1、项目名称： 轻质高温 TiAl 金属间化合物合金及其制备加工的科学技术基础首席科学家： 林均品 北京科技大学起止年限： 2011.1 至 2015.8依托部门： 教育部二、预期目标1 总体目标：获得新型轻质高温 TiAl 合金及其制备与加工技术基础，促进其产业化和应用，满足国家经济和社会发 展对轻质高温材料的重大需求。即采用低密度的新型高温材料替代现有的高温合金，以降低重量；另一方面采用新型轻质高温材料可以大幅度降低燃料消耗。发 展新型轻质高温材料可以大幅度提升我国民用工业和航空航天等工业的水平，有效减少能源消耗、实现 社会可持续发展。在高温 TiAl 合金设计理论基础及强韧化机制、高温 Ti
2、Al 合金凝固过程组织及缺陷的调控机制、高温 TiAl 合金粉末冶金制备过程的流变塑变理论、针对金属间化合物特性建立性能表征方法和评价体系研究上获得突破。在此基础上，发展和形成高温 TiAl 合金材料制备与成形加工整套技术的科学基础，主要包括：高温 TiAl 合金不同使用条件下材料成分和组织优化，高洁净度铸锭的制备新熔炼技术基础、铸锭的热加工新技术、部件熔模精密铸造特殊技术、冷坩 埚定向凝固新技术 、高性能粉末冶金板材的新技术。同 时制备出各种全尺寸样件， 为进一步向部件性能测试试验发展打下基础。以铸造叶片为重点，突破从小试样到批量生产的瓶颈关键技术基础。针对铸造、热变形和粉末冶金三类加工技术
3、发展的高温 TiAl 合金的材料成分范围为：Ti-（44-46）Al - （6-9）Nb-（0 -2.5）W, B, Y, Mn （这些元素都是微量元素，只有 Mn 可高到 2.5）对于铸造合金：Nb 含量取低限，添加 B（稍高含量）、Y 和 Mn 等；对于变形合金：Nb 含量取中间值，添加 W、B（较低含量）、Y 等；对于粉末冶金板材：Nb 含量取高限，添加 W、Y，Mn 等。高温 TiAl 合金使用温度达到 900 ，900 的抗氧化性按航标达到抗氧化级，对于三种典型部件：铸造叶片样件: 尺寸为长 350-400mm、宽 50-70mm900 强度达到 450 MPa，室温拉伸塑性 1-2
4、%；锻件: 尺寸为直径 400-600mm、厚 50-100mm900 强 度达到 400 MPa，室温拉伸塑性大于 2%；粉末板材：宽度 400-500mm、厚 1-2mm；900 强 度达到 400 MPa，室温拉伸塑性 2-3%。研究成果将发表高水平学术论文 200 篇以上，申请国家发明专利 20 项以上，国家和省部级科技成果奖 3 项以上；培养优秀青年科技人才 15 人以上，造就一支高水平的具有创新与攻坚能力的研究队伍，形成优秀创新群体；建设本领域高水平的基础研究和技术创新基地。2 五年预期目标：通过系统深入的研究，构建高温 TiAl 金属间化合物材料理论和制备加工理论基础，在精密铸造
5、等形成关 键示范技术， 实现总体 预期目标。具体内容包括：（1）高温 TiAl 合金成分-组织-性能设计和优化原理揭示针对高温下使用和具体制备加工技术的、多组元高温 TiAl 合金的相关系和强韧化机制，获得高温 TiAl 合金设计和优化原理。揭示高温 TiAl 合金多相有序结构的动态回复和动态再结晶规律。（2）高洁净度、均质大尺寸 TiAl 合金铸锭的熔炼和加工科学基础建立等离子冷床熔炼高温 TiAl 合金的均质化和纯洁度控制方法，揭示熔炼工艺路线和工艺参数对铸锭夹杂物去除效果及成分组织均匀性的影响规律。探索出适合高温 TiAl 合金型材的均质、纯净的大尺寸铸锭制备技术；通过高温TiAl 合金
6、包套挤压结合等温锻造工艺细化和均匀化组织，通过增加高温 相提高热变形能力，从而研制出组织均匀细小的大尺寸挤压棒材、锻造饼材、板材。（3）高温 TiAl 合金熔模铸造关键科学技术基础通过 Nb、Al 含量控制避免包晶相 变以减少偏析和细化组织；揭示高温 TiAl合金在多场作用下铸造充型特性、壁厚效应以及熔体与型壳反应形成表面硬化层的规律，形成细晶铸造并有利于减少糊状区的变质处理及流场控制技术，建立以铸造为成形工艺路线的高温 TiAl 合金优化设计基础，掌握铸件冶金质量及表面硬化层的控制方法。（4）高温 TiAl 合金冷坩埚定向凝固新技术基础开发出冷坩埚定向凝固高温 TiAl 合金大尺度坯锭的成分
7、优化与冶金行为控制技术， 阐明合金定向凝固坯 锭的凝固组织演化规律；建立高温 TiAl 合金定向凝固坯锭的凝固组织及凝固缺陷的演化模型；揭示定向凝固合金的力学性能与定向组织状态的相关性，建立高温 TiAl 合金典型构件的定向凝固成形的理论基础。（5）高温 TiAl 合金板材的粉末冶金及轧制新技术基础研究通过添加 相 稳定元素和高 Nb 合金化制备出的含高比例 相的高温 TiAl合金粉末，促进其后续轧制的 热变形能力，保 证大变 形量大尺寸板材的制备；建立粉末冶金合金致密化过程微缺陷形成和控制理论，在应力场、温度场、速度 场及外在约束等多场耦合作用下，板材轧制过程中的精确变形流动理论。建立从合金
8、粉末- 热等静 压致密化- 热 机械处理-包套轧制制备大尺寸 TiAl 合金板材的完整的技术原型。（6）高温 TiAl 金属间化合物材料使用性能表征和评价确立高温 TiAl 合金安全服役条件下的力学性能控制参量和应用阈值范围，揭示组织类型和微观缺陷对合金裂纹萌生和扩展的影响规律，揭示合金损伤容限性能与微观组织的关系，建立具有工程应用价值的寿命评估方法和损伤容限参量设计准则，促进合金在航空、航天及其他领域的工程化应用。三、研究方案1 学术思路：本项目在具有国际领先水平和自主知识产权的高 Nb-TiAl 合金的成分-组织-性能关系研究成果的基础上，发展针对航空航天发动机应用的高性能高温 TiAl合
9、金及其制备加工技术。研究材料集中在一类合金上，避免了研究目标的分散。通过研究高温 TiAl 合金成分-组织-性能关系和设计理论基础，主要包括合金元素 NbAl 上下限、微合金化元素的添加原则， 为不同的制备和加工技术提供优化的合金成分和组织设计原则；强韧化机制的建立，为基本保持强度指标的前提下，提升高温 TiAl 合金的室温塑性和韧性打下基础。通过研究高温 TiAl 合金熔炼和凝固过程的热力学与动力学理论，解决合金高洁净度熔炼的成分组织均匀性、精密铸造过程合金熔体充型及铸造组织和缺陷控制和定向凝固过程中的取向控制提供理论基础。通过高温 TiAl 合金多相有序结构动态复原机制、热变形本构关系数学
10、模型和热变形抗力图的研究，为变 形合金的热挤压、等温锻造、 轧制技术研究提供理论基础，解决高温 TiAl 合金 热加工关键技术。 通过高温 TiAl 合金粉末冶金制备过程的流变塑变理论的研究、揭示粉末冶金合金制备过程中的缺陷形成和控制原理，以及对热加工行为的影响，为粉末冶金高温 TiAl 合金轧制技术提供保障。针对金属间化合物特性建立高温 TiAl 合金性能表征方法和评价体系，对于整个课题涉及的制备加工技术提供的合金性能评估分析方法和标准，确保建立统一的性能数据库，为高温 TiAl 合金应用设计准则的建立提供数据支撑。整个项目的研究围绕三个关键科学问题，研究内容相互联系紧密，研究体系完整，有利
11、于解决关键技术 ，发展和形成高温 TiAl 合金制备与成形加工的技术原型。由于高温 TiAl 合金比普通 TiAl 合金的制备与成形加工难度大，因此制备与成形加工的技术原型也基本适合普通 TiAl 合金。 2 技术途径：具体技术路线见图 1 所示。合金材料体系的发展重点采用高 Nb 合金化提高高温条件下使用温度和抗氧化性，Nb 和 Y 交互作用提高长期高温抗氧化性；精密铸造合金的成分设计拟适度降低 Nb 含量，以减低成分偏析，添加 Mn 等提高铸造性能和提高室温塑性，添加 B 和 Y 细化组织；粉末板材的合金设计适度提高 Nb 含量，满足航天高马 赫数飞行的恶劣环境，提高使用温度和抗氧化性。拟
12、采用等离子冷床熔炼技术结合真空自耗熔炼达到均质化和高纯洁度冶炼，突破适合高温 TiAl 合金型材的均质、纯净、大尺寸铸锭制备。通过熔体与型壳反应形成表面硬化层的规律探索型壳材料的选择和优化；采用计算模拟和试验研究结合，解决多场耦合作用下高温 TiAl 合金精密铸造过程充型问题；将控制液固相变路径得到 相凝固过程与 变质处理相结合，降低偏析和细化铸态组织，以提高综 合力学性能。电磁冷坩埚定向凝固技术将合金连续熔化、电磁约束成形和连续凝固过程统一制备高纯净高温 TiAl 合金，避免了常规定向凝固造成的型壳反应和污染，揭示多外场耦合作用下冷坩埚定向凝固过程控制机理。通过增加 相提高高温 TiAl 合
13、金热变形能力、利用热挤压工艺结合等温锻造的热加工工艺，加大首次 变形量，以达到 细化铸态组织、提高 变形高温 TiAl 合金综合力学性能的目的。拟采用添加 相稳定元素和高 Nb 合金化制备出的含高比例 相的预合金粉末为原料，促进后续热变 形能力，通 过热等静压， 热机械处理和包套轧制制备大尺寸高性能高温 TiAl 合金板材。控制氧、氮及其它 杂质的含量，完全消除微孔和微偏析等缺陷。针对高温 TiAl 金属间化合物建立安全服役条件下的力学性能控制参量和应用阈值范围，建立具有工程 应用价值的损伤容限参量设计准则，为合金在航空、航天及其他领域的工程化应用提供有力的技术支持。高温 TiAl 成分组织设
14、计熔炼和铸造 热塑性变形 粉末冶金 冷坩锅定向凝固 冷坩锅感应熔炼 等离子熔炼 凝固过程数值模拟 细化晶粒 预合金粉组织和相选择规律全致密化等温锻造挤压模壳制备 板材轧制 包套轧制成形晶体生长择优取向 薄壁铸件 超塑成形 超塑成形 成分组织、缺陷分析及控制 性能表征与评价方法合金制备与加工的关键技术基础图 1 项目的具体技术路线3 创新点与特色： 把具有原始创新的高温 TiAl 合金开拓性研究工作推向解决针对我国航空航天重大工程需求的应用基础研究；把我国航空航天发动机用高温结构材料系列，高温 Ti 合金Ni 基高温合金，发展成为：高温 Ti 合金 高温 TiAl 合金Ni 基高温合金，成为发动
15、机减重新途径。特色是在解决高温 TiAl 合金的发展上提出了高 Nb 合金化的创造性思想，通过高 Nb 合金化大幅度提高 TiAl 合金的高温力学性能和高温抗氧化性，达到提升航空航天发动机使用温度的目标。高 Nb 合金化引领了国内外 TiAl 合金的发展方向，具有我国的原创 性。另一方面，从解决共性理 论出发，强调围绕成分组织设计熔炼凝固铸造粉末冶金-变形等较全面的精密热成形技术进行研究，各个课题间相互有机 结合，形成互相关 联的整体。主要创新点如下：（1（ 高 Nb 合金化通过连续有序化， 显著提高了合金熔点；高 Nb 合金化通过改变表面氧化层结构、提高 Al2O3 比例等因素极大提高了 T
16、iAl 合金的高温抗氧化性，与镍基高温合金相当；（2（ 通过高 Nb 合金化和适量其它 相稳定元素，达到扩大 相相区，把液相和 相的包晶相 变区推向高 Al 方向移动；调控 Al 含量有利于得到高温TiAl 合金 相凝固过程，达到提高熔点和细化组织的目的；（3（ 通过等离子冷床熔炼技术实现高温 TiAl 合金的均质化和高纯洁度冶炼，突破适合高温 TiAl 合金型材的均质、纯净、大尺寸铸锭制备及热加工技术；（4（ 综合高温 TiAl 合金在多场作用下的铸造充型特性、壁厚效应以及熔体与型壳反应形成表面硬化层的规律，研究可有效提高其铸件冶金质量、抑制表面硬化层生成的技术基础；将高温 TiAl 合金成
17、分对液固界面生长以及液固相变路径选择的作用与变质处理相结合，建立以铸造为成形工艺路线的高温 TiAl 合金优化设计基础；（5（ 以冷坩埚定向凝固新技术制备高纯净高温 TiAl 合金，避免了常规定向凝固造成的型壳反应和污染，揭示多外场耦合作用下冷坩埚定向凝固过程控制机理；（6（ 采用预合金粉末包套轧制途径，制备大尺寸高性能高温 TiAl 合金板材；通过添加 相稳 定元素和高 Nb 合金化制备出含高比例 相的高温 TiAl 合金粉末，促进其后续轧制的热变形能力；（7（ 确立高温 TiAl 合金安全服役条件下的力学性能控制参量和应用阈值范围，建立具有工程应用价值的损伤容限参量设计准则，为合金在航空、
18、航天及其他领域的工程化应用提供有力的技术支持。4 取得重大突破的可行性分析：研究工作基础本项目围绕一种具有国际领先水平、有我国自主知识产权的高温 TiAl 合金展开，目标集中，避免了研究目标过于分散造成研究工作缺乏深度。已 经完成了高 Nb-TiAl 合金基 础成分 -组织- 性能关系和实验室级别的制备加工技术研究，为本项目的顺利进行打下了良好的基础。通过围绕本项目提出的三个关键科学问题的突破，解决高温 TiAl 合金制备与成形加工的关键技术，发展和形成高温 TiAl 合金制备与成形加工的技术原型。这些都是国内外 TiAl 合金制备、成形与加工领域的研究热点及前沿，符合国家中长期科技发展规划纲
19、要的重点支持方向，符合国家保护环境、节能降耗的可持续发展方针。国内在金属间化合物合金的研究与应用也己取得了许多突破性进展，IC10合金己在某型航空发动机取得应用，TAC-2 在某型主战坦克发动机上通过寿命考核，TiAl 合金板材也列入航天科技工程首批试验材料。针对更高推重比 12 -15、大型 飞机和高马赫数飞 行器需求的高温 TiAl 合金已有开创性材料开发成果，在大量的合金制备、加工技 术实践中充分暴露了问题，且对这些问题有了基本的认识。 本项目结合了国内 TiAl 合金制备和加工领域优势单位，发挥各单位在该研究方向上的专长。北京科技大学是高温 TiAl 合金的发明单位，在合金基础成分-组
20、织- 性能关系和实验室级别的制备和热加工方面研究基础深厚。哈尔滨工业大学在合金熔炼、精密铸造、冷坩埚定向凝固、高温塑性变形、异种材料连接等方向上有深厚的研究基础，已针对 TiAl 合金的共性问题，从不同学科角度进行学科交叉和学科融合，开展了精密热成形技术的研究工作，在技术层面上已经取得了多项创造性的研究成果；中南大学在粉末冶金等方向上在国内处于领先地位，一直在对粉末冶金 TiAl 基合金进行研究，在 2000 年左右开始快速发展，特别是在高质量粉末和坯体制备方面，取得了不少成果，主要包括：采用元素粉末冶金方法制备与锻造材料力学性能相当的坯体，室温延伸率达到 1.5%，阐明了元素粉末反应合成 T
21、iAl 基合金的机理以及相关的致密化原理。制备出了 TiAl 基合金发动机气门，在现场试验中表现出优异的性能。西北工业大学长期从事 Ti 及 Ti合金、TiAl 合金、高温合金等材料冶金、精密铸造、稀有金属材料先进塑性成形技术等的研究与开发，近年来先后承担了数十项国家基础研究和国防型号研制任务。在国际上率先提出液固界面非平衡溶质再分配的概念及相关函数关系；在亚快速定向凝固及组织超细化、高温合金和稀土永磁合金的凝固组织与性能方面进行了开创性研究，获得性能提高数倍的超细胞/枝晶定向组织。并将这些理论研究成果应用于对各种金属材料的凝固过程模拟、金属单晶晶体生长热力学和动力学模拟、合金相组织模拟、三
22、维晶体取向控制、合金性能及服役性能等方面的研究。近年来在相关现代凝固理论过冷熔体及溶液法生长、定向凝固、快速凝固、半固态凝固以及激光快速熔凝等方面已取得了阶段性研究成果，其中部分成果居于国际先进水平。西北有色金属院长期从事 Ti 合金和 TiAl 合金研究，具有丰富的知识积累, 特别是在高 Nb-TiAl 合金熔炼的均匀化上有突出的研究成果。钢铁研究总院自 1987 年起在国家 863 高技术新材料研究计划支持下开展 TiAl等金属间化合物基高温材料的研究，车用增压涡轮、航空发动机用涡流器和航天用 TiAl 合金可逆涡轮转子等部件己进入应用研究。其中，铸造 TiAl 合金增压器涡轮于 2003
23、 年 11 月实现了国内自主研制的 TiAl 合金发动机热端转动部件试车考核“零”的突破，通过与镍基高温合的对比试验表明，应用这种轻质材料可使大型柴油机的加速响应性提高 35%以上、且可显著降低排放烟度和油耗。基于装配主机完成的包括 500 小时寿命试验的多项考核结果良好和其减重所产生的技术推动效果明显，己被列为某型发动机的正选增压器涡轮材料。通过这些需求牵引的 TiAl 合金研究，钢铁研究总院己对这种轻质高温材料的性能和工艺特点有了较深入的认识，尤其是在国防型号技改支持下建立起了铸造工艺实验室和中间试验平台，可作为本申请项目的重要支撑条件钢铁研究总院积累了较丰富的TiAl 合金增压涡轮精密 铸造材料和工艺研究经验 ，形成了较强的 TiAl 合金材
