鈦鋁合金（TiAl）Ti42Al5Mn應用現狀及發展趨勢

   TiAl基合金密度低，彈性模量高，綜合性能指標優于傳統高溫合金，韌性又高于普通的陶瓷材料，在航空航天材料中展現出令人矚目的發展前景，成為新一代高溫材料的代表之一，被當做高推重比先進軍用飛機發動機高壓壓氣機及低壓渦輪葉片的首選材料。歐美和日本等國已相繼在鈦鋁合金向先進航空發動機上的應用研究方面取得深入的進展，運用先進的工藝方法，相繼研發出高壓壓氣機葉片等零部件，并已交付發動機裝配測試。

　　背景

　　自鎳基合金的研制成功以來，渦輪發動機在航空領域的應用得到了很大的推進。通過改進和發展鎳基超合金和鈦基合金，以及應用先進的制造工藝，航空發動機的性能得到了不斷的提高。然而，隨著推重比和渦輪前端溫度不斷提高（表1），渦輪發動機壓氣機和渦輪級數逐漸減少，單級負荷不斷增大，零件的應力水平越來越高，工況越趨惡劣，葉片等關鍵零件的結構也越趨復雜，已將傳統的兩種主要高溫結構材料鎳基合金和鈦基高溫合金的使用性能提高到其極限水平，因此必須尋求更先進、更可靠的材料和工藝才能滿足未來發動機的設計要求。

　　γ-TiAl基合金具有優良的高溫強度、抗蠕變、抗氧化和阻燃性能，而且密度低，彈性模量高（表2），綜合性能指標優于不銹鋼和鎳基等傳統的高溫合金，而其韌性又高于普通的陶瓷材料。此外，鈦鋁合金的膨脹系數可與低膨脹系數的鎳基合金相比，易燃性也低于鎳基合金。這些優點使其成為航空、航天、飛航導彈用發動機以及汽車的輕質耐熱結構件的最具競爭力的材料。

　　TiAl合金應用現狀

　　TiAl基合金目前實際應用的最大障礙一方面是該類合金的室溫脆性、難變形加工性，另一方面則是850℃以上的抗氧化性不足，制約了TiAl基合金的應用和推廣。近期內發展起來的高Nb-TiAl系金屬間化合物在高溫強度及抗氧化性方面已取得了很大進展，高熔點組元Nb的加入提高了合金的熔點和有序溫度，從而使合金的使用溫度達到900℃以上，使得該體系合金顯示出具有代替鎳基合金的潛能。然而，高鈮合金化在大大提高TiAl合金的室溫和高溫強度的同時，也進一步降低了其室溫和高溫塑性，尤其是高溫塑性比普通TiAl基合金更低。　

　　20世紀90年代以來，世界各國的研究者都把熱塑性加工技術的研究和開發作為TiAl基合金的研究重點，長期以來TiAl基合金的熱塑性加工及其相關領域的研究十分活躍。對TiAl合金進行大變形量熱塑性加工，可以大幅提高TiAl合金的室溫塑性，而經過塑性加工后的鍛坯，由于具有細小而均勻的顯微組織，也能夠進一步滿足等溫鍛造成形的需要。進過熱塑性加工的TiAl合金，通過一定的熱處理工藝，可以獲得各種不同的綜合性能，從而滿足工程應用。　

　　美國GE公司將鑄造的全套98件低壓渦輪葉片安裝在大型商用運輸機CF6-80C2發動機上，通過了1000個飛行周期的考核試車。蒂森（Thyssen）與羅羅公司（Rolls-Royce）成功的鍛造出發動機高壓壓氣機葉片，所使用的合金成分為Ti47Al3.7(Nb,Cr,Mn,Si)0.5B；日本三菱公司采用包套鍛成形出了Ti-42Al-10V合金葉片，該合金具有較好的高溫塑性，該公司還開發了Ti42Al5Mn合金，并且采用鍛造后機械加工的方式制造出渦輪葉片等零件；羅羅使用TNB合金系生產出了高壓壓氣機葉片，并且將這種葉片交付發動機裝配進行測試。

　　TiAl合金應用發展趨勢

　　鈦鋁合金在航空航天用材料中展現出令人矚目的發展前景，成為先進軍用飛機發動機高壓壓氣機及低壓渦輪葉片的首選材料。GE公司計劃在GE90發動機中用鈦鋁合金葉片代替鎳基合金，將減輕發動機重量200～300千克以上。空中客車和波音公司正致力于提高發動機的推比，低壓渦輪減重潛力最大，在不久的將來渦輪后部轉子葉片將采用鈦鋁合金葉片。分析表明，未來發動機市場對γ-TiAl低壓渦輪葉片的年需求量高達一百萬件，將代替目前先進渦輪發動機最后一級較重的鎳基葉片。NASA報告指出，到2020年鈦鋁基合金及其復合材料的用量在航空、航天發動機中將占有20%左右的份額。