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        TiAl基合金的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用
        ——訪中南大學(xué)粉末冶金研究院賀躍輝教授

        2016-05-30 06:59:13
        航空制造技術(shù) 2016年21期
        關(guān)鍵詞:變形研究

        本刊記者 玲 犀

        賀躍輝HE Yuehui

        長江學(xué)者特聘教授

        Chang Jiang Scholar

        國家杰出青年科學(xué)基金獲得者

        Winner of the National Science Fund for Distinguished Young Scientists

        教授,博士生導(dǎo)師,國務(wù)院政府特殊津貼獲得者。現(xiàn)任中國鎢業(yè)協(xié)會理事會技術(shù)顧問,中國材料學(xué)會理事,中國材料學(xué)會超硬材料及制品分會副主任,中國材料學(xué)金屬間化合物與非晶合金分會副主任,國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心、中國核燃料及材料國家國防重點實驗室客座教授。曾主持完成國家“863”、“973”、國家自然科學(xué)基金及國防重點項目等多個項目的研究工作,獲國家科技進(jìn)步獎一等獎、國家教育委員會科技進(jìn)步獎二等獎等多項榮譽。主要研究方向為金屬間化合物多孔材料/多孔膜,金屬陶瓷材料,金屬間化合物/超硬材料制品,粉末冶金高速鋼便捷制造,納米材料,濕法冶金金屬間化合物惰性陽極材料等。

        :您針對TiAl基合金的研究取得了系列成果,針對難熱加工塑性變形材料,提出了“包套鍛準(zhǔn)等靜壓快速變形”方法;建立起包括Ti-Al、Fe-Al和Ni-Al 3大類組成的整個Al系金屬間化合物多孔材料體系框架等,請簡單介紹一下您的主要研究項目,您認(rèn)為TiAl基合金近幾年的研究熱點有哪些?

        賀躍輝:本人開展金屬間化合物的研究工作多年,早期主要是針對TiAl基合金難熱加工變形性問題開展了包套鍛熱機械復(fù)合處理新技術(shù)研究,實現(xiàn)了在普通油壓機上對加熱的包套處理TiAl基合金坯進(jìn)行鍛壓熱加工,具體成果為:

        (1)用簡單方法實現(xiàn)了難熱加工的TiAl基合金鑄坯的熱加工變形,打破了原來的TiAl基合金開坯必須等溫鍛造的禁錮。

        (2)包套處理為TiAl基合金鍛坯構(gòu)筑了一個準(zhǔn)等靜壓環(huán)境,有效地降低鍛坯的最大剪應(yīng)力。同時,鋼包套起到了有效隔熱保溫效果,由此,獲得80%變形量的完整鍛坯。

        (3)實現(xiàn)了TiAl基合金在1×10-1S-1下順利變形,有效地抑制了動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生,儲存的變形能為后續(xù)的熱處理獲得細(xì)小均勻組織、自主調(diào)節(jié)顯微組織提供了基礎(chǔ)。

        同時,基于Al系金屬間化合物兼?zhèn)浣饘偌疤沾刹牧系膬?yōu)點,具有主成分元素之間大的擴(kuò)散系數(shù)差異的特質(zhì),提出通過元素混合粉KirKendall效應(yīng)自主控制,制備Al系金屬間化合物多孔材料/多孔膜,解決極端環(huán)境下氣/固、液/固分離、凈化的多孔材料亟需的難題。完成TiAl基合金、NiAl基合金、FeAl基合金、Ti-Si系金屬間化合物、Ti-Si-C系金屬陶瓷等一系列金屬間化合物及金屬陶瓷多孔材料/多孔膜的制備技術(shù)研究,實現(xiàn)其孔結(jié)構(gòu)自主可控及大尺寸形狀復(fù)雜制品的近凈成形,進(jìn)一步發(fā)揮金屬間化合物的金屬鍵和共價鍵共存的混鍵結(jié)構(gòu)特性,開發(fā)金屬間化合物粘結(jié)劑新型超硬材料制品,解決超硬材料制品長期未解的開刃鋒利和保型壽命這一對矛盾;研究耐強酸腐蝕,抗大電流電化學(xué)腐蝕及新鮮氧原子氧化的金屬間化合物,解決溶液電解Pb陽極替代材料亟需的問題。

        由于TiAl 基合金具有高的比強度、比剛度,以及較好的高溫抗蠕變、耐腐蝕性能,是一種非常有潛力的輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料,所以,近些年來,TiAl 基合金一直是一些高等院校和科研院所的研究熱點。研究方向主要集中在以下幾方面。

        (1)高Nb合金化TiAl基合金。通過較高含量Nb的添加,進(jìn)一步提高TiAl基合金的高溫強度、抗氧化性、抗蠕變強度。需要解決的主要問題有:熔煉、鑄造合金的成分均勻性;難熱加工變形性和成形性。

        (2)大尺寸類單晶制備,特別是結(jié)構(gòu)均勻、位向一致可控的類單晶材料及制件。

        (3)無鑄造缺陷TiAl基合金鑄件的制造。

        (4)TiAl基合金服役條件評價及安全設(shè)計。

        (5)TiAl基合金多孔材料及多孔膜的制備及應(yīng)用,解決酸性、含Cl、含鹽、高溫等極端服役環(huán)境的分離、提取和凈化等孔分離材料亟需額技術(shù)難題。

        (6)表面涂層材料。添加N、C、Cr、Si、Ta等合金化元素,形成高抗氧化、熱屏障、高潤滑、高耐磨的刀具、工具表面涂層材料。

        (7)高品質(zhì)粉末冶金TiAl基合金制品的制造技術(shù)路線的打通。

        :我國在TiAl基合金的研究方面,已有近30年的積累,直到目前,TiAl合金仍沒有得到廣泛的工程化應(yīng)用,是什么制約了TiAl基合金的應(yīng)用?如果將其推廣應(yīng)用,在基礎(chǔ)研究、成形工藝以及其他各方面還需攻克哪些關(guān)鍵技術(shù)?

        賀躍輝:目前,世界上的主要航空發(fā)動機公司(如GE、Rolls-Royce和P&W)都致力于TiAl基合金的工程化應(yīng)用開發(fā),并主要集中在低壓渦輪的最后一級或兩級的工作葉片開發(fā)。中國科學(xué)院金屬研究所參與了Rolls-Royce所開發(fā)的TiAl基合金低壓渦輪葉片的精密鑄造工藝的試驗研究,我國也具有一定的TiAl基合金工程化應(yīng)用的實力和經(jīng)驗。

        經(jīng)過多年的研究,雖然TiAl基合金在性能改善方面取得了很大的進(jìn)步,并在航空航天和汽車工業(yè)等領(lǐng)域得到了一些應(yīng)用,但是距大規(guī)模的工程化應(yīng)用還有很大的差距,其主要原因包括:(1)本征室溫脆性未能得到解決;(2)加工成形難的問題;(3)高溫抗蠕變強度不足及抗高溫氧化能力不足等問題。

        如果將其推廣應(yīng)用,國內(nèi)還需要掌握實現(xiàn)TiAl基合金工程化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù),特別是加強TiAl基合金成形和加工方面的相關(guān)基礎(chǔ)研究。

        (1)新的服役要求評價和材料設(shè)計思想的提出,在原來的強度、韌性設(shè)計基礎(chǔ)上,發(fā)展損傷容限等設(shè)計方法。

        (2)提高材料制備技術(shù)水平,特別是大尺寸TiAl基合金鑄錠成分均勻性的保障,鑄錠的應(yīng)力控制及消除。

        (3)金屬間化合物功能化和功能、結(jié)構(gòu)一體化應(yīng)用的發(fā)展。

        (4)針對TiAl基合金實用化的實現(xiàn),原創(chuàng)性思想的提出。

        (5)堅持不懈地開展TiAl基合金應(yīng)用面臨的室溫塑性低,難熱加工變形、成形,高溫抗氧化性不足的3大問題研究。

        :增材制造工藝能夠適應(yīng)各種尺寸,不同復(fù)雜程度構(gòu)件,各種難熔、高強度金屬材料的直接成形制造。請問增材制造技術(shù)在TiAl基合金的加工成形中發(fā)揮了怎樣的作用?能否解決TiAl基合金加工難度大、成形困難的難題?還存在哪些無法解決的問題?

        賀躍輝:增材制造成為當(dāng)今材料領(lǐng)域熱點方向,解決了傳統(tǒng)制造很多技術(shù)難題。TiAl基合金屬于難加工成形材料,在采用增材制造制備時需要考慮一些特殊技術(shù)問題:

        (1)TiAl粉末制備難題,需要發(fā)展無坩堝污染熔煉技術(shù);

        (2)TiAl合金粉末的防氧化問題,TiAl合金粉末表面氧化形成的TiO2和Al2O3屬于高化學(xué)穩(wěn)定性的氧化物,會造成粉末冶金材料的原始顆粒形成的內(nèi)界面非冶金結(jié)合;

        (3) TiAl基合金屬于低塑性材料,其塑性對合金含氧量十分敏感;

        (4) TiAl基合金的主要元素Ti、Al蒸汽壓差別較大,受電子束或激光束能量高集中度加熱,成分準(zhǔn)確控制問題。

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