（沙江波）2016材料科学前沿第二讲.ppt

材 料 科 学 与 工 程 前 沿,航空航天高温结构材料High-Temperature Structural Materials in Aerospace,北京航空航天大学 材料学院 2016 年 3 月，沙江波,三、Ti3Al高温合金,Ti-Al合金相图,Ti3AlTiAlTiAl3,Ti,Al,Ti3Al（a2 六方）基合金是唯一进入成熟应用研究阶段的金属间化合物。受抗氧化性能的限制，其使用温度在600700之间。二元Ti3Al的室温塑性和韧性很差，合金化是韧化Ti3Al的最基本途径。,20世纪50年代，McAndrew和Simcoe发现，添加Nb可以稳定高温b相（B2，无序或有序的bcc结构），明显改善合金塑性和抗氧化性能。Ti3Al基合金的基本发展思路就是在Ti-Al-Nb的基础上，通过添加相稳定元素（如Nb和Mo），增加塑性的第二相，使Ti3Al基合金的室温塑性和加工性能得到改善。,1）第一代b稳定元素含量在10%14%，如：美国空军实验室在70年代最早开发的Ti-24Al-11Nb，显微组织为2（D019）b；2）b稳定元素含量在14%17%之间，如：美国超a2合金Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo，该合金具有更高的拉伸强度和蠕变抗力，显微组织取决于热处理，主要为a2、b和O相【第一代O相合金】,O相（基于Ti2AlNb，正交结构，可看作2的畸变结构；3）稳定元素含量在23以上，如GE公司研制的Ti-24.5Al-23.5Nb和Ti-22Al-27Nb合金，显微组织为O，这类以O相为基的合金比2合金和超2合金有更高的高温屈服强度、蠕变抗力和断裂韧性，已经成为近期研究的重点【第二代O相合金】。,国内对Ti3Al基合金的系统研究始于20世纪80年代中期，主要的研究集中在钢铁研究总院和北京航空材料研究院。钢铁研究总院：TAC系列航天北京航空材料研究院：TD系列航空,TAC-1合金：Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo）TAC-3（O相）合金：Ti-22Al-20Nb-7Ta TAC-1合金制成的波纹板和涡轮壳体部件用于火箭发动机和航天飞行器部件，已经进行了试车；（OB2）合金可作为火箭发动机涡轮盘转子的用材。,TD2合金：Ti-24.5Al-10Nb-3V-1MoTD3合金：Ti-24Al-15Nb-1Mo TD2合金的主要性能超过超2合金，制成的某航空发动机涡轮导向叶板和涡轮结合环，已经经受了近30小时的长期试车考验。,1）室温断裂韧性较低；2）室温冲击韧性只有普通Ti合金的十分之一左右(这是设计应用部门担心的问题之一)；3）O相合金的抗氧化问题。高Nb合金抗氧化性差。,Ti3Al基合金轧制的F100发动机压气机机匣,GE公司制造的Ti-48Al-2Nb-2Cr合金低压涡轮装配件,TD2合金的涡轮结合环（a）和涡轮导风板（b）,四、NiAl高温合金,在NiAl二元系中，存在Ni3Al、NiAl、Ni5Al3、Ni2Al3和 NiAl3五种金属间化合物，其中应用最广的是Ni3Al和NiAl。,熔点高达1638，比Ni基高温合金高约300；密度5.95g.3,只有Ni基高温合金的2/3；抗氧化性极佳，抗热腐蚀性能也较好；较高的杨氏模量(240 GPa)极高的热导率，在201100 之间的热导率为70 80w.m-1.K-1，是Ni基高温合金的5倍；NiAl主要问题是室温塑性和韧性差，高温强度不足。,