添加钽合金对一种先进的β相凝固γ-TiAl基合金的微观结构、机械性能和抗氧化性能的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Influence of alloying with tantalum on microstructure, mechanical properties and oxidation resistance of an advanced β-solidifying γ-TiAl based alloy

本研究开发了新型β固溶的Ti-44Al-6(Nb,Zr,Hf)-0.15B合金（TNZ），通过添加1% Ta形成Ti-44Al-7(Nb,Zr,Hf,Ta)-0.15B合金（TNZ-Ta）。经热加工和两阶段热处理，两合金均实现细晶双相结构，β相完全溶解。TNZ-Ta合金在800℃下表现出更高的氧化和蠕变性能，同时保持1.3-1.53%的室温延展性，优于未添加Ta的TNZ合金。

　　在当前航空发动机技术不断发展的背景下，轻质、高强的材料成为提升发动机性能的关键。γ-TiAl合金作为一种重要的轻量化高温材料，因其密度较低（约为4-4.2 g/cm3），相比传统的镍基高温合金具有显著的节能优势，可以减少燃油消耗约20%，同时降低氮和氧的排放量达80%。因此，γ-TiAl合金被广泛应用于低压涡轮（LPT）叶片的制造中。然而，现有的γ-TiAl合金在使用温度方面仍有局限，其最大工作温度通常不超过700-750°C。为了进一步提升其性能，使合金能够在更高的温度下工作，如800-850°C，必须增强其抗蠕变和抗氧化能力。这为合金设计提供了新的方向，尤其是在材料选择和结构优化方面。

γ-TiAl合金通常由γ相（TiAl，超晶格L1?）和α?相（Ti?Al，超晶格D0??）组成，这两种相的组合赋予了合金优异的高温性能。然而，这些合金在铸造状态下往往表现出较低的室温延展性（RT ductility），且难以进行热加工和机加工，限制了其在叶片制造中的应用。此外，过度合金化可能会导致微观结构的热稳定性下降，从而影响其高温性能。因此，设计一种具有良好室温延展性和高温性能的γ-TiAl合金，是当前材料科学研究的重要课题。

为了应对上述挑战，研究者们提出了多种合金设计策略。其中，一种方法是通过重合金化（heavy alloying）来增强γ-TiAl合金的性能。例如，通过添加难熔金属如铌（Nb）、钽（Ta）、钨（W）、铬（Cr）等，以及掺杂硅（Si）、碳（C）、硼（B）等元素，可以显著提高合金的强度和高温性能。另一种方法则是通过优化微观结构，如采用全层状（fully lamellar）结构或近层状（near lamellar）结构，来提升合金的高温性能。然而，这些结构可能会导致室温延展性的下降，因此需要在高温性能和室温性能之间找到一个平衡点。

基于上述背景，本研究提出了一种新的β固溶体γ-TiAl合金，其成分设计为Ti-（43.5-44）Al-6（Nb,Zr,Hf）-（0.1-0.15）B（原子百分比），并将其命名为TNZ γ-TiAl合金。该合金的设计理念是通过减少β（β?）相的含量，使其几乎降至零，从而避免在长期高温运行过程中发生不利的相变，如断续析出（discontinuous precipitation）。这一目标是通过去除钼（Mo）元素并引入锆（Zr）和铪（Hf）等几乎中性或弱β稳定元素来实现的。Mo是一种强β稳定元素，其存在会显著增加β相的含量，而Zr和Hf则对β相的稳定性影响较小，因此可以有效降低β相的含量。

在后续的研究中，研究者进一步探索了在TNZ合金基础上添加1%原子百分比的钽（Ta）对合金性能的影响。Ta是一种弱β稳定元素，具有较高的熔点和较慢的扩散速率，这使其在高温环境下具有良好的稳定性。同时，Ta还能够通过细化硼化物（borides）和形成亚稳态微观结构，改善合金的性能。然而，过量的Ta添加会导致合金密度和成本的显著增加，也可能引发严重的元素偏析和微观结构不均匀性。因此，添加Ta的量必须严格控制，以避免形成稳定的β相或其他不利的相变。

本研究中，TNZ合金在铸造状态下表现出一定的β相含量，而添加Ta后，虽然β相的含量略有增加，但并未形成稳定的β相，这表明Ta的添加在一定程度上保持了合金的热稳定性。此外，通过等温 upsetting 锻造和两阶段热处理工艺，可以将铸造结构转化为细小的双相结构（duplex structure），从而进一步提升合金的高温性能。双相结构在LPT叶片的应用中被认为是一种理想的选择，因为它能够在保持良好室温延展性的同时，提供优异的高温性能。

为了验证添加Ta对合金性能的影响，研究者进行了拉伸测试、蠕变测试和氧化测试。结果显示，添加Ta显著提高了合金的抗氧化能力，特别是在800°C的高温环境下，氧化后的质量增加量从TNZ合金的0.7 mg/cm2降至TNZ-Ta合金的0.48 mg/cm2。这一结果表明，Ta的添加有助于提高合金在高温环境下的抗氧化性能。此外，Ta的添加还略微改善了合金的拉伸性能，而其蠕变性能则与TNZ合金保持一致。这些性能的提升，使得TNZ-Ta合金在高温应用中表现出更大的潜力。

在室温性能方面，TNZ合金和TNZ-Ta合金的延展性分别为1.3-1.53%和1.3-1.53%，而传统的TNM合金的延展性仅为0.85%。这表明，TNZ和TNZ-Ta合金在保持良好高温性能的同时，也具有足够的室温延展性，适用于LPT叶片的制造。同时，研究还指出，为了在高温下保持良好的蠕变性能，合金的合金化应有助于将脆-韧转变温度（BDT）提高到尽可能高的水平。这意味着，合金的成分设计需要在增强高温性能的同时，避免过早的脆化。

在材料选择方面，除了Ta之外，Nb、Zr、Hf等元素也被认为是重要的合金化元素。这些元素能够通过固溶强化和细化晶粒来提高合金的强度，同时减少β相的含量，从而提高合金的热稳定性。然而，这些元素的添加量必须严格控制，以防止形成稳定的β相。例如，当Nb、Zr、Hf和Ta的总含量超过7%原子百分比时，可能会导致稳定的β相的形成，从而影响合金的性能。

此外，研究还强调了在设计γ-TiAl合金时，需要考虑材料的微观结构和合金化元素的协同作用。通过合理的合金设计和加工工艺，可以实现微观结构的优化，从而提升合金的整体性能。例如，通过等温 upsetting 锻造和两阶段热处理，可以有效控制合金的微观结构，使其形成细小的双相结构，从而提高其高温性能。

在实际应用中，γ-TiAl合金的抗氧化性能是其能否在高温环境下工作的关键因素之一。为此，研究者们尝试了多种涂层和表面处理技术，如NbSi?、Al?O?、Y?O?、SiO?、Ti-Al-Cr-Y-N、Ti-Al-Cr、Ti-Al-Cr-Y、Ti-Al-Cr-Zr等。然而，这些涂层和表面处理技术虽然在一定程度上提高了合金的抗氧化能力，但也可能导致合金的机械性能下降。因此，通过合金化来提高抗氧化能力，是一种更为理想的方法。

综上所述，本研究提出了一种新的β固溶体γ-TiAl合金——TNZ-Ta合金，其成分设计为Ti-44Al-7（Nb,Zr,Hf,Ta）-0.15B（原子百分比）。该合金在保持良好室温延展性的同时，表现出优异的高温性能，特别是在抗氧化和抗蠕变方面。通过合理的合金设计和加工工艺，可以实现微观结构的优化，从而提升合金的整体性能。这一研究为未来开发适用于更高温度范围的γ-TiAl合金提供了新的思路和方法，同时也为航空发动机的轻量化和节能化提供了技术支持。