新型轻质高温γ1 +γ双相TiAl-Nb金属间化合物的强韧化机制

TiAl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。TiAl合金具有优越的高温性能，与现在广泛使用的Ni基高温合金相近，而且密度仅为Ni基高温合金的一半，因此被认为是Ni基高温合金的最具潜力的替代材料。美国采用铸造TiAl合金应用于最新的波音787民用飞机的GEnx发动机，作低压涡轮后两级叶片，单个发动机减轻重量约200磅。目前，美国把TiAl合金应用扩展到747-8等民用飞机发动机上。但普通TiAl合金无法满足高于750–850 ℃使用温度的需求，Nb元素的添加可以有效提高TiAl基金属间化合物的高温强度和抗氧化性能。Nb在TiAl 中有高达20-30%的固溶度，因此在前期Nb-TiAl合金和γ1相的研究基础上，本基金提出利用一种新的高温稳定相γ1相（Ti4Nb3Al9）增强高温变形抗力、提高高温力学性能，同时利用高Nb化大幅度降低γ相层错能提高高温蠕变强度；采用γ和γ1双相的配合和高Nb化降低层错能，引入丰富的孪晶，协调室温和高温变形。力图发展使用温度达到1000-1100℃的新型TiAl-Nb合金。. 确定了TiAl＋Nb系不同成分合金之间的相关系, 进一步证实了在TiAl＋Nb系中存在一个新的三元有序金属间化合物为γ1相，Ti4Nb3Al9合金为γ1单相。对于Ti-53Al-18Nb合金，γ1相的析出温度为1250-1400℃之间的某个温度区间。γ1相的长度约为2-10 μm，形状为窄薄片状。γ1相在γ基体中有主要有两种分布规律：即γ1相之间分布的夹角为120°和90°两种。γ1相在γ基体中是以两种不同薄片形式存在，Ⅰ型片层与Ⅱ型片层，Ⅰ型片层尺寸较大可以达到十几微米甚至几十微米，Ⅱ型片层通常只有几个微米大小，二者厚度均为纳米级别。γ+γ1双相合金表现出优异的高温力学性能，1100℃的高温强度高达400-450MPa，其比强度远高于镍基高温合金。γ1相合金存在着强度随变形温度上升的R’ 现象。变形组织中存在大量的孪晶和层错，说明Nb大幅度降低了层错能，促进孪生变形。. 这种轻质超高温金属间化合物合金可以采用传统的制备技术加工。发展目标是服役温度1000-1100℃, 比高Nb-TiAl和镍基高温合金有更高的比强度和使用温度，有望可以替代更高使用温度的高温材料，达到减重的目的，大幅度提升航空航天飞行器的性能。