计思路、成形工艺、有限元分析及材料性能改进等方面开展更加深入的研究。本文综述了Ti Al基合金薄板材成形技术的发展现状,以及合金薄板材在航空航天领域的应用研究进展。 1 热加工性技术 Ti Al基合金作为低密度高温结构件的首选材料,其各种规格的板材及箔材将有着广泛的应用前景。因此用平面轧制方法制备板材和箔材一直是Ti Al基合金研究开发工作的一个重要内容。自20世纪80年代后期开始,一些通过合金化使塑性得到改善的Ti Al基合金,常沿用下述工艺:合金铸锭经高温开坯锻成板坯→热轧变形加中间退火→轧后热处理退火[7~9],或者热轧板材退火处理→冷轧变形加中间真空退火→最终真空退火[10~13]。 目前,大多数合金化设计的Ti Al基合金热加工性能均得到了不同程度的提高,已经相继开发出等温(包套)轧制技术、铸轧技术、单元素箔片叠轧反应合成技术[18~20]、多元素混合粉冷轧反应合成技术(简称元素粉法)、物理气相沉积(PVD)技术、等离子喷涂(PS)轧制技术、激光成形技术(LS)和注射成形技术(MIM)等。 这些Ti Al基合金薄板的成形技术根据材料成形前的原料初始状态可以分为4大类:铸造冶金工艺、元素粉合成工艺、合金粉成形工艺和单元素箔板叠轧工艺。 1.1 tial基合金铸件的制备 铸造冶金工艺是采用Ti Al合金铸锭,在足够高的温度和足够低的应变速率下进行等温或准等温加工,制备Ti Al合金薄板材料。Koeppe总结了用铸造冶金工艺特殊轧制技术成功制备Ti Al基合金薄板的3个条件:(1)在高温α+γ相区进行近似等温的轧制;(2)严格控制轧制工艺参数(轧制速度和道次压下量);(3)采取必要措施防止Ti Al基合金在变形过程中被氧化。 在铸造冶金工艺的分类中,还有一种特殊的成形技术——铸轧技术。该技术将铸造和热轧过程合并在一起,不但简化了生产工艺,而且缩短生产周期,节省能源,降低成本,是一种非常有潜力的Ti Al基合金薄板成形技术。图1为铸轧工艺的示意图。1991年Matsuo等首次将该技术应用于Ti Al基合金薄板的制备。铸轧技术使板材的显微组织细化,综合力学性能提高。Hanamura在Ti Al基合金铸轧过程中添加Ti B2,实验结果表明,Ti B2显著细化了合金板材的显微组织。未添加Ti B2的Ti Al基合金铸轧薄板的平均晶粒尺寸为2 000μm,而Ti Al-1at%Ti B2铸轧薄板的平均晶粒尺寸为10μm,而且添加Ti B2还可以减弱Ti Al基合金铸轧组织的梯度分布,使得Ti Al基合金铸轧组织中心区与边缘区分布均匀。铸轧Ti Al-1at%Ti B2合金的显微组织为均匀细小的片层晶粒,具有良好的室温延性(2.1%)和高温强度(1 100℃的σy为200 MPa)。 总体上看,铸造冶金工艺对设备要求高,成本高,加工周期长,材料利用率低,难于制备大尺寸薄板材。国内外科研人员开始倾向于采用常规塑性加工方法将元素粉或合金粉压结成形,再通过烧结实现致密化。这样不仅避开了脆性Ti Al基合金的加工变形过程,避免了为消除铸锭中的铸造缺陷和成分偏析所需要的HIP处理和均匀化热处理以及后续机加工,并且有望实现近净成形,具有材料利用率高,成本较低的优点。另一方面,随着高性能粉末制备和致密化工艺水平的不断发展和提高,粉末Ti Al基合金的室温脆性已基本解决,合金的一些力学性能已达到甚至超过铸造合金,有的接近于锻造合金。 1.2 元素粉烧结制备tial基合金材料 元素粉轧制合成工艺制备Ti Al基合金薄板,是采用