航空用高溫鈦合金TC4/Ti60/TC17等牌號(hào)的應(yīng)用及發(fā)展概述

鈦在地殼中含量豐富的元素中居第9位，鈦合金具有比重小、焊接性能好、無(wú)磁性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于船舶海洋工程等各領(lǐng)域。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，鈦合金應(yīng)用研究領(lǐng)域不斷深入。

目前國(guó)際上消費(fèi)量最大的是航空航天領(lǐng)域使用鈦合金，航空工業(yè)的發(fā)展促進(jìn)鈦合金的發(fā)展，鈦合金可以減輕飛機(jī)重量，提高飛機(jī)推重比，鈦合金被稱為航空工業(yè)的脊柱。目前 各國(guó)鈦合金研究者參與高溫鈦合金的研發(fā)，我國(guó)研制出服役溫度達(dá)600℃的具有良好抗蠕變性能的高溫鈦合金Ti-60，鈦基復(fù)合材料使用溫度達(dá)到更高水平。但鈦合金熱穩(wěn)定性未 找到有效解決方法，是目前急需解決的問(wèn)題。

1、高溫鈦合金概述

鈦合金被稱為現(xiàn)代金屬，由于鈦廣泛用于國(guó)防科技領(lǐng)域，美國(guó)等軍事強(qiáng)國(guó)高度重視鈦的開(kāi)發(fā)利用，一些學(xué)者不斷對(duì)鈦合金進(jìn)行研究[1] 。國(guó)外高溫鈦合金研究活躍，由于高溫 鈦合金主要用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣盤(pán)等，發(fā)動(dòng)機(jī)要求高溫鈦合金材料具有良好室溫性能，熱穩(wěn)定性等，對(duì)材料成分與組織要求矛盾。

50年代后鈦合金使用溫度逐步提高，21世紀(jì)初高溫鈦合金應(yīng)用溫度達(dá)到600℃。目前成功用于軍民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)新型高溫鈦合金有英國(guó)的IMI834合金等。我國(guó)研制出Ti55，Ti53311S，Ti60等高溫鈦合金[2] 。當(dāng)前我國(guó)研制高溫鈦合金在航空中未實(shí)現(xiàn)有效應(yīng)用。目前鈦合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上用量成為衡量其先進(jìn)度的重要指標(biāo)。如第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-22裝配F119發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦量達(dá)35%。高溫鈦合金材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上用于制造相應(yīng)機(jī)閘組件等。目前世界上使用溫度最高的工程化鈦合金為MI934鈦合金。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇處于發(fā)動(dòng)機(jī)前端部分，通常使用工作溫度較低的Ti-6Al-4V鈦合金制造葉片等部件。航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)靠近燃燒室，目前由于鈦合金受到最高工作溫度限制，大部分發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)組件采用鎳基高溫合金制造，大大增加航空發(fā)動(dòng)機(jī)的自重。50年代研發(fā)的Ti-6Al-4V鈦合金長(zhǎng)期最高工作溫度為350℃[3] 。目前世界上長(zhǎng)期工作溫度達(dá)500℃以上的工程化鈦合金有美國(guó)研發(fā)的Ti-1100鈦合金，我國(guó)研發(fā)的Ti-60鈦合金等。

表1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)用材比例%

2、國(guó)外高溫鈦合金的應(yīng)用

近期國(guó)外科學(xué)家主要研究方向是采用快速凝固技術(shù)，利用顆粒物增強(qiáng)復(fù)合材料性能研制新型鈦合金，美國(guó)麥道公司采用新型技術(shù)研制出純度高的鈦合金，鈦合金在760℃下強(qiáng)度不弱于室溫。

美國(guó)鈦工業(yè)起步較早，鈦合金基礎(chǔ)研究處于領(lǐng)先地位。20世紀(jì)60年代美國(guó)開(kāi)發(fā)在450℃下使用的Ti-6246高溫鈦合金，廣泛用于大型運(yùn)輸渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。70年代開(kāi)發(fā)在500℃以上適用的Ti-6242S合金，目前廣泛用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件。近幾年美國(guó)麥道公司采用粉末冶金技術(shù)研制在760℃使用的高致密性高溫鈦合金，可量產(chǎn)高溫鈦合金Ti-21Nb-14Al，目前得到高壓壓氣機(jī)閘等部位的應(yīng)用。

3、中國(guó)高溫鈦合金的發(fā)展

我國(guó)鈦合金發(fā)展繼承主要鈦研究生產(chǎn)國(guó)家的做法，始于北京有色金屬研究院，中科院金屬研究所，洛陽(yáng)船舶材料研究所等科研單位及上海武鋼等企業(yè)成為研發(fā)高溫鈦合金的主力。20世紀(jì)80年代前我國(guó)航空鈦合金研究走仿制路線，如使用溫度在500℃的TC11華金對(duì)應(yīng)蘇聯(lián)的BT9合金。歐美國(guó)家航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，我國(guó)紡織英美國(guó)家高溫鈦合金，如TC17對(duì)應(yīng)美國(guó)牌號(hào)Ti-17。我國(guó)鈦合金自主研發(fā)不斷加快，Ti-55是我國(guó)自主研制的在550℃使用的高溫鈦合金，通過(guò)添加矢量稀土元素Nd，凈化合金基體，使合金設(shè)計(jì)具有優(yōu)良熱強(qiáng)性。寶雞鈦業(yè)股份公司參與研制用于600℃的Ti-60合金，Ti600是西北有色金屬研究院研制的近α鈦合金，特點(diǎn)是加入適量稀土元素Y，與英國(guó)IMI834合金性能相當(dāng)。

我國(guó)研制的在600℃工作的鈦合金有Ti600鈦合金，Ti600 合 金 名 義 成 分 為 Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.5Mo-0.4Si-0.1Y,研制600℃高溫鈦合金難點(diǎn)是高溫蠕變性能對(duì)各種因素敏感，如間隙元素含量等。航空航天等發(fā)動(dòng)機(jī)更新加速，對(duì)高溫結(jié)構(gòu)材料性能提出新的要求。Ti 3 Al基金屬化合物滿足更剛強(qiáng)耐熱的要求，北京航空材料研究院系統(tǒng)研究Tl 3 Al基合金，西北有色金屬研究院研制用于650℃的TP-650TiC顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。目前我國(guó)對(duì)Ti 3 Al基金屬化合物研究相比國(guó)外存在較大差距，有必要推動(dòng)我國(guó)相關(guān)科研水平提升。

4、高溫鈦合金典型組織與性能關(guān)系

鈦合金具有α-Ti與β-Ti同素異構(gòu)體，α相與β相尺寸及分布影響鈦合金機(jī)械性能，鈦合金微觀組織形態(tài)取決于合金化學(xué)成分，熱處理規(guī)范等，要想得到期望的微觀組織可通過(guò)報(bào)考固溶處理、再結(jié)晶等熱加工處理獲得。鈦合金可根據(jù)要求力學(xué)性能選擇顯微組織類型，通常分為魏氏組織、雙態(tài)組織等。轉(zhuǎn)變?chǔ)禄w分布有不連續(xù)初生α顆粒，α相包括轉(zhuǎn)變?chǔ)陆M織中片狀α相。生成等軸組織條件是低于雙態(tài)組織行車(chē)溫度兩相區(qū)變形。

鈦合金不同微觀組織形態(tài)對(duì)應(yīng)不同的力學(xué)性能，α合金具有較好的康蠕變性能。魏氏組織在原始晶粒不粗大下室溫抗拉強(qiáng)度，持久強(qiáng)度較好，但疲勞強(qiáng)度較差，魏氏組織應(yīng)用不如其他類型廣泛。網(wǎng)籃組織塑性較高，高溫持久強(qiáng)度較好。雙態(tài)組織性能與魏氏組織特點(diǎn)相反，初生α顆粒為15%~45%時(shí)兩相鈦合金綜合力學(xué)性能最佳，在兩相曲邊形抗力相對(duì)較大。等軸組織對(duì)其他組織具有較好室溫塑性，疲勞極限，但其斷裂韌性較差。高溫鈦合金抗氧化性是抵抗氧化性氣氛腐蝕作用能力，鈦合金與氧反應(yīng)導(dǎo)致塑性降低，高溫鈦合金中含有Al元素，合金材料化學(xué)組成多樣，高溫鈦合金氧化行為通常采用Wagner氧化理論關(guān)系式表示。

高溫鈦合金高溫下使用組成合金組分發(fā)生擴(kuò)散，不同溫度下使用高溫鈦合金表現(xiàn)不同的氧化特性。研究對(duì)Ti60合金進(jìn)行高溫連續(xù)氧化行為分析，發(fā)現(xiàn)720℃時(shí)Ti60合金有較厚表面富氧層。800℃時(shí)內(nèi)氧化現(xiàn)象沒(méi)有720℃嚴(yán)重，由于次表層較寬貧鋁區(qū)生成TiO 2 膜對(duì)基體保護(hù)作用不同。Ti60合金在高溫下氧化后次表面貧鋁保破壞保護(hù)性氧化膜生成條件，鈦合金在500℃ ~900℃下氧化行為在文獻(xiàn)中較為常見(jiàn)。研究表明1000℃氧化時(shí)，氧化膜粘附性較好。1100℃氧化時(shí)出現(xiàn)開(kāi)裂，1300℃時(shí)氧化層脫落。由于氧化層中CuO揮發(fā)使得氧化層與基體分離。研究發(fā)現(xiàn)Ti1100合金在500℃暴露時(shí)，隨熱暴露時(shí)間延長(zhǎng)，壓力差作用下使得生成氧化膜致密性下降。高溫鈦合金氧化機(jī)理不同，隨著氧化時(shí)間延長(zhǎng)，抗氧化能力降低。

5、高溫鈦合金的發(fā)展方向

高溫鈦合金研究水平制約航天事業(yè)的發(fā)展，各國(guó)加大對(duì)高溫鈦合金研發(fā)投入，但使用中出現(xiàn)蠕變抗力隨溫度升高下降制約高溫鈦合金的發(fā)展。目前高溫鈦合金發(fā)展路徑包括以 含2.25%-6%Al進(jìn)行補(bǔ)充強(qiáng)化的Ti-Al系為基的高溫鈦合金，以Ti-Al系高合金化合金為基的高溫鈦合金，針對(duì)高溫鈦合金發(fā)展瓶頸提出未來(lái)發(fā)展方向。

高溫鈦合金未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)是加大對(duì)Ti-Al基合金的研制力度，合金元素設(shè)計(jì)又少元到多元，重視稀土元素在高溫鈦合金中的作用。以Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α鈦合金為主導(dǎo)，合金化是獲得力學(xué)性能的重要手段，進(jìn)行針對(duì)性合金化設(shè)計(jì)能充分發(fā)揮合金元素功效。加入Al等元素可形成穩(wěn)定的α固溶體，擴(kuò)大α穩(wěn)定相溫度。加入Cr等合金元素可形成穩(wěn)定β固液體。Ti 3 Al金屬化合物使用溫度接近鎳基高溫合金，顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料具有優(yōu)勢(shì)，可能提高鈦合金溫度使用范圍。嚴(yán)格控制必要的合金元素含量，O,C,H等隨塑性影響限制合金的使用。

6、結(jié)語(yǔ)

高溫鈦合金未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)是研發(fā)具有特殊用途的高溫鈦合金，合金向多元強(qiáng)化方向發(fā)展 ；目前金屬件化合物耐熱鈦合金成為研究熱點(diǎn)，研發(fā)Ti-Al系金屬間化合物為基的合金。稀土元素是高溫鈦合金具有應(yīng)用前景的重要元素，稀土元素在合金中的機(jī)制作用有待研究。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 郭舉樂(lè),田永武.600℃高溫鈦合金的研究進(jìn)展[J].鑄造技術(shù),2020,41(09):894-896.

[2] 郭鯉,何偉霞,周鵬,劉標(biāo).我國(guó)鈦及鈦合金產(chǎn)品的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].熱加工工藝,2020,49(22):22-28.

[3] 劉世鋒,宋璽,薛彤,馬寧,王巖,王立強(qiáng).鈦合金及鈦基復(fù)合材料在航空航天的應(yīng)用和發(fā)展[J].航空材料學(xué)報(bào),2020,40(03):77-94.