Ti-Al系金属间化合物的热加工理论及应用

航空、航天科技快速发展的同时，对材料轻量化提出了越来越迫切的需求。Ti-Al系金属间化合物具有轻质、高强等优点，有望替代镍基高温合金，从而实现某些零部件的减重。本书以Ti-Al系金属间化合物中的典型代表TiAl合金、Ti2AlNb合金作为研究对象，介绍了其发展历程、微观组织特征及力学性能。同时，针对其化学成分设计、热加工制备、服役与应用等方面展开研究，给出了合金具体成分设计范围、包套轧制、涂层防护等关键工艺参数，为Ti-Al系金属间化合物的生产及应用提供了理论指导。
本书是金属材料类专业技术书籍，主要读者对象为高校科研工作者、材料加工工程专业硕/博士研究生，也可供企业工程技术人员参考。

（1）本书以Ti-Al系金属间化合物中的典型代表：TiAl合金、Ti2AlNb合金作为研究对象。
（2）本书介绍了Ti-Al系合金的发展历程、微观组织特征及力学性能。
（3）本书给出合金具体成分设计范围、包套轧制、涂层防护等关键工艺参数。
（4）本书研究成果能够对TiAl合金、Ti2AlNb合金的热加工成形及服役应用提供指导。

Ti-Al系金属间化合物密度低、比强度高且具有较好的高温力学性能，被认为是650～900℃内最佳的候选高温结构材料，并在航空、航天、汽车等领域显示出了巨大的应用潜力。目前，Ti-Al系金属间化合物压气机叶片已经在PW1100G、BR715航空发动机上得到了初步应用。此外，Ti-Al系金属间化合物板材还可用于制造高超声速飞行器的隔板、热区蒙皮、机翼等关键部件，在当前国际背景下，具有十分重要的研究价值。
目前，Ti-Al系金属间化合物中最贴近大批量应用的有两类合金，分别是TiAl合金和Ti2AlNb合金。TiAl合金已经发展至第三代，代表成分有北京科技大学陈国良院士团队提出的高铌TNB合金、奥地利学者Clemens等提出的TNM合金；Ti2AlNb合金的代表成分则有Ti-25Al-17Nb、Ti-22Al-25Nb和Ti-22Al-27Nb等。针对Ti-Al系金属间化合物的加工制备，目前已经衍生出精密铸造、粉末冶金、铸锭冶金以及增材制造等成形方式，国内的北京科技大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学、中南大学以及中国科学院金属研究所等单位都对Ti-Al系金属间化合物的开发和应用做出了重要贡献。
需要认识到，Ti-Al系金属间化合物在拥有低密度、高强度的同时，仍旧摆脱不了金属间化合物塑性差的限制。国内外学者通过合金化、近等温成形等方式来改善Ti-Al系金属间化合物的热加工成形能力，但其依然表现出对加工工艺、初始微观组织的敏感性。因此，有必要开展合金成分设计—微观组织演变—力学性能调控等方面的研究，以进一步丰富Ti-Al系金属间化合物的热加工理论；在服役和应用过程中，当温度高于750℃时，Ti-Al系金属间化合物的抗氧化性能显著下降。同时，高温结构件常常经受循环温度和循环载荷变化，进而发生开裂、断裂等失效现象。因此，需要对Ti-Al系金属间化合物的服役与应用进行深入研究。
本书共分为六章。第1章系统介绍了TiAl合金和Ti2AlNb合金的发展历程、组织性能、应用前景以及制备加工方法；第2章综述了合金元素对TiAl合金组织性能的影响，并详细分析了Mo元素对TiAl合金相变点、微观组织、力学性能的作用规律。第3章介绍了TiAl合金高温变形行为研究方法，分析了TiAl合金热变形过程中的本构模型、再结晶机制、热加工图等，基于循环热处理工艺对包套轧制后的TiAl合金板材进行组织性能调控。第4章针对TiAl合金的服役性能，开展了关于氧化机制、热冲击致裂、高温涂层防护等方面的研究工作。第5章介绍了合金元素与Ti2AlNb合金组织性能的内在关联，系统研究了Mo元素对铸态、热等静压态Ti2AlNb合金组织及热压缩行为的影响规律。第6章则针对Ti2AlNb合金的锻造成形、动态力学行为以及包套轧制进行了系统性研究。通过上述研究，期望能够对TiAl合金、Ti2AlNb合金的热加工成形及服役应用提供理论指导。
本书由江海涛研究员组织并负责全书统稿。参加编写工作的有：江海涛研究员（第1、2、5章）、田世伟博士（第3、4、6章），参加本书实验和文字整理工作的还有张贵华博士、曾尚武博士、张韵博士、杨永刚博士、张业飞博士生，以及硕士生张思远、杨佳琛、杨祯彧等。本书在编写过程中还参考并引用了国内外相关专业学者的研究成果，在此向这些作者表示诚挚感谢。
由于水平有限，加之时间仓促，本书难免存在不足之处，敬请各位读者批评指正。

著者
2022年7月

1 Ti-Al系金属间化合物的理论基础
1.1 Ti-Al系金属间化合物 001
1.2 TiAl合金 002
1.2.1 TiAl合金发展历程 002
1.2.2 TiAl合金组织性能 004
1.2.3 TiAl合金应用前景 007
1.3 Ti2AlNb合金 009
1.3.1 Ti2AlNb合金发展历程 010
1.3.2 Ti2AlNb合金组织性能 011
1.3.3 Ti2AlNb合金应用前景 019
1.4 Ti-Al系金属间化合物的制备加工 021
1.4.1 熔炼铸造技术 021
1.4.2 粉末冶金技术 023
1.4.3 增材制造技术 024
1.4.4 铸锭冶金技术 025
参考文献 027

2 TiAl合金成分设计及Mo元素作用机制
2.1 TiAl合金成分设计及方法 033
2.1.1 合金元素对TiAl合金组织性能的影响 033
2.1.2 第一性原理在TiAl合金设计中的应用 035
2.2 Mo元素对TiAl合金组织及性能的影响 038
2.2.1 β相稳定元素的富集行为 039
2.2.2 Mo元素对TiAl合金相变点的影响 042
2.2.3 Mo元素对TiAl合金微观组织的影响 043
2.2.4 Mo元素对TiAl合金力学性能的影响 047
2.2.5 Mo元素对TiAl合金抗氧化性能的影响 054
参考文献 055

3 TiAl合金热加工行为及板材制备
3.1 TiAl合金高温变形行为研究方法 058
3.1.1 高温变形本构模型 058
3.1.2 热加工图绘制方法 060
3.2 TiAl合金热变形行为研究 062
3.2.1 高温塑性加工流变行为 063
3.2.2 热加工物理模拟实验数据修正 064
3.2.3 本构模型构建与验证 067
3.2.4 热加工过程微观组织演变 073
3.2.5 动态再结晶和软化机制 078
3.3 TiAl合金热加工图研究 082
3.3.1 热加工图的构建 082
3.3.2 热加工图分析 088
3.4 TiAl合金轧制变形及组织调控 090
3.4.1 Ti-44Al-4Nb-1.5Mo合金板材制备 090
3.4.2 轧制态TiAl合金板材微观组织分析 092
3.4.3 热处理对TiAl合金板材微观组织的影响 095
3.4.4 TiAl合金力学性能与断裂机理 101
参考文献 104

4 TiAl合金服役性能研究
4.1 TiAl合金的氧化及防护 107
4.1.1 TiAl合金氧化行为的影响因素 108
4.1.2 TiAl合金的高温氧化防护 111
4.2 TiAl合金氧化性能 113
4.2.1 TiAl合金的等温氧化 114
4.2.2 TiAl合金的循环氧化 125
4.2.3 TiAl合金的应力氧化 133
4.3 微观组织对TiAl合金氧化行为的影响 137
4.3.1 TiAl合金各相氧化热力学 137
4.3.2 TiAl合金各相及晶界氧化行为 140
4.3.3 不同初始微观组织TiAl合金的氧化行为 144
4.3.4 TiAl合金片层稳定性 154
4.4 TiAl合金热冲击变形行为研究 155
4.4.1 TiAl合金的热冲击行为 156
4.4.2 热冲击过程中的裂纹演变 158
4.4.3 热冲击对微观组织稳定性的影响 160
4.4.4 热冲击开裂机制分析 161
4.5 TiAl合金高温涂层防护 165
4.5.1 TiAl合金防护涂层及研究进展 165
4.5.2 8YSZ/NiCoCrAlY涂层的组织特征与抗氧化性能 166
4.5.3 热障涂层中TGO的生长与扩散机制 173
参考文献 176

5 Ti2AlNb合金成分设计及Mo元素作用机制
5.1 合金元素与Ti2AlNb合金组织性能的内在联系 180
5.2 Mo元素对Ti2AlNb合金微观组织的影响 184
5.2.1 铸态Ti2AlNb合金宏观形貌特征 185
5.2.2 铸态Ti2AlNb合金微观形貌特征 186
5.2.3 热等静压态Ti2AlNb合金微观组织 187
5.2.4 Ti2AlNb合金的相转变 190
5.3 Mo元素对Ti2AlNb合金热加工行为的影响 191
5.3.1 变形温度对材料热压缩行为的影响 191
5.3.2 应变速率对材料热压缩行为的影响 198
参考文献 206

6 Ti2AlNb合金的热加工及组织性能
6.1 Ti2AlNb合金的热加工研究进展 208
6.1.1 热加工工艺对微观组织的影响 210
6.1.2 热处理工艺对组织性能的影响 212
6.2 Ti2AlNb合金锻造及组织性能研究 215
6.2.1 Ti2AlNb合金的等温锻造 215
6.2.2 锻态Ti2AlNb合金连续温降过程中的组织演化 222
6.3 Ti2AlNb合金动态力学行为 237
6.3.1 动态力学行为研究进展 237
6.3.2 应变速率对合金动态力学行为的影响 241
6.3.3 温度对合金动态力学行为的影响 246
6.3.4 动态变形机制分析 250
6.4 Ti2AlNb热加工性能及包套轧制 252
6.4.1 锻态Ti2AlNb合金的热加工性能 252
6.4.2 Ti2AlNb合金包套轧制及组织性能 259
参考文献 264