金属间化合物是指以金属元素或类金属元素为主构成的二元或多元合金系中出现的中间相化合物。按照用途可将其分为两类:一类是结构材料,主要是利用其强度、刚度、硬度、耐热性和抗高温蠕变等性能;另一类是功能材料,主要是利用其特殊的光学、电学、声学和热学等特征。用做结构材料的金属间化合物有多种亚型,其中主要包括镍、铁和钛的铝化物,例如Ni₃Al、NiAl、Ti₃A1、TiAl及Fe₃A1和FeAl等,它们主要用做高温结构材料。由于这类高温材料是具有有序结构相的金属间化合物,故又称高温有序合金或高温金属间化合物。与镍基高温合金相比,这类材料的高温性能更好,可在更高的温度下工作,而且密度小,抗腐蚀能力强,抗蠕变、抗疲劳性能好,因而它们作为新一代飞机发动机、火箭推进系统和空间动力系统的高温结构材料有着极大的竞争力。此外,它们还可用以制作锻模、工具、化工和石化生产设备、加热元件、轴承、汽缸以及环境控制设备,等等。在上述具有广泛应用前景的众多高温金属间化合物中,TiAl基金属间化合物近年来更引起了研究者极大的兴趣,它被视为最具竞争力的先进材料之一。本书就是一本介绍钛铝基高温金属间化合物的专著,是作者及其所指导的研究生最近10多年来关于钛铝合金研究的系统总结。本专著所收集的论文覆盖了钛铝金属间化合物理论和应用研究的主要方向,其中包括铸态法和粉末冶金法制备钛铝金属间化合物、钛铝合金组织与性能关系、钛铝金属间化合物超塑性加工新技术以及抗氧化等应用环境性能等方面。该书不仅记录了中南工业大学粉末冶金国家重点实验室TiAl合金研究的进展状况,同时也从不同角度反映了近十多年来国内外钛铝金属间化合物研究的发展过程。

本专著所介绍的钛铝合金的研究主要有三方面的重大进展。第一个进展是使TiAl合金的延性达到了5%。由于室温脆性一直是钛铝合金最突出的问题,80年代中期,我们把主要精力放在提高材料的室温延性上。经过6年多的探索,终于把TiAl合金的室温延性由开始时的0.5%逐步提高到3%,最后达到5%。第二个进展是使 TiAl合金的断裂韧性K_(IC)逐步提高到34 MPa·mm/^1/2。欲使TiAl合金成为一种有实用价值的材料,仅仅使室温延性单项指标提高到5%是不全面的(在某些应用场合,材料具有2%的室温延性或许也就可以实用了),材料的断裂韧性K_(IC)也是决定它能否实用的另一项重要性能指标,研究者必须能从工艺上调整合金的断裂韧性以满足材料的服役要求。第三个进展是使TiAl合金的超塑性达到了520%。TiAl基金属间化合物物要走向应用,除了需要完善其各种力学和化学性能外,可加工性亦是一个重要问题。超塑性成形是对材料进行加工,使其成形为应用器件的一种重要手段。钛铝合金的良好超塑性为其广泛应用创造了基本条件。

科学研究的关键在于创新,在于拥有自身的特征。本书所论及的课题包括四个方面的特色:第一个特色是采用二次包套快速变形法细化TiAl合金晶粒(参阅第4篇第 41节)。该独特方法使钛铝金属间化合物的研究进展产生了一次质的飞跃,它具有四大优点:首先,可大大细化铸态组织晶粒,使晶粒尺寸由铸态的数千微米细化至数十微米;其次,可通过锻造变形,使铸态合金的成分进一步均匀化;再次,可使被包套锻造的全部铸锭不产生裂纹;还有,可使被包套锻造的全部铸锭组织均匀。第二个特色是采用双温热处理,实现最终组织控制(参阅第4篇第39节)。该工艺通过二次具有相变的变温处理,一方面可进一步细化晶粒,另一方面可获得所需的各种均匀组织,例如细小的全层片组织、近γ组织和双相组织等。第三个特色是实施渗碳处理,大大提高了钛铝基合金的抗氧化性(参阅第6篇第64节)。第四个特色是采用双级退火处理,获得了细晶魏氏组织(参阅第2篇第23节),从而可进一步提高钛铝基合金的力学性能。

本专著在理论上所探讨的新观点包括三个方面。第一,揭示了TiAl合金中的超位错作用(参阅第2篇第16节)。实验发现,超位错并不是导致TiAl合金脆性的主要因素,这与传统的超位错引起TiAl脆性的机制是不一致的。第二,阐述了TiAl合金热压焊接的微区超塑性机理(参阅第6篇第78节)。显微结构分析表明,TiAl合金的热压扩散焊接是通过焊接的接头区产生微区超塑性变形进行的,在接头区发生了畸变储能和动态再结晶。第三,探明了TiAl合金的超塑性机理(参阅第6篇第77节)。研究发现,超塑性拉伸变形是通过局部硬化传递效应产生的。

作者对参与本专著出版工作并为本专著的研究工作做出了不懈努力和贡献的博士研究生和硕士研究生曲选辉、贺跃辉、熊翔、彭超群、周科朝、陈小群、刘 咏、刘文胜、刘志坚、王 彬、邓忠勇、孔高宁、陈伶晖、欧文沛、张 兵、陈 进、肖 刚、尹松波、唐建成、曹鹏和温金海等表示衷心感谢。

黄伯云

1998年11月24日于长沙