TiAl合金兼有金属的高温韧性及陶瓷的高温性能,另外还具有低密度、优异的高温强度、良好的抗氧化性和抗蠕变性等优异性能。普通钛铝合金的室温塑性和断裂韧性较低,在800℃以上抗高温蠕变和抗高温氧化性能较差。为了改善TiAl合金的室温塑性和高温抗氧化性能,在TiAl合金中添加Nb,是提高TiAl基合金的室温塑性和高温抗氧化性能的最有效的手段。Nb元素能有效提高合金的熔点及有序化温度,使钛铝合金的使用温度达到900℃以上,同时具有良好的抗氧化性能,又发挥了钛铝基合金密度小、晶体结构简单和易于控制显微组织而改善性能的优点。通常情况下,钛铝合金的制备都是运用粉末冶金的方法直接进行高温熔炼合成,成本巨大。本课题提出运用多级还原手段来制备钛铝合金的新方法,其主要步骤为:首先将TiO2、Nb2O5、Al粒、KClO3、CaO原料进行自蔓延反应生成一次合金产物;再利用真空感应炉加Ca进行二次还原脱氧,得到最终合金产物。为了最终得到符合Ti45A18Nb合金成分标准的钛铝合金,本文对自蔓延过程和深度还原过程进行了系统的研究,以得到最佳的工艺参数。对自蔓延过程和深度还原过程的热力学进行计算,结果表明:在自蔓延过程中,反应体系的单位质量热效应随着KClO3的配入量增加而增大、随CaO的增加而减少、随Al的增加而增大。建立Ti-Al-Nb-O体系的热力学模型,随着Al的配入量增大,有利于体系中钛的氧化物被还原成Ti,为了得到成分比例最佳的合金,在绝热温度2100 K下,0.8是理论上最佳的配铝系数。在深度还原过程中,1673～2073 K条件下Ca与Ti所有氧化物的ΔG均小于零,证明还原反应均可以发生。针对自蔓延过程,探究了单位质量热效应、造渣剂CaO的加入量、还原剂Al的加入量对合金收率、产物成分、渣金分离情况的影响规律。结果显示:随着单位质量热的增大,反应愈发剧烈迅速,合金的收率也增大,渣金分离情况变好,对合金的金属成分影响不大,但O含量有明显减低,最低可达到1.2%。随着造渣剂CaO配入量的增加,合金收率先升高后减低,金属中夹杂物主要为Al2O3,渣金分离情况在配渣系数不足0.3和超过0.4的情况下较差,在0.3～0.35的情况下较好。随着还原剂Al配入量的增加,合金成分中Al的比例明显增多,而渣金分离情况先好后差,0.8配铝系数实验组得到的合金成分最符合目标成分。针对深度还原过程,探究该过程是否可以有效地降低O的含量,二次还原剂Ca的加入量对脱氧情况的影响。结果显示:经过深度还原过程,合金中的Al含量减低,Ti含量升高,O含量明显减低,N含量升高。合金的杂质减少但致密性变差。而还原剂Ca的过量配入并不能进一步加强脱氧效果。氧含量可由还原前1.2%减低至 0.36%。采用多级还原法可制备出Ti、Al、Nb、O和N质量分数分别为52.8%、28.4%、17.3%,0.36%和0.048%的钛铝合金,金属成分符合Ti45Al8Nb标准,O含量距离国家标准0.2%还有一定差距,但已证明该方法制备Ti45A18Nb是可行的。