国内钛铝合金获重大突破 使用温度、寿命均大幅优于GE发动机用高温合金

TiAl合金表现出相当好的耐腐蚀性能，并在高温下展现出优秀的机械性能，再加上它比镍基高温合金要轻大约50%，所以在替代650–750 度下使用的镍基高温合金方面具有很大优势。

目前，美国GE公司采用Ti-48Al-2Cr-2Nb(简称4822)合金替代原来的镍基高温合金制造了GEnx发动机最后两级低压涡轮叶片，使单台发动机减重约200磅，节油20%，氮化物(NOx)排放量减少80%，噪音显著降低，用于波音787飞机。

然而，晶种法制备多元孪晶（简称PST）TiAl单晶合金的存在大量问题，而且它们的使用温度的提升空间有限。南京理工大学材料评价与设计教育部工程研究中心陈光教授团队报道了层状取向得到控制的Ti-45Al-8Nb单晶可以用定向凝固的方法获得而无需其他复杂生长方法。其0度层状取向的合金的室温拉伸韧性为6.9%，屈服强度708Mpa，由于在塑性变形中形成了更多的纳米孪晶，断裂抗拉强度978MPa。900度下，屈服强度保持了较高水准为637Mpa，韧性8.1%。

与目前商用的4822合金的650-750度使用温度相比，该合金的使用温度具备增长到900度的潜力，抗蠕变性能也优于前者。

图注：

图一：不同拉速下的定向凝固Ti-45Al-8Nb PST 单晶的光学显微图片

图a，拉速低于Vc的锭纵向图，显示PST 单晶平行于生长方向有层状的取向。
图b，拉速高于Vc的锭纵向图，显示PST 单晶的层状取向与生长方向有45度夹角
图c\d，放大的片层组织（图a中标注的c区域，图b中标注的b区域）。

图二： 室温拉伸试验前后Ti–45Al–8Nb的层状微观结构。

图a，未经拉伸试验的样品明场TEM图像，显示了α2/γ的层状结构。
图b，经过拉伸变形，TEM明场图像显示超细孪晶和层状结构
图c，拉伸后样品高分辨TEM图像，显示样品多孪晶结构，包含γA/γB、γB/γC 、γC/γD 孪晶界。

图三：Ti–45Al–8Nb PST 单晶合金在不同温度下的机械性能以及拉伸后的微观结构。

a：不同温度下的机械性能。900度下保持了637Mpa的高屈服强度。所耐温度远高于那些报道的多相钢多晶合金的650-750度。（图中粉红区域）。
b\c ：室温下（b）和900度（c）下的真应力应变曲线和加工硬化速率。
d：900度下经拉伸后样品的TEM。经高温变形后，孪晶和位错同时出现。

从图中可以看到，从室温到900度，屈服强度没有出现大幅下滑，证明耐高温性能卓越。考虑到典型的γTiAl合金的韧脆转变温度在650–820度之间，而该合金足足提高了200度。因此，该合金的使用温度有可能提高到900度。

图四：在900度下， 0度层状取向的有序排列Ti–45Al–8Nb PST单晶，以及商用的Ti–48Al–2Cr–2Nb多相合金的蠕变性能。

图a：蠕变强度时间曲线。插图是4822合金在150Mpa和220Mpa下的蠕变强度时间曲线。

图b：单晶和多晶材料最小蠕变速度比较。

表 : Ti-45Al-8Nb与4822合金的耐疲劳性对比。

部分条件下，前者与后者有数量级上的优势。

由于无需复杂和昂贵的单晶生长方法，该单晶合金的生产成本可以相对较低。0度层状取向的全有序的PST单晶以6.3-7.6%的比例大幅提高了延性，并在室温下的强度高达930-1035Mpa。优异的机械性能归功于高密度纳米尺度孪晶的形成，以及塑性变形中的层状结构重构。更重要的是，晶体在900度下拥有637Mpa的超高屈服强度和并在空气中压强100-210Mpa下有很高的抗蠕变性。与商业化的4822相比，该合金蠕变时间和最低蠕变速度有数量级上的优势。

因此，该材料的使用温度具备提升到900度的潜力。该研究验证了通过控制取向设计和制备TiAl+Nb PST 单晶的先进性。

论文地址：Polysynthetic twinned TiAl single crystals for high-temperature applications

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