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TiAl 合金设计概述 1合金设计概述 材料科学的发展是依赖于实验技术的创新和综合理论水平的提 高。材料科学是材料设计的理论基础,材料科学的发展方向决定了材 料设计的方向。合金设计是国外70年代发展起来的一门新兴的交叉 学科。现今,根据科学理论,人们能动地设计出具有预想性能的材料的 所谓材料设计在逐步兴起时,在金属材料中合金设计这一科学方法, 更为广大冶金工作者所广泛采用。这一方法必将逐步代替传统的、耗 时费事的试探筛选方法。由于在金属与合金设计中成分参数与组织参 数不易控制,合金性能的推断也有一定困难,所以完善的金属与合金 设计有待于材料科学与工程的进一步的发展。可以说合金设计尚处于 初级的发展阶段。 1.1设计依据 合金设计是一门综合学科。它需要依据以下三方面综合考虑。即 (1)要充分了解合金在服役条件下的使用性能(如机械性能、物理 性能等)。 (2)要了解合金从生产到制成产品的工艺性能(如铸、锻、焊、切 削加工等)。 (3)还需要考虑非常重要的经济因素(如原料、价格、市场等)。 可见,合金设计是通过合金成分和组织的严格控制与合理配合而 获得预期的性能,它是建立在合金成分、组织、 性能、工艺定量关系 基础上的综合结果。 1.2设计的方法与其步骤 从研究方法来看,目前,国内外用于合金设计的方法有下述三种: 第一种方法基于材料科学角度进行合金设计。 由于多粒子量子力学计算,需引入许多边界条件,因而难以得到 满意的结果。计算机的发展,可处理数十个粒子的系统,但这和实际应 第 1 页 共 8 页 用还有很大的差距。尽管如此,从材料科学的角度进行合金设计的开 发,可从中引出许多合金设计的课题。 第二种方法,从状态图角度进行合金设计。 这是大家比较熟悉常用的方法。例如,根据Sn- Pb二元状态图来 设计锡铅焊料。根据Cu - Sn、Cu - Zn状态图来设计青铜及黄铜,根 据Al- Si- Mg状态图来设计铸造铝合金等,在热力学计算相图方面, 如高温合金中评价R相的生成条件也有较好的进展。 第三种方法是从数量冶金学角度开发金属与合金的设计。 这种方法是从事材料工程方面的科技人员用得最多、也比较切实 可行的方法。数量冶金学是建立在材料科学与工程基本模式的基础上, 它是以材料科学与工程为主体,溶合应用数学,计算机技术、管理科学 和现代科学方法论所组成的一个交叉学科领域。其基本任务是进行金 属与合金设计及其质量控制等方面的工作,简明地说就是进行(金属 材料科学与工程中的)定量化工作。 2 TiAl基合金简介 轻质耐高温结构材料是近十年来世界上材料学科的研究热点,在 航空航天和汽车领域具有重要的应用价值。TiAl合金有金属键和共价 键共存,使之兼有金属与陶瓷的性能,如高熔点、低密度、高弹性模量、 好的高温强度(700一900℃)、好的阻燃能力、好的抗氧化性等优点, 是一种很具应用前景的新型轻质耐高温结构材料。主要体现在三个方 面:第一, TiAl合金具有高弹性模量,比目前应用的结构材料高约50%, 用TiAl合金制成的高温结构件能够承受更高频率的振动；第二,TiAl 合金在600一800℃具有良好的抗蠕变能力,有潜力替代密度大的Ni基 超合金作为一些部件的材料；第三,TiAl合金具有很好的阻燃性能, 与Ni基超合金相当,可以替代价格昂贵的阻燃性Ti基合金部件。TiAl 合金主要应用于航空航天及汽车领域,如发动机用高压压缩机叶片、 低压涡轮、过渡导管梁、排气阀、喷嘴等。 TiAl基合金与普通钛合金、T iAl和镍基超合金的性能比较如 3 表1所示。由表1可见,TiAl基合金的抗蠕变和抗氧化性比普通钛合金 好得多,亦优于TiAl有序合金,而与镍基超合金相当,但其密度不到 3 第 2 页 共 8 页 镍基超合金的一半。TiAl基合金的潜在价值还在于它的比刚度高,即 具有高的弹性模量与密度比。高模量的重要之处在于发动机的许多静 态零件的设计准则是尽量减少它们在工作温度下承载时的弹性挠度。 这些零件的设计应力很低,它们中许多并不处于断裂的危险部位,决