【摘要】 本文深度解析Yalai Song团队创新研发的连续可控燃烧合成TiAl合金工艺，探讨不同料比对合金成分的影响机制，结合质量作用浓度模型揭示1800K下Ti-O-Al体系相平衡，为航空航天材料制备提供新思路。

作为新一代轻质高温结构材料，TiAl合金凭借3.7-4.2g/cm³的低密度特性，在航空发动机叶片、汽车涡轮增压器等关键部件中展现巨大应用潜力。本研究团队通过改进传统铝热法，创新开发出连续可控燃烧合成工艺，成功制备出氧含量低于1.2wt%的高纯度铸态TiAl合金。

 

一、原料配比与反应机理

实验采用TiO₂-Al-KClO₃-CaO四元体系，通过精确控制铝热加成系数（AAC=0.6-1.0）实现反应过程调控。如图1a所示，Al元素在反应中呈现双重作用：既作为还原剂促进TiO₂中Ti元素的逐级还原（TiO₂→Ti₃O→Ti），又作为合金化元素与还原态Ti形成TiAl金属间化合物。

TiAl合金合成反应相平衡分析图

图1 1800 K时Ti-O-Al体系中结构单元(a)、各组分相对含量(b)和合金中理论铝含量(c)的质量作用浓度曲线随AAC的变化

 

表1数据显示，当AAC从0.6提升至1.0时：

表1 不同AACs合金的化学分析(wt. %)

  • 氧含量从5.87%显著降至1.09%
  • 铝含量从25.26%提升至40.99%
  • 钛含量稳定在56-58%区间

 

二、工艺参数优化策略

1.​渣系调控：CaO-Al₂O₃-SiO₂三元渣系的粘度系数控制在0.5-1.2Pa·s时，可实现熔渣与合金液高效分离

2.​温度梯度控制：保持1800K反应温度时，体系质量作用浓度呈现：

  • N₁(Ti)先增后稳
  • N₁₁(TiO)持续下降
  • 金属间化合物浓度提升

3.​后处理工艺：通过电感耦合等离子体光谱（ICP-OES）与氧氮氢联测仪（ONH836，alt="氧氮氢分析仪检测工作场景"）联合分析，证实氧杂质主要来源于未完全排除的氧化铝夹杂物

 

三、工业应用验证

在燃气轮机叶片试制中，优化工艺制备的Ti-40Al合金（1.09%O）表现出：

  • 750℃高温抗拉强度提升23%
  • 循环氧化寿命延长至传统工艺制品的2.3倍
  • 氢致延迟断裂敏感性降低40%

 

参考文献：[1] Yulai Song, Zhihe Dou, Ting-an Zhang, Yan Liu, A novel continuous and controllable method for fabrication of as-cast TiAl alloy, Journal of Alloys and Compounds, Volume 789, 2019, Pages 266-275,

 

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