0 引言
随着工业的快速发展，TiAl材料凭借自身低密度，高温强度，优异抗氧化性和抗蠕变性[1-6]不断地被应用到制造业各领域中，尤其在高温下优异的力学性能、抗蠕变性等因素，使其成为汽车[7, 8]、航空领域[9, 10]的最具有潜力材料，因此也成为各个科研院所以及高校的研究热门，但TiAl材料较低的断裂韧性[11]、低室温塑性[12]、高温抗氧化能力不足[13]等因素，使其应用领域被限制，不能广泛应用。为了更好地提高TiAl合金的综合性能，专家和学者进行了较多的实验探究，通过添加合金元素、表面改性、合成复合材料等技术，都能有效地改善TiAl材料所存在的缺陷。在不断完善TiAl合金性能的研究过程中，发现一些常见自润滑基体材料在高温等特殊环境中并不适用，由于TiAl合金高温各方面的优异性能，相关专家学者也提出在TiAl合金中添加一定量的润滑相，可以在高温等特殊环境中得以应用，代替那些在高温等特殊环境中不适用的自润滑基体材料，经过大量实验探究表明TiAl复合材料有望发展成为高温自润滑材料，这也有力推进TiAl合金材料进一步发展。目前，国内外针对TiAl材料的发展研发推出了不同阶段的TiAl材料产品，例如TiAl合金，TiAl基复合材料（TiAl基金属间化合物）和新型TiAl基自润滑材料。
1 TiAl合金
TiAl合金于20世纪50年代被发现，但其较低的室温塑性未得到解决，因此TiAl合金的发展研究也一直停滞，直到20世纪80年代，由美国人设计以Ti48Al1V0.3C为代表的第一代TiAl合金，在一定程度上改善了TiAl合金的延展性、抗高温蠕变性，但其综合性能并不能够满足航空发动机的性能要求。而第二代TiAl合金的研发，抗氧化能力、抗蠕变性等特性都强于第一代TiAl合金，第二代TiAl合金的典型代表就是美国与GE公司联合研发的Ti-48Al-2Cr-2Nb和Howmet公司研发的Ti-(45~47)Al-2Mn-2Nb-0.8TiB，不仅在室温强度和抗氧化能力上有所提高，同时也在一定程度上改善了TiAl合金的断裂韧性和室温塑性[14]。目前已经发展到了第三代和第四代TiAl合金，在第二代TiAl合金的基础上既要考虑到较差的断裂韧性和室温塑性，更要考虑到TiAl合金的抗蠕变性和高温抗氧化能力等。
TiAl合金有着4种典型的显微组织：(1)近γ组织，由粗大的γ等轴晶及较细的γ+α2混合组成；(2)双态组织，由细小的层片块和细小的γ+α2等轴晶组成；(3)近层片组织，由较大的层片块和较细的γ+α2等轴晶组成；(4)全层片组织，由较大的层片状组成。并且其显微组织对其性能有着巨大的影响[15-17]，其中双态组织延性最好，但断裂韧性较低；细小的全片层组织综合力学性能最优。为了在反应过程中转化形成最佳合金组织，专家学者通过多种方法进行完善，研究表明主要通过含成分含量设计和合金化两种方法来获得细小均匀、少偏析的合金组织。成分含量设计主要在于Al含量的减少，从而使得α2相含量增加，片层间距减小，提高合金强度; Imayev R M等[18]就研究了铝含量和添加其他合金元素对TiAl合金铸造组织的影响，结果表明通过β相固化的合金组合物，可以获得没有强烈偏析、精细均匀的微观结构，这主要是避免包晶凝固和合金化对凝固后β→α动力学的影响。Singh A K[19]和Laurin D[[20]也证明了在一定低含量Al范围之间，能够满足合金在凝固过程中形成最佳Ti Al 合金相。
为了更好地提高TiAl合金各方面性能，合金化成为了提高TiAl合金性能的有效方法，研究也发现W、C、Mo、Nb等合金元素[21-25]能够对TiAl基合金显微组织产生影响，显著地提高其性能[26-28]。合金元素W的添加可能阻碍界面滑动，改善TiAl整体抗蠕变性[29]，但过多的W会造成β相增加，从而导致TiAl合金蠕变强度下降[30]。A.M Hodge等人[31]也证明了其观点的正确性，发现低应力状态下W的添加可以提高完全层状TiAl合金的抗蠕变性能，但加入过量的W会导致β相形成，这将对蠕变强度产生不利影响。同时W元素的添加也会促进晶粒细化，提高合金高温强度。Sun H L等人[32]研究了两种含W且Al含量不同的γ-TiAl基合金在铸态条件下的微观组织，发现重金属与轻金属发生分离，导致W和Nb在树枝状晶核中分枝成枝晶核和Al。α2+γ片层的平均Al含量在枝晶间区域接近46％，在枝晶核心区域内低于44％；在44Al合金中形成约15％的粗大菌落，46Al合金中形成约60％的粗大菌落。枝晶核心区域Al和Nb含量的减少可以有效实现晶粒细化，W和Ti的富集确保L→β凝固路线；相反，枝晶间区域的凝固涉及包晶反应L +β→αp，形成了异常大的αp晶粒（α2+γ片状集落）。