1　前言
ＴｉＡｌ基合金以其高的比强度,比刚度及较好的高温性能,越来越受到人们的重视。然而,该材料同时也存在着室温脆性及900℃以上抗氧化性能不足等问题[1]。添加合金元素对改善材料性能具有重要意义。研究表明,添加适量Ｃｒ可以提高其延性[2,3];添加难熔金属Ｎｂ元素可以改善其高温抗氧化性能[4,5]。因而,Ｔｉ-47Ａｌ-2Ｃｒ-2Ｎｂ合金便成为了第二代改良型ＴｉＡｌ基合金的代表,受到了较广泛的研究[6-8]。粉末冶金方法由于能够制备组织细小均匀,无疏松,缩孔及成分偏析等缺陷的合金材料,在ＴｉＡｌ基合金制备中也有广泛的应用。但由于ＴｉＡｌ基预合金粉末制备上的困难和价格上的昂贵,采用元素粉末无疑是一种廉价的手段。目前,国内外在元素粉末冶金ＴｉＡｌ基合金的制备上主要是采用机械合金化,热挤压和热等静压相结合的方法[9,10],但这些方法在工艺上都比较复杂,且不利于零部件的近终成形。本文将研究采用粉末冶金高温热压和热等静压相结合的方法合成Ｔｉ-47Ａｌ-2Ｃｒ-2Ｎｂ合金的工艺及材料显微组织特性,探索采用该工艺制备ＴｉＡｌ基合金的可行性,同时研究采用热等静压工艺对材料的显微组织和相成分的影响。

2　材料制备
将元素Ｔｉ粉,Ａｌ粉,Ｃｒ粉(粒度均为45μｍ),Ｎｂ粉(粒度(100μｍ)按Ｔｉ-47Ａｌ-2Ｃｒ-2Ｎｂ(ａｔ%)配比混合,在球磨筒中混合4ｈ,转速为120ｒ/ｍｉｎ。在普通压机下,将混合好的原料单向压制成约Φ18ｍｍ×30ｍｍ的圆柱样,压坯压力采用600ＭＰａ。压制密度约为76%理论密度。将压坯置于石墨模中,采用Ａｒ气气氛,流量为2Ｌ/ｍｉｎ,升温速度约100Ｋ/ｍｉｎ,分别在1200℃,1300℃温度下热压1ｈ,均先在800℃保温0.5ｈ,然后开始加压,压力为40ＭＰａ。采用这种工艺的原因是防止热压过程中液体Ａｌ的溢出,而在800℃下保温可以让熔化的Ａｌ与Ｔｉ反应。由于液体Ａｌ与Ｔｉ的反应速度很快,液体Ａｌ很快被消耗掉,因此在随后的加压烧结过程中就不会发生Ａｌ的溢出。热压后的样品再经过热等静压(1250℃,160ＭＰａ,4ｈ)。采用阿基米德法测量密度,并通过制样,采用光学显微术,ＳＥＭ,ＥＤＡＸ,ＸＲＤ分析显微组织,相组成和成分。

3　结果和讨论
经过高温热压后的材料具有很高的致密度,残余孔隙直径约10μｍ,且均为闭孔隙。由阿基米德法测量的Ｔｉ-47Ａｌ-2Ｃｒ-2Ｎｂ密度为:1200℃热压的材料,3.98ｇ/ｃｍ3;1300℃热压的材料,4.00ｇ/ｃｍ3;而经过热等静压后上述材料的密度均为:4.01ｇ/ｃｍ3。
图1　在不同温度下热压后的Ｔｉ-47Ａｌ-2Ｃｒ-2Ｎｂ合金的显微组织(ａ)1200℃,1ｈ;(ｂ)1300℃,1ｈ
图1显示的是经过不同温度热压后材料的显微组织。经过1200℃热压后的ＴｉＡｌ基合金的显微组织主要由岛状的α2相,α2/γ层片状晶团和细小等轴状组织组成,还存在一些反应未完全的组织,如图1ａ所示。经过1300℃热压后的ＴｉＡｌ基合金的显微组织为近全层状组织,还存在少量的γ相晶粒,同时也存在一些反应未完全的组织;该组织中层片状晶团的平均尺寸为60μｍ,如图1ｂ所示。图中的腐蚀不均匀主要是由于成分的不均匀所致。
ＥＤＡＸ面分析表明在α2/γ层片组织中Ｃｒ,Ｎｂ元素的分布基本均匀,如图2所示。Ｃｒ,Ｎｂ元素的加入有助于降低ＴｉＡｌ基合金的Ｔα温度,增加合金在高温时α相的含量[6]。冷却时,γ板条将从α或α2相中按照严格的位相关系析出:<110>γ//[120]α//{111}γ//(0001)α,因此在1300℃能得到近全层片组织的ＴｉＡｌ基合金。但是在局部存在合金化元素Ｎｂ的扩散不完全,如图3ａ所示。图中的块状物为原来的Ｎｂ颗粒,在其周围呈放射状分布着大量的树枝状物。颗粒内部仍含有大量的Ｎｂ(74%,以下为原子分数),周围树枝状物中的Ｎｂ含量较少(27%),而树枝状物中间的灰色相约含Ｎｂ10%,如图3ｂ-ｄ所示。这表明反应过程中,Ｎｂ向周围扩散,但是由于有的颗粒太大,而且固相扩散的速度比较慢,因此在短时间内不能完全固溶到周围基体中去。而在周围富Ｎｂ处出现Ｔｉ-Ａｌ-Ｎｂ析出相,因为这种组织与高Ｎｂ(10%)的钛铝合金的组织很相象[11]。另外还发现残余的Ｎｂ颗粒内Ａｌ元素含量高于Ｔｉ的含量;而在颗粒外则相反。这主要是由于Ａｌ元素的扩散速率要高于Ｔｉ元素。