1.2 TiAl基合金组织结构

钛铝基合金可根据铝的成分不同分为单相合金和双相合金。单相合金即γ-TiAl合金；双相合金是由γ-TiAl基体相和少量的第二相α2-Ti3Al相组成的[17]。其中单相γ-TiAl合金中Al含量在50%以上,而γ+α2双相钛铝合金中Al含量一般在43%~48%之间。研究成果表明，γ+α2双相钛铝合金的强度和塑性都明显优于单相钛铝合金，因而对双相钛铝合金进行了大量的理论和试验研究。图1.2为钛铝合金二元相图。其中的红线为Al含量为45%的成分线。

图1.2 钛铝合金二元相图

γ+α2双相钛铝基合金中，γ相是L10结构(面心立方结构)，α2相具有DO19结构(有序六方结构)[18]。通常钛铝基合金中α2相和γ相会保持以下严格的晶体学位向关系：

<0001>α2//(111)γ，<1120>α2//<110>γ

这种关系使钛铝基双相合金具有很高的热稳定性，其结构简单的热处理方法很难破坏。双相钛铝合金的最终组织是影响宏观力学性能的一个重要因素。将铸态和热加工态钛铝合金在不同的温度区间进行热处理，便可以产生四种不同的典型显微组织[19]：a、近γ组织(NG)；b、双态组织(DP)；c、近片层组织困(NL)；d、全片层组织(FL)，如图1.3所示。

图1.3 γ-TiAl基合金经不同热处理条件下的四种典型显微组织

a)等轴γ单相组织，b)双态组织，c)近层片状组织，d)全层片状组织来!自~751论-文|网www.751com.cn

研究发现[21]，以γ-TiAl基合金的力学性能强烈地依赖于其显微组织。其中，FL组织晶粒大、强度低、塑性差(约1%)，但具有较高的断裂韧性(KIC=20~32MPa·m1/2)和蠕变抗力；NL组织强度最高(YS=510Mpa、UTS=700Mpa)而塑性中等；Duplex组织具有最高的拉伸塑性(2%~4%)及中等的强度水平(YS=420~460MPa、UTS=550~660MPa)但，断裂韧性很低(KIC=10~16MPa·m1/2)、蠕变抗力较差；NG组织由于各方面性能都较低，己很少有专门研究。由于γ-TiAl基合金全片层组织具有远较其它组织形态为高的断裂韧性，因而多趋向于选择全片层组织。全片层的高断裂韧性是由于该组织能够产生较大的裂纹尖端应变，从而增大了抗裂纹扩展的能力。同时，层片相界面两侧如果存在不同的晶体位向及晶体结构，也会造成对滑移带和解理裂纹跨越界面的阻碍。这就是人们设计由γ及α2交错形成片层结构的基本思路[22]。由于γ-TiAl主要应用于高温，而FL组织的高温性能相对较好、同时具有较高的断裂韧性。因此，目前研究的重点主要在于全层片组织的设计与改进。

图1.4 PST结构屈服强度及塑性随片层与应力轴方向夹角的变化

高温γ-TiAl片层结构的力学性能有很强的方向性。为了揭示片层取向与性能的关系，Yamaguchi等人制备了具有单一取向的全片层PST(polysynthetically twinned)晶体，经系统研究发现[23]：合金强度与塑性的明显各向异性，图1.4所示为用PST晶体所测定的屈服强度与塑性随片层取向与承载方向夹角的变化。可以看出，当外加载荷垂直于片层时屈服强度虽最高，而延伸率极低。综合而言，外加载荷平行于片层界面可以获得最佳的强度与塑性的综合。这种明显的力学性能的各向异性是由于片层界面平行或垂直于外加应力时，γ相沿{111}面的剪切形变与片层界面相截(硬形变)，剪切形变必须通过孪晶界α2/γ界面和α2片层，造成大的形变阻力。