陳志遠，方斌，張原斌，郭增輝

（齊魯工業(yè)大學（山東省科學院）機械工程學部，濟南 250353）

0 引言

航空航天工業(yè)的發(fā)展對于具有高強度、良好耐熱性和抗氧化性、低密度的高性能材料需求越來越高。TiAl合金是一種新型、輕質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)材料，應用前景廣闊，具有很大的發(fā)展?jié)摿1]。TiAl合金具有高熔點、低密度、高彈性模量、優(yōu)異的高溫強度（700～900 ℃）、較強的阻燃能力，可用于高溫等極端環(huán)境。TiAl合金的密度僅為鎳基高溫合金的一半左右，是鎳基高溫合金的代替材料，用于制備航空發(fā)動機的渦輪葉片、部分航空航天結(jié)構(gòu)件及地面發(fā)動機動力系統(tǒng)中轉(zhuǎn)動或往復運動的高溫部件[2-3]。TiAl合金制備有鑄造、鑄錠冶金和粉末冶金等方法。但是，在鑄造過程中TiAl合金內(nèi)部易形成孔隙和成分偏析現(xiàn)象，導致鑄態(tài)TiAl合金的室溫脆性較高、可加工性較差。粉末冶金先制備初始合金粉末、再進行材料燒結(jié)成型的方法可解決鑄造材料的疏松、多孔問題，并顯著提高材料高溫強度及力學性能，同時明顯改善TiAl合金的熱加工性能，粉末冶金是現(xiàn)在制備TiAl合金材料的主要方法[4]。同時，通過向TiAl基合金中加入β合金元素、改善合金微觀組織結(jié)構(gòu)，以及使材料合金化等方法可有效提高TiAl合金室溫可塑性和高溫抗氧化能力，從而改善TiAl合金的綜合性能。本文綜述了TiAl初始粉末制備方法、TiAl合金材料的制備及存在問題，分析了改進TiAl合金材料力學性能的方法，探討了TiAl合金材料發(fā)展趨勢。

1 氣霧化法制備TiAl合金粉末

目前，制備金屬合金粉末的方法主要有機械合金化、自蔓延高溫合成、氣霧化、水霧化、離心霧化和等離子霧化法等。由于氣體霧化生產(chǎn)的粉末具有最佳的成本和形狀，因此TiAl合金粉末一般用氣霧化法制備。氣霧化法是把高速流動的氣體（多為惰性氣體，比如氬氣）作為霧化介質(zhì)沖擊高溫的熔融金屬液滴，使熔融金屬液滴在氣液兩相的交互作用中破碎成細小顆粒，再冷卻、凝固成粉。TiAl合金粉末的生產(chǎn)過程中，熔體、霧化液滴和熱粉末顆粒易吸收氧、氮和碳元素，合金熔化溫度很高（約1450 ℃），熔體的腐蝕性強且與現(xiàn)有所有坩堝材料發(fā)生反應，所以TiAl合金粉末只能采用無干鍋[5-6]、冷銅坩堝等技術(shù)制備[7]。

隨著對霧化器研究的進展，如今新型霧化法成為了生產(chǎn)粉體的主要方式，根據(jù)設(shè)備加熱元件不同，氣體霧化法有等離子熔煉感應氣體霧化法（Plasma Melting Induction Guiding Gas Atomization，PIGA）、電極感應熔化氣體霧化法（Electrode Induction Melting Gas Atomization，EIGA法）、真空感應熔煉惰性氣體霧化法（Vacuum Induction Melting Gas Atomization，VIGA）和等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法（Plasma Rotating Electrode Atomization，PREP）。圖1所示為4種氣體霧化法工作原理示意圖。

圖1 4種氣體霧化法工作原理示意圖

1.1 等離子熔煉感應氣體霧化法（PIGA）

圖1（a）是等離子熔煉感應氣體霧化法（PIGA）示意圖，該方法采用等離子熱源，調(diào)節(jié)等離子炬的高度在水冷銅坩堝中形成熔池，細熔體流通過感應加熱水冷銅漏斗被引導到氣體噴嘴的中心，被惰性氣體霧化為粉末顆粒。

PIGA法的優(yōu)勢為采用等離子熱源提高了加熱源的穩(wěn)定性和效能；采用水冷銅坩堝，避免金屬液流與銅坩堝壁的直接接觸，減小了合金粉末中的雜質(zhì)[11]。然而，熔池的形成和感應引導需要相當大的電能，能耗高；且由于漏斗內(nèi)液體液面較高，為了防止液體溢出漏斗，則需要良好的保護措施。

1.2 電極感應熔煉惰性氣體霧化法（EIGA）

圖1（b）是無坩堝電極感應熔化氣體霧化法（EIGA）示意圖，該法是將合金棒料作為電極，通過控制感應熔煉線圈和送料速度，將旋轉(zhuǎn)的棒料電極熔化并霧化成粉末顆粒的過程[8,12]。

該霧化技術(shù)的優(yōu)勢在于不使用陶瓷坩堝，所需功率較小，合金粉末雜質(zhì)少。但是，合金棒材比合金錠料的成本高。棒材熔化速率較難控制，金屬液流成分不均勻，影響粉末的綜合性能。

Wegmann等[13]通過比較不同方案制備的粉末粒徑（如圖2）發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)量較小的情況下，PIGA和EIGA法比傳統(tǒng)離心方案所制備的粉末孔隙率更低，粉末顆粒也越小。并且，該產(chǎn)量下PIGA要比EIGA所制備的粉末孔隙率更小。但是在相同產(chǎn)率并且產(chǎn)量較大的情況下EIGA法則擁有明顯優(yōu)勢，Gerling等[8]通過研究EIGA和PIGA制備Ti-46Al-9Nb的粉末粒徑大?。ㄈ鐖D3）發(fā)現(xiàn)，EIGA法制備的粉末粒徑明顯低于PIGA法制備的粉末粒徑。如果采用金屬注射成型工藝制備材料，要求使用較細的合金粉末，采用EIGA法生產(chǎn)合金粉末更有利于提高材料性能。

圖3 用EIGA和PIGA技術(shù)霧化的Ti-46Al-9Nb合金粉末的粒度分布[8]

1.3 真空感應熔煉惰性氣體霧化法（VIGA）

圖1（c）是真空感應熔煉惰性氣體霧化法（VIGA），該方法是以合金棒材作為電極，通過電磁感應線圈對旋轉(zhuǎn)的合金棒材進行熔煉。通過控制熔煉速度使熔體形成金屬液流，并連續(xù)垂直向下流動穿過導流管。進入霧化室后，噴嘴噴射高速氣流將熔體霧化成金屬液滴，隨后凝固成粉末顆粒。

在VIGA法制備的金屬粉末中，熔融金屬液流不會接觸到坩堝和導流管，減少了金屬熔煉過程中的雜質(zhì)引入，有效提高了粉末的純凈度[14]。

1.4 等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法（PREP）

如圖1（d）所示，PREP法是以合金棒材作為自耗旋轉(zhuǎn)電極，通過等離子槍所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移弧作熱源逐步熔化高速旋轉(zhuǎn)電極，隨后產(chǎn)生的金屬液流通過離心力作用甩出后形成細小液滴，在表面張力作用及惰性氣體保護的環(huán)境中冷卻固化為粉末顆粒[10]。PREP技術(shù)分為轉(zhuǎn)移弧型等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化技術(shù)和非轉(zhuǎn)移弧型等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化技術(shù)，前者是由美國率先研究，而后者則是蘇聯(lián)首次開發(fā)。與非轉(zhuǎn)移弧型相比，轉(zhuǎn)移弧型具有等離子槍功率、能量密度、熱效率高的優(yōu)勢，但是兩種制備工藝都需要進行后續(xù)的粉末除雜處理[15]。

圖4和圖5分別是VIGA法和PREP法制備的粉末。VIGA法制備的粉末多以球形為主，球形度高，表面光潔，粉末表面附有衛(wèi)星粉。PREP法制備的粉末表面主要為細枝晶組織，沒有衛(wèi)星粉，粉末球形度更高，表面光潔，粒徑分布均勻，表面質(zhì)量優(yōu)于VIGA法[16]。與傳統(tǒng)氣霧化法制備的粉末具有形狀不規(guī)則、顆粒破損、大尺寸薄片狀金屬等現(xiàn)象相比，采用VIGA和PREP法制得的粉末球形度更高、流動性更好[17]。

圖4 VIGA法制備TiAl粉顯微形貌和截面形貌[17]

圖5 PREP法制備TiAl粉顯微形貌和截面形貌[17]

氣體霧化法（EIGA、PIGA）能提高鈦合金的細粉率，但粉末的球形度不如旋轉(zhuǎn)霧化法（VAGA、PREP）制備的粉末好。通過所制備的粉末對比發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)霧化法所制備粉末具有粒徑分布均勻、表面光潔度和球形度高、流動性好、雜質(zhì)含量少、無衛(wèi)星粉等特點，粉末質(zhì)量更高。

2 TiAl合金材料制備方法

2.1 熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，HIP）制備TiAl合金材料

熱等靜壓工藝是目前制備TiAl合金常用的燒結(jié)工藝。該工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括包套的設(shè)計與加工、包套封裝、包套去除、真空熱處理和質(zhì)量檢驗等工序[18]。

Yolton等[19]研究了HIP燒結(jié)溫度、保溫時間及熱處理工藝對TiAl合金材料的顯微組織和孔隙率的影響，發(fā)現(xiàn)在溫度1100～1300 ℃，壓力大于100 MPa的條件下進行熱等靜壓燒結(jié)效果最好。傳統(tǒng)熱等靜壓工藝制備的TiAl合金屈服強度和拉伸延展性偏低。熱等靜壓與其他工藝相結(jié)合的方法可以明顯改善TiAl合金的力學性能。Yu等[20]將元素粉末混合物球磨后進行熱等靜壓，制備出成分為Ti-45Al-2Cr-2Nb-1B-0.5Ta的TiAl合金超細晶材料，合金材料雖然具有相對較低的拉伸強度，但是具有70%～130%的高拉伸伸長率，有利于后續(xù)改善材料的拉伸強度。劉詠等[21]采用高溫熱壓和熱等靜壓相結(jié)合的方法合成了TiAl-2Cr-2Nb合金。兩種工藝的結(jié)合提高了材料的致密度，促進了材料內(nèi)合金元素的均勻化擴散。Chen等[22]分別采用離散式和集成連續(xù)式的熱等靜壓和真空熱處理方法制備了TiAl合金，制備工藝如圖6所示。其中，傳統(tǒng)離散制備方法（SHH）是在1533 K、160 MPa條件下熱等靜壓4 h，然后在1633 K和1553 K下分別進行0.5 h 和4 h 的 真空熱處理（如圖6（a）），集成連續(xù)制備方 法（IHH）是在1533 K、160 MPa條件下熱等靜壓結(jié)束后立即進行熱處理（如圖6（b））。

圖6 熱等靜壓法制備TiAl[22]

圖7是分別采用SHH和IHH制備TiAl材料的微觀組織，由圖7（a）和圖7（b）可以看出，傳統(tǒng)離散方法制備的TiAl材料具有微裂紋缺陷，導致材料力學性能較低；由圖7（c）和圖7（d）可以看出，使用集成連續(xù)方法制備TiAl材料組織結(jié) 構(gòu) 均勻，沒有明顯裂紋缺陷，明顯提高了材料的力學性能[22]。

圖7 采用SHH和IHH制備TiAl材料的微觀組織[22]

TiAl合金熱等靜壓工藝通過與不同生產(chǎn)工藝的結(jié)合能夠優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。但是熱等靜壓過程中，TiAl合金粉末和鋼制包套交界處會發(fā)生強烈互擴散行為，使合金基體內(nèi)孔隙率增高，構(gòu)件的表面質(zhì)量降低，還造成了局部尺寸的不確定性。同時，因制備工藝參數(shù)的影響，熱等靜壓件內(nèi)部可能存在組織缺陷，降低材料力學性能。因此，未來熱等靜壓工藝的研究應著重于控制TiAl合金粉末與包套的擴散反應，以及開展粉末熱等靜壓技術(shù)與材料制備工藝結(jié)合應用研究。

2.2 放電等離子（Spark Plasma Sintering，SPS）制備TiAl合金材料

放電等離子燒結(jié)是通過脈沖放電及瞬時高溫場實現(xiàn)材料致密化的快速燒結(jié)技術(shù)。與傳統(tǒng)的熱等靜壓技術(shù)（HIP）和熱壓燒結(jié)等方法相比，其升溫速度快、燒結(jié)時間短、制備成本低，并且能夠通過自調(diào)節(jié)機制提高材料的力學性能[23-24]。

目前，關(guān)于TiAl合金燒結(jié)的大部分研究主要集中在優(yōu)化SPS燒結(jié)溫度、燒結(jié)壓力、加熱速率、脈沖電流等工藝參數(shù)以及向合金粉末中添加增強相。楊鑫等[25]通過使用SPS技術(shù)分別在1150 ℃、1200 ℃和1250 ℃下進行燒結(jié)實驗，并且發(fā)現(xiàn)在燒結(jié)溫度在1200 ℃時可以制備出具有相對密度99.2%的致密燒結(jié)體，且燒結(jié)體顯微組織呈現(xiàn)均勻一致。宋曉艷等[26]通過SPS加壓實驗發(fā)現(xiàn)，隨著燒結(jié)壓力的增大，合金會產(chǎn)生塑性變形，并且孔隙中的空氣被大量排出，致密度大幅增加。但壓力超過一定值時，燒結(jié)體的致密度出現(xiàn)降低的情況。趙海峰等[27]通過實驗發(fā)現(xiàn)SPS特殊的脈沖電流能夠促進合金內(nèi)的物質(zhì)遷移，低溫快燒可以有效抑制晶粒的長大和促進合金組織均勻化。Martins等[28]發(fā)現(xiàn)通過SPS燒結(jié)制備TiAl合金時，燒結(jié)溫度高于1200 ℃后，表面TiC層的存在抑制了合金微觀結(jié)構(gòu)的蠕變應變速率，從而抑制了合金組織的均勻化。

陳鈺青等[29]在SPS燒結(jié)TiAl合金時，通過添加不同含量TiB2降低了合金快速致密化的起始溫度。如圖8所示，合金粉末在1200 ℃、40 MPa、10 min條件下燒結(jié)，當TiB2添加量為0.2%時，其顯微組織呈現(xiàn)較高均勻化且晶粒細小，合金室溫強度較高。但是，當TiB2含量增加至0.7%時，燒結(jié)體出現(xiàn)了明顯的裂紋。

圖8 不同TiB2含量γ-TiAl基合金粉末在1200℃燒結(jié)后截面形貌[29]（BSE）（10 min，40 MPa）

由上述研究可以看出，通過優(yōu)化燒結(jié)壓力、燒結(jié)溫度可以一定程度提高TiAl合金粉末燒結(jié)致密化。通過添加適量的第二相粉末也顯著改善合金性能，但含量過高會導致其發(fā)生組織轉(zhuǎn)變和晶粒粗化的現(xiàn)象，不利于合金性能的提高。

2.3 金屬粉末注射成形（Metal Powder Injection Molding，MIM）制備TiAl合金材料

金屬粉末注射成形是在加熱狀態(tài)下將混合粉末與有機黏結(jié)劑均勻混合并用注射成形機將其注入模腔內(nèi)冷凝成形，然后用化學溶解或熱分解的方法將成形坯中的黏結(jié)劑脫除，最后經(jīng)燒結(jié)致密化而獲得制品[30]。該工藝具有設(shè)計自由度大、成形能力好、材料性能優(yōu)良、制品表面光滑、適用材料廣泛及生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢[30-31]。

Kim等[32]通過MIM制備了相對密度為98.8%的Ti-48Al合金，由于原料粉末含氧量較高及黏結(jié)劑與TiAl基體之間的反應，導致合金室溫延展性較差。Gerling等[33]發(fā)現(xiàn)MIM制備TiAl合金時，合金明顯吸收了氧、碳、氮元素。與粉末顆粒相比，鑄態(tài)合金中氧元素含量增加了1000 μg/g，當合金材料中氧含量超過1600 μg/g時，會導致材料明顯脆性行為，以及殘留孔隙的嵌套現(xiàn)象。因此，MIM技術(shù)對于黏結(jié)劑的選取、燒結(jié)參數(shù)及其他元素含量的確定都有著較高的要求。并且，MIM工藝在脫脂和燒結(jié)過程中，合金極易產(chǎn)生缺陷，所以MIM制備TiAl合金的工藝還需要進一步改進[34]。

Zhang等[35]采用MIM工藝制備了成分為Ti-45Al-8.5Nb-0.2W-0.2B-0.02Y的高鈮TiAl合金零件，發(fā)現(xiàn)最佳燒結(jié)參數(shù)為溫度1480 ℃，保溫2 h。燒結(jié)溫度過高、時間過長都會造成合金性能缺陷。張晨銘等[36]將E型三元乙丙橡膠作為改性劑加入石蠟-油-聚丙烯黏結(jié)劑體系中，使得生坯抗沖擊能力提高，并且溶劑脫脂時間縮短至3 h，有效地改善了MIM工藝。

MIM技術(shù)制備TiAl合金材料存在主要問題包括：1）MIM技術(shù)需要大量的黏結(jié)劑，所需成本太高；2）大尺寸構(gòu)件注射成形所需要的時間增長，對黏結(jié)劑的流變特殊性能的要求較高[37-38]；3）MIM工藝存在原始合金粉末在原料制備、脫脂和燒結(jié)過程中會受到氧氣和黏合劑體系的污染等缺陷。因此，黏結(jié)劑的少量化、多樣性，脫脂途徑和材料的多樣化，黏結(jié)劑配方的改善都是目前MIM技術(shù)制備TiAl合金材料發(fā)展的方向[39]。

2.4 反應燒結(jié)制備TiAl合金材料

反應燒結(jié)工藝一般是指將合金元素粉末按一定比例進行混合均勻，待合金材料固結(jié)、成形之后再進行燒結(jié)的工藝方法。Wang等[40]提出Ti粉和Al粉反應燒結(jié)過程分為以下3個階段：

由上述公式可以看出，反應燒結(jié)制備TiAl合金過程中的重要階段是Ti粉和Al粉發(fā)生反應，該過程有TiAl3及TiAl2中間相的生成。Andrea等[41]闡述了Ti-Al系統(tǒng)中相的形成機制，在Al熔點的溫度下，Al粉和Ti粉的顆粒反應直接形成TiAl3相，并且由于其熱力學和動力學特征該相優(yōu)先形成，然后TiAl相與鈦發(fā)生反應生成Ti3Al 相，最終TiAl2與Ti3Al相反應生成TiAl。同時，發(fā)現(xiàn)更高溫度會改變反應機制，化學反應速率也會影響反應過程。

反應燒結(jié)制備的TiAl合金制件通常還需進行熱等靜壓加工，以消除殘留的孔洞，提高合金致密度[42-43]。該工藝的優(yōu)勢在于：1）燒成的制品尺寸幾乎不變化，避免后期精整工序；2）反應燒結(jié)速度快。反應燒結(jié)工藝存在的問題有：1）反應燒結(jié)易受環(huán)境因素影響，Ti、Al粉末在反應過程中若受到空氣中的O、N、H等元素的影響，則會出現(xiàn)體積膨脹現(xiàn)象，采用真空燒結(jié)或熱等靜壓處理，也難以使材料完全致密化；2）傳統(tǒng)冷擠壓變形方法無法細化Ti、Al組元尺寸，必須采用超高擠壓法，實際應用成本偏高。

改善反應燒結(jié)工藝可以提高材料性能。Wang等[40]通過利用冷擠壓-反應燒結(jié)工藝制備TiAl基合金，并且通過擠壓工序提高了Ti、Al元素粉末的純凈度，細化了粒徑尺寸，從而提高了所制備TiAl基合金材料的致密度。Sarkar等[44]通過添加不同的氧化物作為燒結(jié)助劑的反應燒結(jié)來預合成化學計量尖晶石，發(fā)現(xiàn)含有燒結(jié)助劑所制備的尖晶石致密度更高，并且TiO2作為燒結(jié)助劑時，材料致密度最好。Andrea等[41]通過在合金粉末中添加Si元素，并且在900 ℃下反應燒結(jié)30 min，制備出具有可減小孔隙率的Ti-Al-Si塊狀中間相，提高了合金的致密度，并且在反應燒結(jié)過程中通過感應加熱進一步降低了孔隙率。

熱等靜壓和反應燒結(jié)工藝都存在燒結(jié)體孔隙率高、致密度較低的現(xiàn)象。放電等離子燒結(jié)中的脈沖電壓工藝及金屬粉末注射成形工藝中黏結(jié)劑的存在都會對燒結(jié)體的致密度產(chǎn)生積極的影響。因此，與較為傳統(tǒng)的熱等靜壓及反應燒結(jié)工藝相比，放電等離子燒結(jié)和粉末注射成形工藝對于TiAl合金的制備更有利。

3 TiAl基合金性能改善方法

3.1 提高TiAl基合金高溫抗氧化性

TiAl基合金在空氣中僅在750～800 ℃內(nèi)能保持較高的高溫使用性能，一旦暴露到高溫環(huán)境中，則會迅速生成TiO2和Al2O3氧化物。隨著TiO2的氧化皮脫落會導致TiAl基合金的連續(xù)氧化行為，從而降低了合金的高溫使用性能和使用壽命。為了進一步提高TiAl基合金在高溫下的使用性能，向TiAl基合金中添加β相穩(wěn)定元素是一種行之有效的方法[45]。如表1所示，與傳統(tǒng)TiAl合金相比，高Nb-TiAl合金中Nb元素的添加大大改善了合金的性能，合金的屈服強度、韌性、使用溫度等方面都有著比較高的上限，其密度也明顯較高，從而提高了TiAl基合金應用范圍。

Banumathy等[48]將Ti-45Al-2Cr-7.5Nb-0.3B、Ti-45Al-2Cr-10Nb-0.3B與標準γ合金Ti-48Al-2Nb-2Cr在900 ℃環(huán)境下氧化200 h研究Nb元素含量對抗氧化行為的影響。發(fā)現(xiàn)Nb元素含量較高時，同時具有較高價態(tài)的Nb5+，從而使得合金中的氧元素擴散率降低，提高了合金的抗氧化性。陳國良等[49]通過實驗對比了高Nb-TiAl合金和普通TiAl合金在經(jīng)過1050 ℃下暴露30 h后，并且保溫在900 ℃下合金的屈服強度及微觀組織變化。如圖9所示，普通TiAl合金晶界區(qū)域粗化現(xiàn)象嚴重，而高Nb-TiAl合金的組織穩(wěn)定，且高Nb-TiAl合金屈服強度要明顯比普通TiAl合金高。Varma等[50]認為Nb元素可以提高Al元素的熱力學活性，促進Al2O3膜優(yōu)先生成，從而改善了TiAl合金的抗氧化能力。Rakowski等[51]認為Nb元素的加入促進了合金的氧化膜與基體界面處生成TiN化合物，阻礙了Ti和O元素的擴散，抑制了合金的氧化，使得高Nb-TiAl合金抗氧化性明顯比高于普通TiAl合金。然而，Wei等[52-53]研究認為Nb元素的添加，使得合金的氧化膜與基體界面處發(fā)生Nb相聚集，延緩了Al2O3、TiO2的生成，從而改善了高Nb-TiAl合金抗氧化性能。

圖9 TiAl合金高溫屈服強度[49]

此外，研究表明添加其他β相穩(wěn)定元素也可改善合金的高溫氧化行為。Li等[54]研究了在900 ℃等溫環(huán)境中用P元素進行晶粒細化來改善高Nb-TiAl合金氧化行為，發(fā)現(xiàn)添加P元素增強了氧化皮的抗剝落性，從而提高了Ti45Al8Nb合金的高溫抗氧化性。Pan等[55]通過在900 ℃空氣中對TiAl-Co合金進行100 h的高溫氧化測試來探究添加Co元素對TiAl合金高溫抗氧化性的影響，發(fā)現(xiàn)添加Co可以增強TiAl合金中氧化皮的抗剝落能力，提高TiAl合金的高溫抗氧化性。Pan等[56]還研究了將Sn元素加入到合金中高溫氧化行為，發(fā)現(xiàn)Sn元素的添加會形成Ti3Sn層對氧氣的進入有抑制作用，顯著提高了TiAl合金的高溫抗氧化性。Jiang等[57]發(fā)現(xiàn)當合金中Si元素含量大于3%時，合金氧化后會在Ti5Si3相上形成TiO2，但隨著Nb元素的增加會抑制合金上Ti5Si3相和Ti5Si3相上形成的TiO2的生成，從而提高TiAl基合金的抗氧化能力。

Nb等β相穩(wěn)定能夠抑制合金氧化膜的形成和氧化皮脫落速度，從而提高合金的抗氧化能力。將不同種類的β相穩(wěn)定元素按照合適的比例加入合金中，對合金的性能也有著非常顯著的改善效果。所以，在高Nb-TiAl的基礎(chǔ)上添加其他β相穩(wěn)定元素來進一步改善合金性能是未來改善TiAl基合金抗氧化性的主要發(fā)展方向之一。

近年來，含Ti2AlC相的TiAl基合金復合材料被研究人員逐漸開發(fā)，含Ti2AlC的TiAl基復合材料因其密度更低、熱膨脹系數(shù)相近等優(yōu)異性能，被視為增強TiAl基合金性能的一種很有發(fā)展?jié)摿Φ脑鰪姴牧?。Ti2AlC相的層狀晶體結(jié)構(gòu)是由強Ti-C鍵和弱Al-Ti鍵構(gòu)成，因此該相同時具有高剛度、低熱膨脹的優(yōu)異陶瓷性能和表現(xiàn)為良好可塑性的優(yōu)秀金屬性能。因此Ti2AlC相已成為目前改善TiAl基合金的性能最具發(fā)展?jié)摿Φ脑鰪姴牧稀?/p>

Wang等[58]采用SPS燒結(jié)工藝制備Ti2AlC/TiAl復合材料后，通過在850 ℃氧化6000 min后發(fā)現(xiàn)，含有Ti2AlC顆粒的TiAl基合金復合材料比普通TiAl合金抗氧化性顯著提高。并且后續(xù)分析正是Ti2AlC顆粒抑制了O原子的擴散，使氧化層變薄，降低氧化速率。Ma等[59]同樣通過放電等離子燒結(jié)，控制燒結(jié)TiAl合金時石墨烯的添加量來使反應過程中α2-Ti3Al與γ-TiAl的界面處析出微納米Ti2AlC相，成功利用Ti2AlC相來增強TiAl復合材料。Liu等[60]通過火花等離子體燒結(jié)制備了具有完全層狀微觀結(jié)構(gòu)和均勻分散的Ti2AlC納米沉淀物的TiAl納米復合材料。通過后續(xù)試驗發(fā)現(xiàn)原位Ti2AlC沉淀物及其周圍基質(zhì)之間的半同界面在等溫氧化過程中充當氧擴散屏障，從而提高了TiAl基合金的抗氧化性。同時，由于在半同界面上的釘扎效應和納米級的TiCr2沉淀，使得TiAl納米復合材料的使用溫度提高了50 ℃。圖10為復合材料與TiAl合金經(jīng)過10 h、850 ℃的等溫氧化測試后的橫截面微觀組織。由圖可以看出，TiAl合金中的氧化物與基體界面處存在許多氣孔，其可以充當氧擴散通道并促進氧化反應。而在復合材料中，基體下方的氧化物層整體致密。由此看出TiAl合金復合材料的抗氧化性明顯高于普通TiAl合金。

圖10 樣品的橫截面SEM顯微照片[60]

3.2 改善TiAl基合金室溫脆性

TiAl合金本身的脆性及較差的室溫塑性變形能力制約著TiAl基合金的使用，在室溫下的難加工性阻礙著TiAl基合金的應用。影響TiAl合金室溫脆性的因素有[61]：1）室溫下位錯運動；2）合金內(nèi)部的原子尺寸和鍵合強度；3）晶界上雜質(zhì)偏聚；4）孿晶變形程度。

目前有效改善TiAl合金室溫脆性的方法主要有：1）合金化、微合金化；2）改善加工環(huán)境（降低環(huán)境中氫、氧等元素對合金的影響）。

Hu等[6]研究發(fā)現(xiàn)B元素添加到TiAl基合金中能夠有效地細化鍛造和鑄造材料晶粒尺寸，當合金內(nèi)部形成晶粒細小且分散的TiB2沉積物時，TiAl合金的室溫塑性有著明顯的提高。Kim等[62-63]通過研究TiAl基合金單、雙相的性能，發(fā)現(xiàn)單相TiAl合金具有良好的抵抗環(huán)境脆性的能力，但是其塑性和韌性比雙相合金低。Oh等[64]通過研究多晶組織發(fā)現(xiàn)多晶樣品的延伸率在空氣中約為2%，而在真空中為5%。在真空中拉伸，即使應變速率為0.002 /s，延伸率也高達56%，而在空氣中拉伸延伸率只有真空中的1/3，表明環(huán)境脆性對合金的拉伸性能有著很大的影響。Xu等[65]通過實驗發(fā)現(xiàn)向高Nb-TiAl合金中注入V元素可以有效改善TiAl合金的脆性。Li等[66]利用熱等靜壓燒結(jié)工藝，加工出一種新型TiAl/WC 納米復合材料。通過控制納米WC在TiAl中的含量調(diào)整晶粒結(jié)構(gòu)及晶粒尺寸，該新型復合材料具有較高的強度和延展性。Tan等[67]通過電弧熔煉制備工藝獲得了含有不同含量SiC的TiAl/SiC復合材料，探究表明當SiC含量達0.5%時，合金的壓縮應變顯著提高，室溫塑性得到改善。Liu等[68]以Ti、Al和石墨烯片狀粉末為原料，通過SPS燒結(jié)與熱處理工藝制備出具有微納層狀結(jié)構(gòu)的TiAlC/TiAl復合材料。并且通過后續(xù)的測試發(fā)現(xiàn)該材料在室溫下的延展性達到了25.5%，顯著改善了TiAl基合金的室溫脆性。

采用傳統(tǒng)工藝改善材料本身性能（引入增強相、改善加工環(huán)境）的方案雖然有效，但是其工藝所帶來的副作用也不容忽視，例如合金本身的高強度等性質(zhì)受到影響及加工實施的難度高等問題。近年來興起的Ti2AlC/TiAl及其它陶瓷材料與TiAl合金復合材料開發(fā)，不僅提高了TiAl基合金的抗氧化性、室溫可塑性，對于TiAl合金復合材料的顯微硬度、抗壓強度、彎曲強度、斷裂韌性都有著顯著的改善，因而獲得了廣泛的關(guān)注，有著很大的研究空間。

4 結(jié)論

TiAl合金作為一種輕質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)材料，具有高熔點、低密度、高彈性模量、良好的高溫強度、較強的阻燃能力和高溫使用性能等優(yōu)勢。隨著對TiAl合金性能的不斷探索與改善，TiAl合金在抗氧化性、室溫可塑性、力學性能等方面都有著顯著提升。其目前廣泛應用于航天發(fā)動機葉片、輪盤、機身，以及汽車發(fā)動機等領(lǐng)域，顯著減輕了零部件的質(zhì)量，實現(xiàn)了節(jié)能、減排的顯著效果。粉末冶金工藝制備TiAl合金能夠控制合金成分、獲得均勻細小的組織，從而避免疏松和成分偏析等鑄造缺陷，現(xiàn)已成為TiAl合金成形技術(shù)的重要研究方向。目前，通過提高工藝水平改善了TiAl合金的性能，并且TiAl合金復合材料的開發(fā)，提高了TiAl基合金的力學性能，改善了其抗抗氧化性及室溫脆性，拓寬了TiAl基合金的應用。但是在制備合金過程中也存在產(chǎn)生雜質(zhì)、生產(chǎn)成本高等問題。同時，TiAl合金仍然存在難加工性，這給TiAl合金的實際生產(chǎn)與應用提出難題。因此，提高成形工藝穩(wěn)定性、減少成形過程中雜質(zhì)的引入、開發(fā)TiAl基合金復合材料、改善合金成形過程中的缺陷都將成為未來TiAl合金開發(fā)的重要研究方向。