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随着高超声速飞行器飞行速度的不断提高，航空航天领域对轻质、高强、耐高温合金材料的需求越来越迫切。目前可用的材料有高温钛合金，如TA15或Ti65、镍基高温合金、TiAl和Ti3Al金属间化合物等。Ti2AlNb合金是Ti3Al系列金属间化合物中新发展的轻质、耐高温结构材料，可在650～750℃下长期使用，短期可在1000℃以上使用。其使用温度比Ti65等高温钛合金高100℃以上，密度远低于高温合金，其室温塑性、高温比强度、断裂韧性、抗蠕变等综合力学性能远优于TiAl和Ti3Al合金。
Ti2AlNb合金通常被称为正交（O）相合金，由Banerjee等人于1988年发现，该O相具有更多的滑移系，因此具有更好的延展性。此外，O相还表现出更好的力学性能，如高的强度重量比、断裂韧性、抗氧化性和成形性，该合金的热处理会产生五种主要微观结构，包括完全B2和α2+B2、层状、双峰层状、等轴和双相O相微观结构。其优异性能几乎成为高超声速飞行器高温结构材料 选择,受到了国内外学者的广泛关注和深入研究。
Ti2AlNb合金相关研究
RELATED RESEARCH
01
SLM制备Ti2AlNb及其热处理组织与力学性能的关系
Ti2AlNb金属间化合物由于具有较高的比强度和高温下高的抗蠕变性，在航空航天工业中有着很好的应用前景，该材料的选择性激光熔化(SLM) 技术近年来兴起。有实验通过SLM工艺制备Ti2AlNb合金，研究了不同热处理后板条、针状和晶界(GB)析出物的特征，建立了固溶热处理(SHT)温度与时效处理(AT)前后析出物尺寸和体积分数的关系。对SLM和热处理后的金属间化合物进行了高温拉伸试验，提出了微观结构与力学性能之间的关系，合理化了高温下抗拉强度和伸长率的变化。实验结果表明，SLM处理后的试样以B2相为主，具有良好的室温延展性，但在650℃时，沿晶界的连续析出使拉伸强度和延展性降低。SHT（920℃）+AT后，由于大尺寸板条O+α2相的析出，650℃下的 伸长率（El）显著增加。SHT（1000℃）+AT后，由于针状O相的析出，650℃下拉伸试验的 极限拉伸强度（UTS）增加到820MPa。
也有研究采用选择性激光熔化技术原位合成了Ti-22Al-25Nb合金。数据显示制备的合金显微硬度为358.1±5.8HV0.5，SLM生产的Ti-22Al-25Nb材料退火后由B2晶粒、Ti2AlNb和Ti3Al沉淀物组成，块体材料中元素分布均匀。
图片SLM制备TiAlNb合金显微组织扫描电镜
02
电弧增材制造原位制备Ti2AlNb合金
电弧增材制造技术因沉积效率高、成本低、材料利用率大以及可灵活制造大型结构件等优点，在船舶、航空、汽车等许多工程领域引起了人们的极大关注并显示出很好的应用前景，有研究采用电弧增材制造（WAAM）技术原位制备Ti2AlNb合金，并对沉积成分进行了系统的研究。结果表明：沉积物平均测试值与设计值之间的成分误差在1.1%以内，但存在成分和组织局部偏析。偏析现象恶化了其力学性能，室温和高温（650℃）下的极限拉伸性能和伸长率平均分别为504±38.59MPa、0.41±0.03%和375±32.60MPa、0.76±0.05%。同时，制备的合金呈现完全层状结构，XRD结果表明Ti2AlNb合金的基本组成相B2、O和α2成功出现。由于本工作展示的原位制造方法具有低成本和高灵活性优势，有望显著促进AM的广泛应用。
03 通过热等静压工艺制备Ti2AlNb合金
Ti2AlNb合金在高温下具有更高的比强度，曾被视为在燃气涡轮发动机应用中取代GH4169等高温合金的候选材料。尽管Ti2AlNb合金具有很强的抗变形能力，但其典型的成形工艺是锻造或轧制，锭材热机械加工引起的不均匀微观结构会导致Ti2AlNb合金的力学性能发生大幅波动。粉末冶金(PM)为解决大型铸锭生产中的许多问题提供了潜力，例如中心线孔隙度、化学不均匀性和热机械加工组织的遗传现象等。
通过优化热等静压及热处理方案，粉末冶金热等静压Ti2AlNb合金可获得均匀的组织和均衡的综合性能。研究发现：气雾化工艺可制备洁净的预合金Ti2AlNb粉末，通过热等静压工艺可获得均匀的化学成分和组织；热等静压温度影响粉末冶金Ti2AlNb合金中孔隙的体积密度和分布。结果表明：热等静压温度影响粉末冶金Ti2AlNb合金的孔隙率分布和力学性能。经过不同的后热处理后，粉末冶金Ti2AlNb合金的组织和力学性能发生了明显变化，通过优化热处理工艺获得了良好的拉伸强度、延展性和断裂寿命的结合。
04 热包轧制SPS制备的Ti2AlNb合金
放电等离子烧结（SPS）技术具有升温速度快、烧结密度高的优点，研究人员以预合金Ti-20.3Al-24.7Nb粉末为原料，采用SPS工艺制备压坯，烧结温度为1060℃，压力为50MPa，压坯微观结构均匀，有利于高温轧制，有可能获得高强度的板材。烧结后，将压坯切割成尺寸为28mm×28mm×3mm的小块，然后将它们密封在304不锈钢袋中。轧制时采用双辊非对称热轧机，轧制温度采用3个阶段，分别为850℃（O+B2相区）、950℃（α2+O+B2三相区）和1030℃（单一B2相区）。而后对Ti2AlNb板材在无事 行热处理时的不同温度下进行高温力学性能测试，可以得出以下结论：（1）Ti2AlNb板材在试验前即使不进行热处理也具有良好的高温强度，说明通过轧制放电等离子烧结来制备Ti2AlNb板材具有很大的潜力。（2）对于在单一B2相区轧制的板材，抗拉强度在650℃时达到 值931.4MPa。升高试验温度显著降低板材的抗拉强度。在单一B2相区轧制的板材由于晶界结合力较弱，容易在晶界处断裂。（3）在O+B2相区轧制的板材由于延展性好，抗拉强度低，板材的伸长率为83.2%，但抗拉强度较低，在650℃时仅为477.4MPa。板材表现出穿晶断裂模式，断裂后晶界处的空洞演变为大孔隙。（4）在α2+O+B2相区轧制的板材具有良好的高温拉伸性能，650℃时的拉伸强度高达956.6MPa，拉伸强度随温度的升高而降低。
图片 不同温度下在α2+O+B2相场中轧制的Ti2AlNb板材的力学性能：(a) 拉伸性能；(b) 应力-应变曲线。
- CONCLUSION -
结 语
随着新一代航空发动机对高推重比、高可靠性、低耗油率和低成本要求的不断提高，对航空材料提出了更高的性能要求，具有优异综合力学性能的Ti2AlNb合金，成为研究的热点。因其合金成分-工艺-组织-性能之间的关系研究还不够系统和全面，仍有许多问题需加深理解，需进一步从合金成分设计、热机械加工工艺-组织演变、组织-性能响应关系等方面深入研究，使合金制备技术和力学性能不断提高，未来可能会在 航空发动机上得到广泛应用，以推进我国航空领域技术的发展。
【参考文献】
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