航空用高溫鈦合金TC4/Ti60/TC17等牌號的應用及發(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、無磁性等優(yōu)點，廣泛應用于船舶海洋工程等各領域。隨著經濟的高速發(fā)展，鈦合金應用研究領域不斷深入。

目前國際上消費量最大的是航空航天領域使用鈦合金，航空工業(yè)的發(fā)展促進鈦合金的發(fā)展，鈦合金可以減輕飛機重量，提高飛機推重比，鈦合金被稱為航空工業(yè)的脊柱。目前 各國鈦合金研究者參與高溫鈦合金的研發(fā)，我國研制出服役溫度達600℃的具有良好抗蠕變性能的高溫鈦合金Ti-60，鈦基復合材料使用溫度達到更高水平。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，由于鈦廣泛用于國防科技領域，美國等軍事強國高度重視鈦的開發(fā)利用，一些學者不斷對鈦合金進行研究[1] 。國外高溫鈦合金研究活躍，由于高溫 鈦合金主要用于飛機發(fā)動機壓氣盤等，發(fā)動機要求高溫鈦合金材料具有良好室溫性能，熱穩(wěn)定性等，對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世紀初高溫鈦合金應用溫度達到600℃。目前成功用于軍民用飛機發(fā)動機新型高溫鈦合金有英國的IMI834合金等。我國研制出Ti55，Ti53311S，Ti60等高溫鈦合金[2] 。當前我國研制高溫鈦合金在航空中未實現(xiàn)有效應用。目前鈦合金在航空發(fā)動機上用量成為衡量其先進度的重要指標。如第四代戰(zhàn)斗機F-22裝配F119發(fā)動機用鈦量達35%。高溫鈦合金材料在航空發(fā)動機上用于制造相應機閘組件等。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)動機風扇處于發(fā)動機前端部分，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)動機高壓壓氣機靠近燃燒室，目前由于鈦合金受到最高工作溫度限制，大部分發(fā)動機壓氣機轉動組件采用鎳基高溫合金制造，大大增加航空發(fā)動機的自重。50年代研發(fā)的Ti-6Al-4V鈦合金長期最高工作溫度為350℃[3] 。目前世界上長期工作溫度達500℃以上的工程化鈦合金有美國研發(fā)的Ti-1100鈦合金，我國研發(fā)的Ti-60鈦合金等。

表1 飛機結構用材比例%

2、國外高溫鈦合金的應用

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

美國鈦工業(yè)起步較早，鈦合金基礎研究處于領先地位。20世紀60年代美國開發(fā)在450℃下使用的Ti-6246高溫鈦合金，廣泛用于大型運輸渦輪噴氣發(fā)動機。70年代開發(fā)在500℃以上適用的Ti-6242S合金，目前廣泛用于渦輪發(fā)動機部件。近幾年美國麥道公司采用粉末冶金技術研制在760℃使用的高致密性高溫鈦合金，可量產高溫鈦合金Ti-21Nb-14Al，目前得到高壓壓氣機閘等部位的應用。

3、中國高溫鈦合金的發(fā)展

我國鈦合金發(fā)展繼承主要鈦研究生產國家的做法，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80年代前我國航空鈦合金研究走仿制路線，如使用溫度在500℃的TC11華金對應蘇聯(lián)的BT9合金。歐美國家航空發(fā)動機進入中國市場，我國紡織英美國家高溫鈦合金，如TC17對應美國牌號Ti-17。我國鈦合金自主研發(fā)不斷加快，Ti-55是我國自主研制的在550℃使用的高溫鈦合金，通過添加矢量稀土元素Nd，凈化合金基體，使合金設計具有優(yōu)良熱強性。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，特點是加入適量稀土元素Y，與英國IMI834合金性能相當。

我國研制的在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℃高溫鈦合金難點是高溫蠕變性能對各種因素敏感，如間隙元素含量等。航空航天等發(fā)動機更新加速，對高溫結構材料性能提出新的要求。Ti 3 Al基金屬化合物滿足更剛強耐熱的要求，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顆粒增強鈦基復合材料。目前我國對Ti 3 Al基金屬化合物研究相比國外存在較大差距，有必要推動我國相關科研水平提升。

4、高溫鈦合金典型組織與性能關系

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

鈦合金不同微觀組織形態(tài)對應不同的力學性能，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度，持久強度較好，但疲勞強度較差，魏氏組織應用不如其他類型廣泛。網籃組織塑性較高，高溫持久強度較好。雙態(tài)組織性能與魏氏組織特點相反，初生α顆粒為15%~45%時兩相鈦合金綜合力學性能最佳，在兩相曲邊形抗力相對較大。等軸組織對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，鈦合金與氧反應導致塑性降低，高溫鈦合金中含有Al元素，合金材料化學組成多樣，高溫鈦合金氧化行為通常采用Wagner氧化理論關系式表示。

高溫鈦合金高溫下使用組成合金組分發(fā)生擴散，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Ti60合金進行高溫連續(xù)氧化行為分析，發(fā)現(xiàn)720℃時Ti60合金有較厚表面富氧層。800℃時內氧化現(xiàn)象沒有720℃嚴重，由于次表層較寬貧鋁區(qū)生成TiO 2 膜對基體保護作用不同。Ti60合金在高溫下氧化后次表面貧鋁保破壞保護性氧化膜生成條件，鈦合金在500℃ ~900℃下氧化行為在文獻中較為常見。研究表明1000℃氧化時，氧化膜粘附性較好。1100℃氧化時出現(xiàn)開裂，1300℃時氧化層脫落。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，隨熱暴露時間延長，壓力差作用下使得生成氧化膜致密性下降。高溫鈦合金氧化機理不同，隨著氧化時間延長，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，各國加大對高溫鈦合金研發(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進行補充強化的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，針對高溫鈦合金發(fā)展瓶頸提出未來發(fā)展方向。

高溫鈦合金未來發(fā)展趨勢是加大對Ti-Al基合金的研制力度，合金元素設計又少元到多元，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，合金化是獲得力學性能的重要手段，進行針對性合金化設計能充分發(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，顆粒增強鈦基復合材料具有優(yōu)勢，可能提高鈦合金溫度使用范圍。嚴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、結語

高溫鈦合金未來發(fā)展趨勢是研發(fā)具有特殊用途的高溫鈦合金，合金向多元強化方向發(fā)展 ；目前金屬件化合物耐熱鈦合金成為研究熱點，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用前景的重要元素，稀土元素在合金中的機制作用有待研究。

【參考文獻】

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

[2] 郭鯉,何偉霞,周鵬,劉標.我國鈦及鈦合金產品的研究現(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.鈦合金及鈦基復合材料在航空航天的應用和發(fā)展[J].航空材料學報,2020,40(03):77-94.