發布日期：2024-6-30 11:31:13
1 、概述
1.1 高溫鈦合金發展歷程
近年來，隨著科技及軍工水平的不斷飛升，對航空發動機推重比性能以及壓氣機的工作狀態要求更為苛刻，在依靠整體葉盤、葉環等新型結構件的同時，還要更多地依賴于具有高比強度、低密度和耐高溫強的先進合金材料，而高溫鈦合金恰恰符合了這一要求。國外先進航空發動機中，高溫鈦合金用量已占到發動機結構中的 25%~40%，足以證明高溫鈦合金是不可或缺且具有研發性的金屬材料 [1] 下面將系統性的介紹航空航天用高溫鈦合金的研究發展歷程。從 20 世紀 50 年代以來，英國、美國、俄羅斯和中國等國家競相研制出不同使用溫度的 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 系高溫鈦合金，使得高溫鈦合金走過了快速發展的道路。1954 年，美國研發出了第一種實用型高溫鈦合金 TC4，高溫長時使用溫度為 300~350℃，被廣泛利用 [2] 。至 20 世紀 60 年代，美國又成功開發出可以在 450℃條件下使用的 Ti-6246 和 Ti-6242 合金，隨后其他各國相繼研究出使用溫度高達 400℃的 IMI550、BT3-1 等鈦合金，450~500℃的 IMI679、IMI685、Ti-6246 等鈦合金以及 500~550℃的Ti-6242S、IMI685、IMI829、BT2、BT18Ｙ等鈦合金 [3] 。航空發動機性能的不斷提升對高溫鈦合金的使用溫度提出了更高的要求，自 20 世紀 80 年代以來，為滿足發動機用材耐熱輕質的需求，600℃高溫鈦合金相繼問世 [4] 。1984 年，英國的 IMT 鈦公司和 Rolls-Royce 公司聯合開發出了國際上第一個使用溫度達 600℃的高溫鈦合金 IMI834。1988 年，美國開發出實用溫度 600℃的 Ti1100 高溫鈦合金。1992 年，俄羅斯在 BT18Y的基礎上用 5%的高熔點 W 代替 1%Nb，開發出 600℃的高溫鈦合金 BT36 [5] 。經過 50 多年的研究探索，于21 世紀初，高溫鈦合金短時使用溫度可穩定達到 600℃。在 600℃及 600℃以上的環境中，高溫鈦合金可代替鋼或鎳基合金用于制造航空發動機壓氣機輪盤、葉片、整體葉盤、機匣等，減輕結構 40%左右的質量，顯著提高發動機的推重比和使用性能 [6] 。為突破高溫鈦合金 600℃的熱障溫度，美國麥道公司采用快速凝固/粉末冶金技術，成功研制出一種使用溫度達到 650℃以上的高溫鈦合金，并且在 760 ℃下其強度與目前常溫下使用的鈦合金強度基本一致 [7] 。
我國高溫鈦合金研發工作起步較晚，從最初的仿制到國際合作以及現在的自主研發，得到了各具特色成分和性能的高溫鈦合金，如圖 1 所示為我國航空發動機用高溫鈦合金發展歷程 [8] 。其中 Ti-53311S 高溫鈦合金使用溫度為 550℃，用作航空發動機的耐熱部件，在航天工業領域中廣泛應用。我國自主研發的 600℃高溫鈦合金有中科院的 Ti60 合金、西北有色金屬研究院的 Ti600 合金、北航研究院的 TG6 合金以及航天所與上海鋼鐵研制所共同研制開發的 600℃短時 7715D 高溫鈦合金，后者于 1994 年成功用于通訊衛星 FY-25 發動機噴注器并圓滿完成太空任務 [9] 。在 2007 年后，由中科院金屬研究所、寶鈦集團和北京航空材料研究院合作開發了一種十組元短時使用溫度 750℃、長時使用溫度 650℃的近 α 型高溫鈦合金—Ti65 合金 [10] 。2009年航天三院通過改進傳統鈦合金各元素含量配比得到了一種新型短時使用溫度為750℃的近α高溫鈦合金—Ti75 合金 [11] 。近十幾年來，我國沒有研制出使用溫度更高的新型高溫鈦合金。
1.2 高溫 Ti-Al 基材料發展歷程
高溫鈦合金的發展受到 600℃熱障溫度的局限性影響，有序強化型 Ti-Al 系金屬間化合物便成為科研學者們的研究重點。密度（3.9~4.0g/cm 3 ），不到鎳基合金的 50%，具有較高彈性模量，良好的高溫強度、抗蠕變性能和抗氧化力等優點，且高溫穩定使用溫度可以達到 700~900℃。從 20 世紀 50 年代開始，蘇聯和美國等國家熱衷于 TiAl 合金的研究工作，并且發現二元鑄造 TiAl 合金具有良好的高溫力學性能和優異抗氧化性 [12] 。于 1975~1983 年，TiAl 合金主要研究方向為合金元素的調控。美國 Pratt&Whitney 實驗室的M.Blackburn 等人基于塑性和抗蠕變性能研發出 Ti-48Al-1V-0.3C 合金，其室溫塑性可達 2%，并稱之為第一代 TiAl 合金。該合金的強度不能滿足發動機部件的使用溫度要求，從而最終只停留在實驗室研究階段 [13] 。
1986~1991 年間，由美國空軍和 GE 公司共同開發的 Ti-48Al-2Cr-2Nb 鑄造合金合金已成功得到應用，成為第二代 TiAl 合金中最具有代表性的合金，該合金具有良好的綜合力學性能。基本上在同一時期，瑞典 ABB公司開發了 Ti-47Al-2W-0.5Si 合金。第二代 TiAl 合金平均穩定使用溫度 650℃，于 1992 年，戴姆勒奔馳集團屬下的發動機公司—希哈芬公司首次對合金發動機葉片進行了試驗，在經過 1000 次循環后完好無損；1995年，國外某高超聲速飛行器的蒙皮首次試用了 TiAl 合金板材，極大的促進了世界范圍內對合金板材的研究與推廣；1996 年，GE 公司用鑄造的方法，生產制造了適用于航空發動機的 TiAl 合金葉片，并將其推廣應用；1999 年，TiAl 基合金首次被商業應用于三菱賽車的渦輪增壓機 [14] 。第三代 TiAl 合金是由我國北京科技大學陳國良教授首先研究并提出，其特點為 Nb 含量為 5%~10%（質量分數），又稱為高 Nb-TiAl 基合金，可大幅度提高 TiAl 合金抗氧化性和高溫強度 [15] 。在此基礎上，國內外科學家共同努力，使 TiAl 合金的熔模鑄造技術取得了巨大的突破，GEnx 航空的第六級和第七級鎳基渦輪葉片已經被 Ti-48Al-2Cr-2Nb 葉片取代，多個該合金的零部件也已經成功進行發動機裝機實驗 [16] 。2004 年 4 月啟動研究開發的“夢想客機”波音 787成功試飛，其使用的發動機 GEnx 上采用了 TiAl 合金的鑄造葉片，這標志著合金應用正在不斷走向成熟 [17]在汽車和其他重要應用領域，TiAl 合金也得到了長足的發展。著名航空發動機廠商、全球最頂級豪華汽車制造商 Rolls-Royce，在車型 courtesy F Appel 上使用了 Ti-45Al-8Nb-0.5（B,C）合金鑄造的渦輪 [18] 。奧地利Plansee 公司研制了 γ-MET 系列合金，德國 GKSS 研究中心研制了 Ti-46Al-9Nb（TNB）系列合金，雙方還合作開發了 Ti-48Al-2Cr 合金等 [12] 。TiAl 合金的研究已經有了幾十年的歷史，可以將其總結為典型的幾種，如表 1 所示為典型幾代 TiAl 合金。
2 、工藝制備及技術特點
2.1 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 系高溫鈦合金
高溫鈦合金應首先具有高的熱強性，同時兼顧其他力學性能，因此常采用近 β 鍛造以及 β 固溶處理等工藝手段來獲得具有 α 片層和少量殘余 β 相組織的高溫鈦合金 [19] 。因世界各國對高溫鈦合金的性能要求不同，故對高溫鈦合金制備工藝的選擇也不盡相同。美國研發高溫鈦合金的思路主要是將多元合金化和組織調控相結合，通過調整合金元素的種類和含量以及熱處理制度來兼顧合金高的疲勞強度和蠕變強度，使其在高溫下能實現熱強性與熱穩定性的最佳匹配。有別于美國，英國更重視高溫鈦合金的蠕變強度，所開發的高溫鈦合金成分中基本都含有 Si 元素，研發思路主要是依靠 α 相的固溶強化來提高材料力學性能。早期俄羅斯研發的高溫鈦合金中除加入合金元素 Al、Mo、Si 外，還加入有共析型 β 穩定元素 Cr、Fe 來強化 α 和 β 相 [20] 。
但通過進一步研究發現，Fe 雖然是最強的 β 穩定元素之一，但它的加入會影響高溫鈦合金的熱穩定性，且熔煉時易產生偏析，所以逐漸減少了對 Fe 的使用，后期至今俄羅斯對高溫鈦合金的研究越發成熟，現已形成了一套完整的鈦合金體系 [21] 。目前，能穩定應用于航空發動機上的鈦合金的長時使用溫度仍不超過600℃，若高于 600℃，合金的蠕變抗力和高溫抗氧化性則急劇下降，只能作為短時高溫鈦合金結構件材料。
2.2 TiAl 系高溫鈦基材料
在過去 10 年左右的時間里，人們研究的成分范圍主要集中在 Al 含量為 44%~48%（原子數）之間的合金。高溫航空零用部件的需求量越來越大，許多合金系列都是這些部件的備選材料，但均有其適當的使用溫度。TiAl 系合金的目標是在 600~900℃范圍內取代超合金。其性能對成分高度敏感，高含量 Nb 加入會加重其室溫塑性和斷裂韌性的損失；加工溫區太窄，中低溫強度低，幾乎很難依賴加工硬化來提高合金的強度；無 Cr 的 TiAl 基金屬間化合物在 500~900℃的耐腐蝕性能差，元素熔點差異大，制備高質量合金鑄錠工藝繁瑣復雜并且成本很高 [22] 。目前提高 TiAl 合金室溫塑性的途徑大體上有三種：通過合金化調整晶體結構，增加有序結構的對稱性；強化晶界以抑制環境脆性；形成多相合金，利用具有較好塑性的第二相，界面效應和組織細化以減小位錯滑移距離等 [23] 。
幾十年來，美國、奧地利、德國、日本和俄羅斯在 TiAl 合金板材制備研究較為成熟。美國的 UES 的Kim 和 Chani、美國橡樹嶺國家實驗室的 C.T.Liu、德國的 GKSS、中國的西北有色金屬研究院、哈工大、北科大、中南大學等都對合金進行了細致的研究，并且已經有所收獲 [24] 。美國的通用電氣、霍梅特、普惠、英國的勞斯萊斯和日本的石川島播磨重工業株式會社等多家世界一流的航空發動機制造商都對合金進行了相關研究，并且對其應用所需的綜合指標進行了系統測試，有效提高了該合金的產品利用率。
3、 優勢及應用局限性
3.1 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 系高溫鈦合金
在 600℃以下 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 系高溫鈦合金的比強度、比蠕變強度和比疲勞強度方面較結構鋼、鋁合金以及鎳基高溫合金優勢明顯。以鈦代替鎳，可在保持同等強度的條件下，減重 70%并具有較好的服役性能，在航空發動機的耐高溫部位中有著相當大的應用潛力。然而，高溫抗蠕變性能和高溫抗氧化性能隨溫度的升高而急劇下降是目前新型高溫鈦合金及鈦基材料研制所面對的主要問題。對近 α 鈦合金的設計也逐漸趨向多元高合金化，比如在傳統高溫鈦合金的基礎上添加 0.1%~0.5%（質量分數）的 Si，通過生成硅化物能夠顯著提高合金的高溫強度和抗蠕變性能；在高溫鈦合金中添加 Nb、Y、Nd 等稀土元素，通過稀土元素的內氧化形成高熔點化合物，降低基體氧含量，提高合金的高溫抗氧化性能和蠕變性能。也可采用特殊加工工藝、耐高溫涂層的方法來提高高溫鈦合金性能。而當使用溫度高于 600℃時，合金的熱強性與熱穩定性難以匹配協調，合金的抗氧化性急劇下降，表面氧化嚴重，導致合金熱穩定性以及疲勞性能下降，甚至可能使航空發動機高壓壓氣機部位的零部件存在“鈦火”風險。
從最初英國的 IMT 鈦公司和 Rolls－Royce 公司研發的第一個 600℃高溫鈦合金 IMI834 到現今近 30 多年的時間里，國際上仍未有成熟穩定的 600℃以上高溫鈦合金出現。其主要原因有兩點：（1）600℃以上的使用溫度下高溫鈦合金難以實現有效強化及強韌性的匹配。（2）600℃以上的使用溫度下，合金表面將發生嚴重氧化，使得合金表面不穩定，性能進一步惡化。熱強性與熱穩定性是限制高溫鈦合金發展的一對主要矛盾。
3.2 TiAl 系高溫鈦基材料
此類合金在 600~750℃時具有良好的抗蠕變性能，極限溫度可達到 900℃，被認為是目前金屬間化合物中最有希望作為高溫環境下使用的發動機葉片的材料。兼具高導熱系數，是 Ni 基合金的兩倍，有望部分取代 Ni 基高溫合金，廣泛應用于航空發動機或汽車領域的高溫結構部件。然而，TiAl 系高溫鈦基材料室溫延展性欠缺、高溫強度以及高溫抗氧化性不足，室溫塑性較差，高溫強度較低。提高其工作溫度會受到蠕變、持久、表面抗氧化、組織穩定性、熱鹽應力腐蝕等性能的限制，室溫韌性差，易發生脆性斷裂；而在 800℃
以上的環境中，抗氧化能力較弱，變形加工性能較差，難以加工成結構部件；850℃以上抗氧化能力不足 [25] ，阻礙了高溫鈦基材料的應用發展。為此，探索改善 TiAl 基合金以上不足的途徑和方法成為當務之急，很多學者為此展開了大量的研究，復合強韌化的思想被引入進來，用以改善 TiAl 基合金室溫斷裂韌性與高溫強度 [26,27] 。針對 TiAl 合金而言，為實現其在 800℃～900℃溫度下長期使用，可采用原位自生復合方法在 TiAl基體中同時引入多種增強相，可望通過不同特性的復合相達到提高或改善 TiAl 基體的多種性能，而在復合過程中要注意增強相的形態、體積分數、取向以及其分布狀態等問題 [28] 。
4 、高溫鈦合金及 Ti-Al 基材料未來發展趨勢
對于如何發展高溫鈦合金及 Ti-Al 基材料的問題，其基調無外乎是降低工藝生產成本的同時使產品產量化，擴大應用領域的同時更要滿足工業需求，即量到質的轉變。就目前而言，高溫鈦合金及 Ti-Al 基材料多應用于傳統市場，航空航天部門是上述材料最大的消耗方，則需減少高溫鈦合金及 Ti-Al 基材料的生產工藝成本，從而保證開源節流的同時提高產品的應用性能，制備出具有耐高溫、優異熱穩定性和熱強性的長時高溫鈦合金及 Ti-Al 基合金材料，為發動機、葉盤、飛機機身等結構材料提供優質貨源；而在傳統化學和能源工業，兼具耐高溫的同時則更應專注于產品的耐蝕度、高強度、抗疲勞及使用壽命。在多元化的工業領域中，不盲目開發，而是有針對性的公關材料的使用性能，拓寬材料的應用領域，研制出新的產品。我們可利用現有的行業標準及資源，基于現有技術開發水平，不斷探索學習與創新，將國內外鈦技術融合，進行大量的實驗及材料評估，完善產品性能并建立一定的數據庫，為開發出特定環境下使用的高溫鈦合金及 Ti-Al 基材料產品做好充足的準備。
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