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材料科学与工程前沿
航空航天高温结构材料
High-TemperatureStructural
MaterialsinAerospace
北京航空航天大学材料学院
2016年3月，沙江波
三、Ti3Al高温合金
Ti-Al系金属间化合物
Ti3Al
TiAl
TiAl3
TiAl
Ti-Al合金相图
Ti-Al系金属间化合物
合金Ti基Ti3Al基TiAl基镍基
结构
hcp/bccD019L10Fcc/L12
密度g/cm34.54.1～4.73.7～3.98.3
模量GPa95～115110～145160～180206
—
σ0.2MPa380～1150700～900400～650
—
σbMPa480～1200800～1140450～800
室温δ%10～252～101～43～5
高温δ%12～5010～2010～6010～20
—
KIC—13～3010～20
蠕变极限℃60076010001090
氧化极限℃6006509001090
金属间化合物Ti3Al
Ti3Al（a2）基合金是唯一进入成熟
应用研究阶段的金属间化合物。受抗氧化
性能的限制，其使用温度在600℃～700℃
之间。二元Ti3Al的室温塑性和韧性很差，
合金化是韧化Ti3Al的最基本途径。
Ti3Al基合金的发展
•20世纪50年代，McAndrew和Simcoe发现，
添加Nb可以稳定高温b相（B2，无序或有序
的bcc结构），明显改善合金塑性和抗氧化
性能。
•Ti3Al基合金的基本发展思路就是在Ti-Al-Nb
的基础上，通过添加β相稳定元素（如Nb和
Mo），增加塑性的第二相，使Ti3Al基合金
的室温塑性和加工性能得到改善。
Ti3Al基合金的发展
•1）第一代b稳定元素含量在10%～14%，如：美国
空军实验室在70年代最早开发的Ti-24Al-11Nb，显
微组织为α2（D019）＋b；
•2）b稳定元素含量在14%～17%之间，如：美国超
a2合金Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo，该合金具有更高的
拉伸强度和蠕变抗力，显微组织取决于热处理，主
要为a2、b和O相【第一代O相合金】
Ti3Al基合金的发展
O相（基于Ti2AlNb，正交结构，可看作α2
的畸变结构；
•3）β稳定元素含量在23％以上，如GE公司
研制的Ti-24.5Al-23.5Nb和Ti-22Al-27Nb合
金，显微组织为O＋β，这类以O相为基的合
金比α2合金和超α2合金有更高的高温屈服强
度、蠕变抗力和断裂韧性，已经成为近期研
究的重点【第二代O相合金】。
国内Ti3Al基合金的发展
•国内对Ti3Al基合金的系统研究始于20
世纪80年代中期，主要的研究集中在钢
铁研究总院和北京航空材料研究院。
•钢铁研究总院：TAC系列
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