Ti-Al系金属间化合物的热加工理论及应用

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

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。

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。