Ti2AlNb合金的研究進展
隨着高超聲速飛行器飛行速度的不斷提高，航空航天領域對輕質、高強、耐高溫合金材料的需求越來越迫切。目前可用的材料有高溫鈦合金，如TA15或Ti65、鎳基高溫合金、TiAl和Ti3Al金屬間化合物等。Ti2AlNb合金是Ti3Al系列金屬間化合物中新發展的輕質、耐高溫結構材料，可在650～750℃下長期使用，短期可在1000℃以上使用。其使用溫度比Ti65等高溫鈦合金高100℃以上，密度遠低於高溫合金，其室溫塑性、高溫比強度、斷裂韌性、抗蠕變等綜合力學性能遠優于TiAl和Ti3Al合金。
Ti2AlNb合金通常被稱為正交（O）相合金，由Banerjee等人于1988年發現，該O相具有更多的滑移系，因此具有更好的延展性。此外，O相還表現出更好的力學性能，如高的強度重量比、斷裂韌性、抗氧化性和成形性，該合金的熱處理會產生五種主要微觀結構，包括完全B2和α2+B2、層狀、雙峰層狀、等軸和雙相O相微觀結構。其優異性能幾乎成為高超聲速飛行器高溫結構材料 選擇,受到了國內外學者的廣氾關注和深入研究。
Ti2AlNb合金相關研究
RELATED RESEARCH
01
SLM制備Ti2AlNb及其熱處理組織與力學性能的關係
Ti2AlNb金屬間化合物由於具有較高的比強度和高溫下高的抗蠕變性，在航空航天工業中有着很好的應用前景，該材料的選擇性激光熔化(SLM) 技術近年來興起。有實驗通過SLM工藝制備Ti2AlNb合金，研究了不同熱處理后板條、針狀和晶界(GB)析出物的特征，建立了固溶熱處理(SHT)溫度與時效處理(AT)前後析出物尺寸和體積分數的關係。對SLM和熱處理后的金屬間化合物進行了高溫拉伸試驗，提出了微觀結構與力學性能之間的關係，合理化了高溫下抗拉強度和伸長率的變化。實驗結果表明，SLM處理后的試樣以B2相為主，具有良好的室溫延展性，但在650℃時，沿晶界的連續析出使拉伸強度和延展性降低。SHT（920℃）+AT后，由於大尺寸板條O+α2相的析出，650℃下的 伸長率（El）顯著增加。SHT（1000℃）+AT后，由於針狀O相的析出，650℃下拉伸試驗的 極限拉伸強度（UTS）增加到820MPa。
也有研究採用選擇性激光熔化技術原位合成了Ti-22Al-25Nb合金。數據顯示制備的合金顯微硬度為358.1±5.8HV0.5，SLM生產的Ti-22Al-25Nb材料退火后由B2晶粒、Ti2AlNb和Ti3Al沉澱物組成，塊體材料中元素分布均勻。
圖片SLM制備TiAlNb合金顯微組織掃描電鏡
02
電弧增材製造原位制備Ti2AlNb合金
電弧增材製造技術因沉積效率高、成本低、材料利用率大以及可靈活製造大型結構件等優點，在船舶、航空、汽車等許多工程領域引起了人們的極大關注並顯示出很好的應用前景，有研究採用電弧增材製造（WAAM）技術原位制備Ti2AlNb合金，並對沉積成分進行了系統的研究。結果表明：沉積物平均測試值與設計值之間的成分誤差在1.1%以內，但存在成分和組織局部偏析。偏析現象惡化了其力學性能，室溫和高溫（650℃）下的極限拉伸性能和伸長率平均分別為504±38.59MPa、0.41±0.03%和375±32.60MPa、0.76±0.05%。同時，制備的合金呈現完全層狀結構，XRD結果表明Ti2AlNb合金的基本組成相B2、O和α2成功出現。由於本工作展示的原位製造方法具有低成本和高靈活性優勢，有望顯著促進AM的廣氾應用。
03 通過熱等靜壓工藝制備Ti2AlNb合金
Ti2AlNb合金在高溫下具有更高的比強度，曾被視為在燃氣渦輪發動機應用中取代GH4169等高溫合金的候選材料。儘管Ti2AlNb合金具有很強的抗變形能力，但其典型的成形工藝是鍛造或軋制，錠材熱機械加工引起的不均勻微觀結構會導致Ti2AlNb合金的力學性能發生大幅波動。粉末冶金(PM)為解決大型鑄錠生產中的許多問題提供了潛力，例如中心線孔隙度、化學不均勻性和熱機械加工組織的遺傳現象等。
通過優化熱等靜壓及熱處理方案，粉末冶金熱等靜壓Ti2AlNb合金可獲得均勻的組織和均衡的綜合性能。研究發現：氣霧化工藝可制備潔淨的預合金Ti2AlNb粉末，通過熱等靜壓工藝可獲得均勻的化學成分和組織；熱等靜壓溫度影響粉末冶金Ti2AlNb合金中孔隙的體積密度和分布。結果表明：熱等靜壓溫度影響粉末冶金Ti2AlNb合金的孔隙率分布和力學性能。經過不同的后熱處理后，粉末冶金Ti2AlNb合金的組織和力學性能發生了明顯變化，通過優化熱處理工藝獲得了良好的拉伸強度、延展性和斷裂壽命的結合。
04 熱包軋制SPS制備的Ti2AlNb合金
放電等離子燒結（SPS）技術具有升溫速度快、燒結密度高的優點，研究人員以預合金Ti-20.3Al-24.7Nb粉末為原料，採用SPS工藝制備壓坯，燒結溫度為1060℃，壓力為50MPa，壓坯微觀結構均勻，有利於高溫軋制，有可能獲得高強度的板材。燒結后，將壓坯切割成尺寸為28mm×28mm×3mm的小塊，然後將它們密封在304不鏽鋼袋中。軋制時採用雙輥非對稱熱軋機，軋制溫度採用3個階段，分別為850℃（O+B2相區）、950℃（α2+O+B2三相區）和1030℃（單一B2相區）。而後對Ti2AlNb板材在無事 行熱處理時的不同溫度下進行高溫力學性能測試，可以得出以下結論：（1）Ti2AlNb板材在試驗前即使不進行熱處理也具有良好的高溫強度，說明通過軋制放電等離子燒結來制備Ti2AlNb板材具有很大的潛力。（2）對於在單一B2相區軋制的板材，抗拉強度在650℃時達到 值931.4MPa。升高試驗溫度顯著降低板材的抗拉強度。在單一B2相區軋制的板材由於晶界結合力較弱，容易在晶界處斷裂。（3）在O+B2相區軋制的板材由於延展性好，抗拉強度低，板材的伸長率為83.2%，但抗拉強度較低，在650℃時僅為477.4MPa。板材表現出穿晶斷裂模式，斷裂后晶界處的空洞演變為大孔隙。（4）在α2+O+B2相區軋制的板材具有良好的高溫拉伸性能，650℃時的拉伸強度高達956.6MPa，拉伸強度隨溫度的升高而降低。
圖片 不同溫度下在α2+O+B2相場中軋制的Ti2AlNb板材的力學性能：(a) 拉伸性能；(b) 應力-應變曲線。
- CONCLUSION -
結 語
隨着新一代航空發動機對高推重比、高可靠性、低耗油率和低成本要求的不斷提高，對航空材料提出了更高的性能要求，具有優異綜合力學性能的Ti2AlNb合金，成為研究的熱點。因其合金成分-工藝-組織-性能之間的關係研究還不夠系統和全面，仍有許多問題需加深理解，需進一步從合金成分設計、熱機械加工工藝-組織演變、組織-性能響應關係等方面深入研究，使合金制備技術和力學性能不斷提高，未來可能會在 航空發動機上得到廣氾應用，以推進我國航空領域技術的發展。
【參考文獻】
[1] 劉石雙,曹京霞,周毅,等.Ti_(2)AlNb合金研究與展望[J].中國有色金屬學報, 2021, 31(11):3106-3126.DOI:10.11817/j.ysxb.1004.0609.2021-42420.
[2] Yang, Xiuxuan, et al. "Correlation of microstructure and mechanical properties of Ti2AlNb manufactured by SLM and heat treatment." Intermetallics 139 (2021): 107367.
[3] Niu, Tao, et al. "Microstructure and mechanical properties of Ti-Ti2AlNb interface." Composites and Advanced Materials 30 (2021): 2633366X20929713.
[4] Goyal, Kushagra, and Neha Sardana. "Phase stability and microstructural evolution of Ti2AlNb alloys-a review." Materials Today: Proceedings 41 (2021): 951-968.
[5] Grigoriev, Alexey, et al. "In-situ synthesis of Ti2AlNb-based intermetallic alloy by selective laser melting." Journal of Alloys and Compounds 704 (2017): 434-442.
[6] Li, Zixiang, et al. "In-situ fabrication of Ti2AlNb-based alloy through double-wire arc additive manufacturing." Journal of Alloys and Compounds 876 (2021): 160021.
[7] Wu, Jie, et al. "Microstructure design and heat response of powder metallurgy Ti2AlNb alloys." Journal of Materials Science & Technology 31.12 (2015): 1251-1257.
[8] Sui, Xiaochong, et al. "Hot pack rolling the Ti2AlNb alloy prepared by SPS: Testing of the high-temperature properties of the alloy directly without the prior heat treatment." Journal of Materials Research and Technology 30 (2024): 7635-7643.
Ti2AlNb合金通常被稱為正交（O）相合金，由Banerjee等人于1988年發現，該O相具有更多的滑移系，因此具有更好的延展性。此外，O相還表現出更好的力學性能，如高的強度重量比、斷裂韌性、抗氧化性和成形性，該合金的熱處理會產生五種主要微觀結構，包括完全B2和α2+B2、層狀、雙峰層狀、等軸和雙相O相微觀結構。其優異性能幾乎成為高超聲速飛行器高溫結構材料 選擇,受到了國內外學者的廣氾關注和深入研究。
Ti2AlNb合金相關研究
RELATED RESEARCH
01
SLM制備Ti2AlNb及其熱處理組織與力學性能的關係
Ti2AlNb金屬間化合物由於具有較高的比強度和高溫下高的抗蠕變性，在航空航天工業中有着很好的應用前景，該材料的選擇性激光熔化(SLM) 技術近年來興起。有實驗通過SLM工藝制備Ti2AlNb合金，研究了不同熱處理后板條、針狀和晶界(GB)析出物的特征，建立了固溶熱處理(SHT)溫度與時效處理(AT)前後析出物尺寸和體積分數的關係。對SLM和熱處理后的金屬間化合物進行了高溫拉伸試驗，提出了微觀結構與力學性能之間的關係，合理化了高溫下抗拉強度和伸長率的變化。實驗結果表明，SLM處理后的試樣以B2相為主，具有良好的室溫延展性，但在650℃時，沿晶界的連續析出使拉伸強度和延展性降低。SHT（920℃）+AT后，由於大尺寸板條O+α2相的析出，650℃下的 伸長率（El）顯著增加。SHT（1000℃）+AT后，由於針狀O相的析出，650℃下拉伸試驗的 極限拉伸強度（UTS）增加到820MPa。
也有研究採用選擇性激光熔化技術原位合成了Ti-22Al-25Nb合金。數據顯示制備的合金顯微硬度為358.1±5.8HV0.5，SLM生產的Ti-22Al-25Nb材料退火后由B2晶粒、Ti2AlNb和Ti3Al沉澱物組成，塊體材料中元素分布均勻。
圖片SLM制備TiAlNb合金顯微組織掃描電鏡
02
電弧增材製造原位制備Ti2AlNb合金
電弧增材製造技術因沉積效率高、成本低、材料利用率大以及可靈活製造大型結構件等優點，在船舶、航空、汽車等許多工程領域引起了人們的極大關注並顯示出很好的應用前景，有研究採用電弧增材製造（WAAM）技術原位制備Ti2AlNb合金，並對沉積成分進行了系統的研究。結果表明：沉積物平均測試值與設計值之間的成分誤差在1.1%以內，但存在成分和組織局部偏析。偏析現象惡化了其力學性能，室溫和高溫（650℃）下的極限拉伸性能和伸長率平均分別為504±38.59MPa、0.41±0.03%和375±32.60MPa、0.76±0.05%。同時，制備的合金呈現完全層狀結構，XRD結果表明Ti2AlNb合金的基本組成相B2、O和α2成功出現。由於本工作展示的原位製造方法具有低成本和高靈活性優勢，有望顯著促進AM的廣氾應用。
03 通過熱等靜壓工藝制備Ti2AlNb合金
Ti2AlNb合金在高溫下具有更高的比強度，曾被視為在燃氣渦輪發動機應用中取代GH4169等高溫合金的候選材料。儘管Ti2AlNb合金具有很強的抗變形能力，但其典型的成形工藝是鍛造或軋制，錠材熱機械加工引起的不均勻微觀結構會導致Ti2AlNb合金的力學性能發生大幅波動。粉末冶金(PM)為解決大型鑄錠生產中的許多問題提供了潛力，例如中心線孔隙度、化學不均勻性和熱機械加工組織的遺傳現象等。
通過優化熱等靜壓及熱處理方案，粉末冶金熱等靜壓Ti2AlNb合金可獲得均勻的組織和均衡的綜合性能。研究發現：氣霧化工藝可制備潔淨的預合金Ti2AlNb粉末，通過熱等靜壓工藝可獲得均勻的化學成分和組織；熱等靜壓溫度影響粉末冶金Ti2AlNb合金中孔隙的體積密度和分布。結果表明：熱等靜壓溫度影響粉末冶金Ti2AlNb合金的孔隙率分布和力學性能。經過不同的后熱處理后，粉末冶金Ti2AlNb合金的組織和力學性能發生了明顯變化，通過優化熱處理工藝獲得了良好的拉伸強度、延展性和斷裂壽命的結合。
04 熱包軋制SPS制備的Ti2AlNb合金
放電等離子燒結（SPS）技術具有升溫速度快、燒結密度高的優點，研究人員以預合金Ti-20.3Al-24.7Nb粉末為原料，採用SPS工藝制備壓坯，燒結溫度為1060℃，壓力為50MPa，壓坯微觀結構均勻，有利於高溫軋制，有可能獲得高強度的板材。燒結后，將壓坯切割成尺寸為28mm×28mm×3mm的小塊，然後將它們密封在304不鏽鋼袋中。軋制時採用雙輥非對稱熱軋機，軋制溫度採用3個階段，分別為850℃（O+B2相區）、950℃（α2+O+B2三相區）和1030℃（單一B2相區）。而後對Ti2AlNb板材在無事 行熱處理時的不同溫度下進行高溫力學性能測試，可以得出以下結論：（1）Ti2AlNb板材在試驗前即使不進行熱處理也具有良好的高溫強度，說明通過軋制放電等離子燒結來制備Ti2AlNb板材具有很大的潛力。（2）對於在單一B2相區軋制的板材，抗拉強度在650℃時達到 值931.4MPa。升高試驗溫度顯著降低板材的抗拉強度。在單一B2相區軋制的板材由於晶界結合力較弱，容易在晶界處斷裂。（3）在O+B2相區軋制的板材由於延展性好，抗拉強度低，板材的伸長率為83.2%，但抗拉強度較低，在650℃時僅為477.4MPa。板材表現出穿晶斷裂模式，斷裂后晶界處的空洞演變為大孔隙。（4）在α2+O+B2相區軋制的板材具有良好的高溫拉伸性能，650℃時的拉伸強度高達956.6MPa，拉伸強度隨溫度的升高而降低。
圖片 不同溫度下在α2+O+B2相場中軋制的Ti2AlNb板材的力學性能：(a) 拉伸性能；(b) 應力-應變曲線。
- CONCLUSION -
結 語
隨着新一代航空發動機對高推重比、高可靠性、低耗油率和低成本要求的不斷提高，對航空材料提出了更高的性能要求，具有優異綜合力學性能的Ti2AlNb合金，成為研究的熱點。因其合金成分-工藝-組織-性能之間的關係研究還不夠系統和全面，仍有許多問題需加深理解，需進一步從合金成分設計、熱機械加工工藝-組織演變、組織-性能響應關係等方面深入研究，使合金制備技術和力學性能不斷提高，未來可能會在 航空發動機上得到廣氾應用，以推進我國航空領域技術的發展。
【參考文獻】
[1] 劉石雙,曹京霞,周毅,等.Ti_(2)AlNb合金研究與展望[J].中國有色金屬學報, 2021, 31(11):3106-3126.DOI:10.11817/j.ysxb.1004.0609.2021-42420.
[2] Yang, Xiuxuan, et al. "Correlation of microstructure and mechanical properties of Ti2AlNb manufactured by SLM and heat treatment." Intermetallics 139 (2021): 107367.
[3] Niu, Tao, et al. "Microstructure and mechanical properties of Ti-Ti2AlNb interface." Composites and Advanced Materials 30 (2021): 2633366X20929713.
[4] Goyal, Kushagra, and Neha Sardana. "Phase stability and microstructural evolution of Ti2AlNb alloys-a review." Materials Today: Proceedings 41 (2021): 951-968.
[5] Grigoriev, Alexey, et al. "In-situ synthesis of Ti2AlNb-based intermetallic alloy by selective laser melting." Journal of Alloys and Compounds 704 (2017): 434-442.
[6] Li, Zixiang, et al. "In-situ fabrication of Ti2AlNb-based alloy through double-wire arc additive manufacturing." Journal of Alloys and Compounds 876 (2021): 160021.
[7] Wu, Jie, et al. "Microstructure design and heat response of powder metallurgy Ti2AlNb alloys." Journal of Materials Science & Technology 31.12 (2015): 1251-1257.
[8] Sui, Xiaochong, et al. "Hot pack rolling the Ti2AlNb alloy prepared by SPS: Testing of the high-temperature properties of the alloy directly without the prior heat treatment." Journal of Materials Research and Technology 30 (2024): 7635-7643.
