一、文献综述（课题来源及目的、工程概况、国内外设计方法现状及趋势，要求详细列出参考文献） 1. 项目来源： 省科技攻关项目《高强度高塑性高Nb-TiAl合金研究》 2．项目研究目的与意义： 处于金属和陶瓷之间的金属间化合物是当前材料科学工作者和航天航空工业设计部门热衷的尖端材料之一。目前，TiAl化合物应用的最大障碍是室温时脆性、难变形加工性及850 以上的抗氧化性不足。近来出现了一种可在1000~ 1200 工作的新型金属间化合物的研究趋势[ 5] 。TiAl化合物加入高含量、高熔点过渡族元素Nb、Zr、Hf 和Ta, 成为该趋势的主流。Nb元素的加入是提高TiAl合金高温性能的最有效合金化手段之一。 高铌钛铝合金利用高熔点组元Nb 提高合金的熔点( 约100 ℃) 和有序化温度,可明显提高合金的使用温度, 易于通过调整组织改善性能, 改善高温强度、抗氧化能力以及合金的蠕变性能, 但是Nb 含量增加过量, 合金中会出现β相, 从而损害合金的力学性能, 所以添加其他合金元素是一种有效的措施,W就是其中最重要的一种。W对普通TiAl 合金具有很强的固溶强化作用, 能提高界面结构和组织稳定性, 并能提高普通TiAl 合金的抗氧化性,降低合金的层错能及位错的攀移速率, 另外由于W溶质扩散能力极低,能提高合金蠕变性能 。在高铌钛铝合金中添加W 除有上述作用外, 还能改变高铌钛铝合金的铸态组织, 但不能改变热加工组织和温度对其力学性能的影响; 此外还能提高高铌钛铝合金的室温及高温强度, 降低强度随温度下降的速率, 提高韧脆转变温度, 但对室温塑性影响不大。 除W外, 添加微量间隙元素B , B也能提高合金的力学性能。微量B 对高铌钛铝合金没有明显的强化作用, 但是B 在合金中与Ti 反应生成TiB2 ,形貌为条状或点状, 细化了高铌钛铝合金原始片层团晶粒, 对改善合金的室温塑性有利。 添加微量V 对一些合金的晶粒有明显的细化作用。为了进一步提高高铌TiAl合金的综合性能，本实验拟采用合金熔炼过程引入微量元素V，研究其对高铌TiAl合金组织结构的影响，并对其作用机理进行探讨。期望为高铌TiAl系合金的工程应用提供理论基础。 3.高铌TiAl 合金的脆性的基本原理 Ti-Al 金属间化合物由于其高的比强度、比弹性模量，良好的抗氧化、抗蠕变性能，优良的高温强度、刚度及低的密度等，成为一类最具有发展前景的高温结构材料。但是，金属间化合物所固有的室温形变能力(即室温脆性)低，严重阻碍了TiAl 合金的实用化进程。本文综述了对Ti-Al 金属间化合物室温脆性的研究进展，讨论了它的形成原因，并重点从电子结构层次阐述了金属间化合物产生室温脆性的原因，提出了从各个结构层次综合改善室温脆性的具体措施和实现途径 （1） 成分对脆性的影响 合金成分的改变对TiAl 合金组织和性能的影响至关重要，TiAl 合金具有较宽的成分范围，单相γ-TiAl存在的成分(原子分数,以下同)范围为(48%-56%)Al，双相γ-TiAl 基合金存在的成分范围为(47%-49%)Al，现在所研究的TiAl 基合金集中在(46%-52%)Al。许多研究表明，TiAl 合金的延性在Ti-48%Al 附近达到最大值，富钛合金延性大于富铝合金，在双相合金中加入适量有利的合金元素可在一定程度上改善TiAl 的脆性，而当合金中杂质含量达一定量时，会使性能大大降低。 （2） 组织结构对脆性的影响 目前广泛研究的Ti-Al 合金主要为由TiAl 和Ti3Al组成的双相合金，单相TiAl 合金具良好的环境抗力，但是其塑性和韧性比双相合金低[15]，因而说明少量的Ti3Al(α2)相的存在有利于改善脆性。这是由于α2相对氧的溶解度大于γ 相，可以从γ 相中吸收氧，使γ 相中氧的含量降低，减小间隙原子的有害作用。双相合金根据各相形貌和含量不同，又可分为3 种类型：全片层组织，近γ 晶和双态组织。近γ 晶由粗大的γ 晶粒组成，含有少量的α2 晶粒，性能较差。全片层组织全部由γ 和α2 板条组成的粗大的晶粒构成，具有较好的断裂韧性，但延性很差。有研究表明，通过细化晶粒，可以提高全片层组织延性而断裂韧性变化较小，因此设计一种工艺方法减小片层组织的长大速度，有可能获得断裂韧性和延性最优组合的全片层合金。双态组织由细小的片层组织和较细的γ 晶组成，双态组织在保持较高强度的同时，其延性达到最佳值，但是其断裂韧性较差。 Ti-Al 金属间化合物由于其高的比强度、比弹性模量，良好的抗氧化、抗蠕变性能，优良的高温强度、刚度及低的密度等，成为一类最具有发展前景的高温结构材料。但是，金属间化合物所固有的室温形变能力(即室温脆性)低，严重阻碍了TiAl 合金的实用化进程。本文综述了对Ti-Al 金属间化合物室温脆性的研究进展，讨论了它的形成原因，并重点从电子结构层次阐述了金属间化合物产生室温脆性的原因，提出了从各个结构层次综合改善室温脆性的具体措施和实现途径。 4.高铌TiAl 高温合金的研究现状与展望: TiAl 合金的研究始于20 世纪50 年代, 经过多年的研究, 取得了大量的研究成果, 目前已经进入实用化阶段。现在已可以生产TiAl 合金铸锭、锻件、挤压件和薄板材, 是一种具有巨大应用潜力的轻质高温结构材料, 有望用于制作旋转件或摆动零部件。如航空航天器发动机叶片以及车用发动机的排气阀和增压器涡轮转子等。TiAl 合金的一般特性包括: ① 密度低, 仅为4 g/cm3; ② 刚度高, 20 ℃时, E=175 GPa( 钛基合金为120 GPa, 镍基合金为200 GPa) ; ③ 在750 ℃下具有高的高温强度和优良的耐氧化性; ④ 低的线膨胀系数和高的热传导性。然而, 常规的TiAl 合金尚不能满足在760 ～800 ℃高温下的使用要求。TiAl 合金的高温强度非常敏感于应变速率, 其位错的滑动和攀移、孪晶的开动具有强烈的热激活特性, 所以开发使用温度更高的新型超强金属间化合物已经成为金属间化合物的发展方向。高铌TiAl合金体系利用高熔点组元Nb 提高合金的熔点和有序化温度, 从而提高合金的使用温度至850 ℃以上, 同时兼有密度小 、晶体结构简单和易于通过组织控制改善性能的优点。研究高温下强度高、抗氧化性能好的高铌TiAl 合金已经成为新型超强金属间化合物的重要发展方向之一