TC4/TA15高溫鈦合金的特性及其在航空發(fā)動機中的應(yīng)用

引言

鈦合金具有耐腐蝕性好、密度低、強度高、耐熱性高等諸多優(yōu)點，高溫鈦合金指一般長時間使用溫度高于400℃的鈦合金，相較普通鈦合金具有更好的比強度、高溫蠕變抗力、疲勞強度、持久強度和組織穩(wěn)定性。由于航空發(fā)動機中的零部件處于高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的極端環(huán)境中，因而要求材料具有耐高溫、重量輕及抗蠕變能力強等特點。高溫鈦合金憑借其優(yōu)異的材料力學(xué)特性可以很好地滿足航空發(fā)動機的這些要求，并且可以很好地提高發(fā)動機的推重比及燃油效率。隨著航空發(fā)動機高推重比的要求越來越高，其內(nèi)部的工作溫度和壓強越來越高，對高溫鈦合金特性提出了更加嚴(yán)苛的要求。目前工程上應(yīng)用比較成熟的鈦合金，比如英國的IMI834鈦合金，最高使用溫度已經(jīng)達(dá)到600℃左右。目前高溫鈦合金 的使用已經(jīng)成為衡量航空發(fā)動機先進(jìn)程度的指標(biāo)之一。本文重點闡述了高溫鈦合金的高溫力學(xué)性能及其在航空發(fā)動機上的應(yīng)用，并對我國如何發(fā)展高溫鈦合金提供一些思路。

1、高溫鈦合金的特性

1.1　高溫鈦合金的氧化行為

由于航空發(fā)動機是在高溫下工作的，其中的高溫鈦合金部件會承受氧化腐蝕的作用，鈦合金的高溫力學(xué)性能也受其抗氧化腐蝕能力的制約。鈦合金的氧化會在其表面形成一層氧化膜，使得金屬內(nèi)部與外界環(huán)境隔離，性質(zhì)較穩(wěn)定，不會被進(jìn)一步氧化，但隨著溫度的升高，表面氧化膜的循環(huán)層狀剝落。鈦合金在高溫應(yīng)用時由于受到氧化腐蝕作用的影響，其高溫力學(xué)性能會有所下降。李旭升等總結(jié)了使用溫度在500℃~750℃的高溫鈦合金的氧化行為，研究表明溫度對高溫鈦合金的氧化速率有很大的影響，在氧化初期氧化增重呈直線型變化，隨著氧化層的增重，化學(xué)反應(yīng)速率減小，呈拋物線形增重，并且氧化膜的組成除TiO₂外還有Al₂O₃。曾尚武等研究了TC4鈦合金的高溫氧化行為，研究發(fā)現(xiàn)TC4在650℃的氧化膜中能夠在循環(huán)氧化時保持完整，但在更高溫度時可能會開裂和剝落。目前有多種提高高溫鈦合金抗氧化能力的方法，如在純鈦加入其他合金元素，制成多種新型鈦合金。如加入鋁元素，形成一層致密的氧化膜，保護(hù)鈦合金免受氧化腐蝕，從而提高鈦合金的高溫抗氧化能力，此外，硅元素及鉻元素同樣可以形成氧化膜。然而過度的合金化也會影響材料的物理性質(zhì)，在提高高溫鈦合金抗氧化能力的同時，高溫鈦合金的其他高溫力學(xué)性能可能也會受到影響，使其無法很好地應(yīng)用在航空發(fā)動機中，因此如何合理地添加合金元素還需要繼續(xù)進(jìn)行研究。另外一種方法是在鈦合金表面填涂具有抗高溫氧化的材料，比如通過在TC4高溫鈦合金表面進(jìn)行滲鋁的形式可以很好地提高其高溫抗氧化能力，此外還有預(yù)氧化等方法也可以提高抗氧化能力。但目前每種方法都有一定的局限性，需要綜合運用多種抗氧化措施來保證高溫鈦合金的高溫力學(xué)性能。

1.2　高溫鈦合金的疲勞特性

在航空發(fā)動機中結(jié)構(gòu)或零件承受的主要是交變載荷，疲勞失效是主要的失效模式。張亞娟等通過試驗研究了Ti-6Al-4V鈦合金的疲勞裂紋擴展特性，研究表明隨著應(yīng)力比的增加，疲勞裂紋擴展門檻值會降低，并且在應(yīng)力強度因子一定時，裂紋擴展速率與應(yīng)力比成正相關(guān)。近年來隨著對航空發(fā)動機高可靠、長壽命的要求，這使得結(jié)構(gòu)或材料要能承受107次以上的載荷作用，也就是超高周疲勞作用。李久楷等對TC17鈦合金的高溫超高周疲勞行為研究表明，疲勞S-N曲線在1 0 7次左右時出現(xiàn)拐點，裂紋萌生于表面或亞表面，同時高溫會促進(jìn)裂紋的擴展。鈦合金的疲勞失效時有發(fā)生，需要采用一些抗疲勞措施來提高其疲勞特性。噴丸強化技術(shù)是目前廣泛使用的一種提高零件疲勞性能的方法，該方法的原理主要是在試件表面形成殘余壓應(yīng)力來部分抵消外加載荷的作用，從而提高零件的疲勞性能。何杉等研究了噴丸強化處理對TC17鈦合金疲勞性能的影響，研究表明經(jīng)噴丸強化處理的材料的疲勞極限可以提高34%以上，噴丸強化處理對提高疲勞性能效果非常顯著。除噴丸強化外，擠壓強化及離子注入等也是提高鈦合金疲勞性能的方法。鈦合金的疲勞特性對航空發(fā)動機的安全服役有很大影響，雖然目前對鈦合金的疲勞特性進(jìn)行了大量的試驗及理論研究，但是很多機理還沒有揭示，需要綜合運用抗疲勞措施來提高鈦合金使用安全性。

1.3　高溫鈦合金的蠕變特性

由于航空發(fā)動機中零部件都在高溫下工作，蠕變對航空發(fā)動機的使用壽命及安全性能有著極大的影響。蠕變通常是指在高溫持久載荷作用下材料所發(fā)生的一種緩慢的不可恢復(fù)的變形。王琪等對TA15鈦合金的高溫蠕變行為進(jìn)行研究，結(jié)果表明一定的溫度和應(yīng)力范圍內(nèi)TA15合金蠕變變形過程中位錯的滑移和攀移起重要作用，在550℃以上時位錯攀移起主要作用。應(yīng)力、時間、溫度、合金元素、微觀組織等都對高溫鈦合金的蠕變行為起到一定作用。李榮等對TC4鈦合金棒材蠕變特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明隨著試驗應(yīng)力的增加，其蠕變過程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時間會變短，而穩(wěn)態(tài)時蠕變速率會變快。對于蠕變的研究要結(jié)合蠕變疲勞的交互作用開展，因為在發(fā)動機中零部件的失效常常是在兩者的共同作用下發(fā)生的。

2、高溫鈦合金在航空發(fā)動機上的應(yīng)用

航空發(fā)動機是整個飛行器中最重要的部位，是保障安全完成飛行任務(wù)的核心所在。鈦合金已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于航空發(fā)動機的很多部件中，鈦合金的應(yīng)用可以進(jìn)一步提高航空發(fā)動機的推重比，提高其經(jīng)濟性。鈦合金在航空發(fā)動機中的應(yīng)用比例也是衡量發(fā)動機先進(jìn)程度的重要指標(biāo)，目前最先進(jìn)的航空發(fā)動機美國F22戰(zhàn)機使用的F119發(fā)動機鈦合金用量已經(jīng)達(dá)到40%左右。航空發(fā)動機中的葉片、葉盤及機匣等很多都是用鈦合金制造的，已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用和正在開發(fā)的鈦合金關(guān)鍵部件包括鈦合金風(fēng)扇、鈦合金整體葉盤、整體葉環(huán)、連續(xù)纖維增強鈦基復(fù)合材料葉片和鈦合金機匣等。

隨著鈦合金關(guān)鍵部件設(shè)計及制造水平的不斷提高，會有越來越多的鈦合金航空發(fā)動機關(guān)鍵部件。

3、總結(jié)與展望

高溫鈦合金由于其優(yōu)異的物理化學(xué)特性被廣泛應(yīng)用在航空發(fā)動機上，隨著對航空發(fā)動機推重比的要求越來越高，無論是鈦合金的使用量還是其力學(xué)性能的要求都會越來越高。在國家“兩機專項”大力發(fā)展航空發(fā)動機的背景下，研制高性能的高溫鈦合金材料是提升我國航空發(fā)動機性能的關(guān)鍵。美英等發(fā)達(dá)國家對高溫鈦合金的研究起步較早，其研制的鈦合金憑借優(yōu)異的性能已經(jīng)廣泛應(yīng)用于先進(jìn)航空發(fā)動機中，推動了航空發(fā)動機的升級換代。

我國由于鈦合金的研究起步較晚，跟發(fā)達(dá)國家還有一定差距，為此要：①對高溫鈦合金的發(fā)展要有一個科學(xué)的規(guī)劃，組建一批高水平的專家科研隊伍，確定高溫鈦合金的科研方向，組建科研平臺，完善高溫鈦合金的研發(fā)體系，注重研發(fā)與大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用間的關(guān)系；②積極探索研發(fā)新型高性能多用途的高溫鈦合金材料，特別是能在600℃以上穩(wěn)定工作的鈦合金，對于TiAl合金及SiCf/Ti復(fù)合材料等未來的高溫鈦合金材料，要積極投入人力物力進(jìn)行前瞻性基礎(chǔ)性研究；③注重對高溫鈦合金生產(chǎn)制造水平工藝的研究，很多時候零部件達(dá)不到性能要求主要是由于生產(chǎn)制造水平不過關(guān)引起的，因此在研發(fā)新型高溫鈦合金的同時也要注重生產(chǎn)工藝的研究。

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