定向凝固高Nb-TiAl合金组织与力学性能研究(2)
图中可以明显的看出：在650-1000℃下，TiAl合金的比强度最高，是航空航天等要求减重的高温结构部件用最适合的高温结构材料。
经过多年的发展，对 TiAl 合金的研究已经进入到了工业化的阶段，表 1.1 所示为 TiAl
合金的四代发展历程。早在 1956 年，美国学者 Mcandrew 和 Kessler 报道，Ti-50Al 合金在950℃时具有良好的抗蠕变和抗氧化能力[8]
。但是在最初的一段时间，由于 TiAl合金的室温塑
性和断裂韧性较差，而又找不到解决的办法，使得研究进程十分缓慢。第一代对 TiAl合金的
研究主要集中在研发上，主要是为了提高其性能，如室温塑性，抗氧化性能，断裂韧性和抗
蠕变性能等，其代表的合金是普惠航空发动机公司和美国空军材料研究室共同研发的
Ti-48Al-1V-0.3C 合金[9]，该合金具有一定的断裂韧性，但室温塑性依旧很差，无法满足航空
发动机的要求；第二代 TiAl 合金中最具有代表性的是由美国 GE 公司的 S. C. Huang 博士研
发出的 Ti-48Al-2Cr-2Nb（4822）合金，相对于第一代的 Ti-48Al-1V-0.3C 合金，该合金在室
温塑性和高温力学性能等方面有了显著的提高，并在波音 787 发动机上投入使用[10]，其中另
一个代表 Ti-47Al-2W-0.5Si 合金，与 4822 合金相比，在 760℃中具有很高的高温力学性能，
不亚于传统的 Ni 基高温合金，但塑性较 4822 合金差[1]。第三代的TiAl 合金注重使用合金元
素来优化组织，以提高该合金的使用性能。其中，最具代表性的是我国北京科技大学自主研
制的富高 Nb-TiAl合金，该合金可改善室温塑性及抗氧化性能，并且提高使用温度 60-100℃，
提高室温强度300-500MPa，被 Kim YW认为是未来 TiAl合金的主要发展方向，具有广阔的应用前景[8]。目前的第四代的 TiAl合金，主要是通过合金化及各种加工技术来进行优化，以
提高 TiAl合金的室温及高温力学性能[11]。随着对TiAl 合金的研究的不断深入，TiAl合金的应用领域正在逐步扩展，除了航空航天
领域的发动机叶片之外，非转动部件、非受力轮盘以及薄板蒙皮，汽车领域的增压涡轮、排
气阀等也逐渐投入应用。1.2 合金化对性能的影响
虽然TiAl合金有许多优异的性能，但是其室温塑性较差；1000℃以上高温强度不足；
850℃以上抗氧化性能较低； 高强度导致的低塑性和高断裂性能导致的低蠕变性能等缺点限制
了其广泛使用[12]，因此如何提高其综合性能是今后开展研究必须侧重考虑的。在提高性能的
方法中，主要有合金化，控制凝固参数，改善热处理工艺等方法。其中合金化是用来改善TiAl
合金强度、塑性和抗氧化等性能的最主要方法之一，一般的TiAl合金的成分范围为Ti-（44-51）
Al-（1-10）M-（0-1）N,其中M代表Nb、Cr、Mn、V、Ni、Ta、Mo、Zr等副族元素，N代表
Si、C、B、O、N等主族元素[13]。表1.2所示为合金元素对TiAl合金性能的影响[14]
。从表中可
以看出，为了得到某种特定的性能，可以通过添加针对性的合金元素，比如Nb元素的添加可
改善合金的抗氧化性，提高合金的高温强度和抗蠕变性能。但也可以看到，如添加的合金元
素不止一种，那么其造成的作用并不是简单的叠加，而是变得非常复杂。同样的合金元素的
添加是有一定量的限制的，添加的量过多会对性能造成不利的影响，如果W、Nb、Ta等β相稳
定元素添加量过多，则高温β相会残留到室温形成β相偏析，降低合金的性能。因此用合金化
法来改善TiAl合金的性能时，不仅要选择好合金元素，也要注意量的控制。