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2018

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航空用鈦合金研究進(jìn)展

來(lái)源：

　　引言：鈦合金由于其比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。本文介紹了近年來(lái)主要鈦合金的研究進(jìn)展，包括高強(qiáng)高韌型鈦合金（Ti-1023、Ti-15-3、β21S和BT-22）、高溫鈦合金（IMI834、Ti-1100、BT36和Ti-60）、損傷容限鈦合金（TC21和TC4-DT）和阻燃鈦合金（Alloy C、BTT-l和BTT-3）4個(gè)方面，并展望了航空航天用鈦合金的發(fā)展方向。
　　鈦是廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的一種重要結(jié)構(gòu)金屬，其具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好以及使用溫度范圍寬（-269-600℃）的顯著優(yōu)點(diǎn)，鈦材的比強(qiáng)度位居-253～600℃內(nèi)常用金屬材料之首，因此很快被用于航空工業(yè)。航空始終是50年來(lái)世界鈦市場(chǎng)中最大的用戶，圖1給出了A350用鈦的主要部位和部件。目前，先進(jìn)飛機(jī)上的鈦材重量已達(dá)飛機(jī)結(jié)構(gòu)總重的30%～35%，鈦材已成為現(xiàn)代飛機(jī)不可缺少的結(jié)構(gòu)材料。近年來(lái)，由于航空工業(yè)對(duì)高強(qiáng)度、高彈性模量、耐高溫、低密度的新型結(jié)構(gòu)材料需要日益迫切，大大促進(jìn)了鈦制造業(yè)的迅速發(fā)展。因此，本文首先介紹了鈦合金的典型組織類型及相應(yīng)的性能，然后從近年所開發(fā)的新型鈦合金簡(jiǎn)述其研究進(jìn)展，主要分為以下四類：(1)高強(qiáng)高韌型鈦合金；(2)高溫鈦合金；(3) 損傷容限鈦合金；(4)阻燃鈦合金
　　圖1  A350用鈦主要部位和部件
　　一、鈦合金的典型組織類型及相應(yīng)的性能
　　鈦和鈦合金鑄件的顯微組織通常都是從高溫β區(qū)冷卻下來(lái)形成的轉(zhuǎn)變的β組織，組織保持著原始的β晶界，晶界內(nèi)由針狀或片狀以及網(wǎng)籃狀的α相組成，經(jīng)過(guò)變形加工和熱處理可獲得不同的組織結(jié)構(gòu)。圖2所示為典型的鈦合金組織形貌。通常鈦合金組織按形態(tài)特征可以分為：魏氏組織、雙態(tài)組織、網(wǎng)籃組織和等軸組織。上述組織形成主要取決于熱變形和熱處理工藝。
　　(1) 魏氏組織：其特點(diǎn)是原始β晶粒粗大清晰完整，晶界上有非常明顯的連續(xù)α相，晶內(nèi)為粗大片狀有規(guī)則平行排列的α相束域，片間為β相(圖2a)。當(dāng)合金變形的開始溫度和終了溫度都在β相區(qū)且變形量不大時(shí)，或?qū)⒑辖鸺訜岬溅孪鄥^(qū)較慢冷卻時(shí)，都將形成這種組織。
　　(2) 雙態(tài)組織：其特點(diǎn)是在轉(zhuǎn)變?chǔ)陆M織基體上分布有一定數(shù)量的不連續(xù)的初生等軸α相晶粒，但總含量小于50%，因而組織中有等軸初生α與β轉(zhuǎn)變組織中的片狀α兩種形態(tài)(圖2b)。當(dāng)合金在α+β兩相區(qū)的上部溫度加熱和變形時(shí)可形成這種組織。這類組織具有較好的綜合力學(xué)性能。
　　(3) 網(wǎng)籃組織：其特征是原始β晶粒晶界不同程度地被破壞，晶內(nèi)α片變短，α相取向混雜，交錯(cuò)排列，形成編織網(wǎng)籃狀結(jié)構(gòu)(圖2c)。當(dāng)合金在β轉(zhuǎn)變點(diǎn)附近經(jīng)過(guò)較大變形，而在α+β兩相區(qū)變形量不夠大時(shí)形成這種組織。其特點(diǎn)是：塑性、沖擊韌性好，且具有較好的高溫持久和抗蠕變性能。
　　(4) 等軸組織：其特點(diǎn)是含有較多的(超50%)初生α晶粒，存在著一定數(shù)量的β轉(zhuǎn)變組織，分布在α相邊界處，均呈等軸或多邊形(圖2d)。片狀α經(jīng)變形后加熱可形成等軸α，等軸化程度的大小，受變形程度、加熱溫度和保溫時(shí)間的影響。總的趨勢(shì)是隨著變形程度的增大，加熱溫度升高，保溫時(shí)間延長(zhǎng)，等軸化程度加大。這種組織的特點(diǎn)是綜合性能好，特別是塑性和沖擊韌性較高。
　　圖2 鈦合金基本組織：(a) 魏氏組織，(b) 網(wǎng)籃組織，(c) 等軸組織，(d) 雙態(tài)組織
　　二、新型鈦合金
　　1、高強(qiáng)高韌β型鈦合金
　　β型鈦合金具有良好的加工性能，易鍛造、可軋制、焊接，可通過(guò)固溶時(shí)效處理獲得較高強(qiáng)度和斷裂韌性。目前，在飛機(jī)上獲得實(shí)際應(yīng)用的高強(qiáng)高韌β型鈦合金主要有以下幾種：
　　Ti-1023(Ti-10V-2Fe-3Al)鈦合金是由美國(guó)Timet公司于1971年研制的。它是一種為適應(yīng)損傷容限性設(shè)計(jì)原則而產(chǎn)生的高結(jié)構(gòu)效益、高可靠性和低制造成本的鍛造鈦合金，該合金的Al當(dāng)量為4.0，Mo當(dāng)量為11.1，(α+β)/β相轉(zhuǎn)變溫度為790～805℃，具有較大的淬透性和顯著的熱處理強(qiáng)化效果，具有優(yōu)異的鍛造性能，在760℃可進(jìn)行等溫鍛造，提供各種近凈型加工鍛件。經(jīng)熱處理后，該合金的σb為965～1310MPa，KIC為99～33 MPa·m1/2。已經(jīng)用于波音777客機(jī)起落架主梁，空客A380的主起落架支柱。
　　Ti-l5-3 (Ti-15V-3Cr 3Al- 3Sn)高強(qiáng)β鈦合金是20世紀(jì)70年代由美國(guó)空軍部門資助下開發(fā)出來(lái)的一種近β型的高強(qiáng)抗腐蝕合金。該合金的Al當(dāng)量為5.0，Mo當(dāng)量為15.7，(α+β)/β相轉(zhuǎn)變溫度為750～770℃，具有優(yōu)良的冷變形性、時(shí)效硬化性能和可焊接性能等特點(diǎn)，其冷加工性能比工業(yè)純鈦還好，可在固溶狀態(tài)下進(jìn)行各種復(fù)雜零件的冷成形，有較小的裂紋敏感性，時(shí)效后的σb≥1310MPa，該合金特別適宜制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑貯箱和導(dǎo)管等部件，并且已應(yīng)用到波音777上的應(yīng)用控制系統(tǒng)管道和滅火罐。
　　β-21S(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si)合金是美國(guó)Timet公司于1989年研制的一種抗氧化、超高強(qiáng)鈦合金。該合金的Al當(dāng)量為4.0，Mo當(dāng)量為15.8，(α+β)/β相轉(zhuǎn)變溫度為793～810℃，具有良好的抗氧化性能，可在540℃下長(zhǎng)期工作；冷、熱加工性能優(yōu)良。熱處理后，σb=1150～1350MPa，δ5=6%～8%。該合金適用于發(fā)動(dòng)機(jī)襯套和噴管等，已經(jīng)被美國(guó)國(guó)家宇航局(NASA)用作碳化硅／鈦復(fù)合材料的基體材料。
　　BT22(Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr)合金是俄羅斯于20世紀(jì)70年代研制成功的一種高強(qiáng)度近β型鈦合金。該合金的Al當(dāng)量為6.0，Mo當(dāng)量為11.8，(α+β)/β相轉(zhuǎn)變溫度為860～990℃，具有良好的加工性能和焊接性能，主要用于生產(chǎn)模鍛件，其淬透深度達(dá)200mm，其σb≥1105MPa。該合金既可用于制造在350～400℃下長(zhǎng)期工作的機(jī)身、機(jī)翼受力件及操作系統(tǒng)等的緊固件，也可制造工作溫度低于350℃的發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇盤和葉片等。且已經(jīng)用于1L-86和1L-96-300的機(jī)身、機(jī)翼、起落架和其他高承載部件。
　　2、高溫鈦合金
　　高溫鈦合金是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵材料之一，高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展需求牽引著高溫鈦合金的發(fā)展。高溫鈦合金主要用作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤和葉片、機(jī)匣，以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，提高推重比。發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)高溫鈦合金的要求非?？量?，它要求材料具有室溫性能、高溫強(qiáng)度、蠕變性能、熱穩(wěn)定性、疲勞性能和斷裂韌性的良好匹配。
　　20世紀(jì)50年代最早用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的Ti-6Al-4V合金服役溫度一般不超過(guò)350℃；隨后相繼研制出使用溫度為400℃左右的IMI550、BT3-l等合金；60年代，各國(guó)先后成功研制了使用溫度在450℃~500℃的IMI679、IMI685、Ti6246、Ti6242等合金；目前，世界范圍內(nèi)研制出的最高使用溫度為600℃的高溫鈦合金有英國(guó)的IM1834、美國(guó)的Ti-1100、俄羅斯的BT36及中國(guó)的Ti-60。下面主要介紹幾種有代表性的高溫鈦合金：
　　IMI834(Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si)合金是英國(guó)于1984年研制的一種近α型鈦合金。該合金的Al當(dāng)量為8.7，Mo當(dāng)量為0.7，(α+β)/β相轉(zhuǎn)變溫度為1045±10℃，具有良好的變形能力。經(jīng)熱處理后，該合金的σb≥930MPa。已經(jīng)用于波音777飛機(jī)的大型發(fā)動(dòng)機(jī)Trent700上。
　　Ti-1100(Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si)合金是美國(guó)于1988年研制的高熱強(qiáng)近α型鈦合金。該合金的Al當(dāng)量為8.6，Mo當(dāng)量為0.4，(α+β)/β相轉(zhuǎn)變溫度為1015℃。該合金具有良好的高溫蠕變性能、較低的韌性和較大的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。已經(jīng)用于萊康明公司T55-712改型發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)輪盤和低壓渦輪葉片等零件。
　　BT36(Ti-6.2A1-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-0.1Y-5.0W-0.15Si)合金是俄羅斯于1992年研制的使用溫度在600～650℃的鈦合金。該合金的Al當(dāng)量為8.5，Mo當(dāng)量為2.7，(α+β)/β相轉(zhuǎn)變溫度為1000～1025℃，具有良好的高溫蠕變性能。
　　Ti60(Ti-5.8 Al-4.8 Sn-2.0Zr-1.0 Mo-0.35Si-0.85Nd)合金是20世紀(jì)90年代末由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所在Ti55合金基礎(chǔ)上改型設(shè)計(jì)、寶雞有色金屬加工廠參與研制的一種600℃高溫鈦合金。該合金的Al當(dāng)量為8.5，Mo當(dāng)量為1.0，(α+β)/β相轉(zhuǎn)變溫度為1025℃，具有良好的熱穩(wěn)定性和高溫抗氧化性。已經(jīng)進(jìn)行了半工業(yè)性中試試驗(yàn)(包括壓氣機(jī)盤模鍛)和全面性能測(cè)定。
　　3、損傷容限鈦合金
　　目前較為典型的損傷容限鈦合金有兩種，一種是國(guó)外研制的高強(qiáng)高韌損傷容限鈦合金TC21，一種是中國(guó)研制的中強(qiáng)高韌損傷容限鈦合金TC4-DT。
　　TC21(Ti-Al-Mo-Sn-Zr-Cr-Si-X) 合金是西北有色金屬研究院于2001 年研制的一種高強(qiáng)、高韌、損傷容限型兩相鈦合金，是我國(guó)研制的第一個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高強(qiáng)損傷容限型鈦合金，北京航空材料研究院為該合金的應(yīng)用研究單位。該合金一般使用狀態(tài)的組織為網(wǎng)籃狀或三態(tài)組織，具有優(yōu)良的強(qiáng)度、塑性、韌性和低的裂紋擴(kuò)展速率匹配，其典型力學(xué)性能為σb：1100MPa，σ0.2：1000MPa，δ：8%，ψ：15%，E：115 GPa，KIC：70 MPa·m1/2，da/dN：8×10-5 ~9×10-5 mm/cycle。與在美國(guó)F-22飛機(jī)得到應(yīng)用的Ti-6-22-22S(美國(guó))和蘇-27系列飛機(jī)廣泛應(yīng)用的BT20(俄羅斯)鈦合金相比，其綜合力學(xué)性能更加優(yōu)異，特別是其具有非常優(yōu)異的電子束焊接性能，適合制造大型整體框、發(fā)動(dòng)機(jī)附近掛架、梁、接頭、起落架部件等重要承力構(gòu)件。
　　TC4-DT合金是在美國(guó)的Ti-6Al-4VELI合金基礎(chǔ)上由西北有色院和北京航空材料研究院聯(lián)合研制的中強(qiáng)、高韌、損傷容限型、可焊鈦合金，其性能與Ti-6Al-4VELI相當(dāng)。但是TC4-DT的合金成分范圍比Ti-6AI-4VELI控制更嚴(yán)格，具體為Al：6.0-6. 35，V：3.6 -4.4，F(xiàn)e≤0.25，C≤0.05，O≤0.13，N≤0. 03，H≤0.0125，Ti余量。該合金具有中等強(qiáng)度、高斷裂韌度和高損傷容限等綜合性能匹配的特點(diǎn)，其典型力學(xué)性能為，σb：895MPa，σ0.2：795MPa，δ：8%，ψ：15%，KIC：75MPa·m1/2，da/dN：9×10-6 mm/cycle。該合金特別適合制造飛機(jī)大型整體框、梁、接頭等關(guān)鍵承力構(gòu)件，已經(jīng)應(yīng)用于波音777客機(jī)的安定面連接接頭和F/A-22飛機(jī)的機(jī)體。
　　4、阻燃鈦合金
　　作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料使用時(shí)，普通鈦合金可能會(huì)產(chǎn)生“鈦火”，為了解決這個(gè)問(wèn)題，各國(guó)開展了對(duì)阻燃鈦合金的研制。下面主要介紹幾種有代表性的阻燃鈦合金：
　　Alloy C(Ti-35V-15Cr)合金是美國(guó)P&W公司于20世紀(jì)80年代研制的一種β型鈦合金。該合金的鉬當(dāng)量為47.5，是目前工業(yè)用β鈦合金鉬當(dāng)量最高的合金，具有良好的室溫和高溫塑性、蠕變和疲勞性能，可制成板材、帶材、棒材以及鍛件等。該合金已經(jīng)應(yīng)用于F119發(fā)動(dòng)機(jī)（F/A-22戰(zhàn)斗機(jī)的動(dòng)力裝置）的高壓壓氣機(jī)機(jī)匣、導(dǎo)向葉片和矢量尾噴管，并于1993年1月成功地進(jìn)行了飛行實(shí)驗(yàn)。
　　BTT-1和BTT-3為俄羅斯從摩擦機(jī)制入手研制的阻燃鈦合金，均為Ti-Cu-Al系合金（添加Mo、V、Zr）。
　　BTT-l具有良好的熱加工性能，可制成形狀復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)零件，如壓氣機(jī)機(jī)匣和葉片，工作溫度可達(dá)450℃。
　　BTT-3合金的工藝塑性比BTT-l合金更好，特別適合于制造各種板材和箔材零件。BTT-3的阻燃能力也高于BTT-l，在相同的試驗(yàn)條件下，Ti-6Al-4V的摩擦著火溫度為100℃，BTT-l為650℃，BTT-3則大于800℃。
　　三、結(jié)論與展望
　　我國(guó)鈦材產(chǎn)量位居世界第四，但航空航天用高端鈦材產(chǎn)量只占總量的10％左右，與世界的50％水平仍存在著相當(dāng)?shù)牟罹?，因此需要加?qiáng)綜合高性能鈦合金材料和應(yīng)用的創(chuàng)新性研究，提高航空航天鈦合金的應(yīng)用水平和用量。發(fā)展高綜合性能鈦合金材料與低成本制造技術(shù)是擴(kuò)大鈦合金應(yīng)用的兩大驅(qū)動(dòng)力。采用先進(jìn)的制造技術(shù)（如激光近凈成形），用價(jià)格較低的合金元素取代貴的金屬元素降低鈦合金成本，在提高鈦合金構(gòu)件的性能的同時(shí)，促進(jìn)鈦合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用水平和用量；精簡(jiǎn)鈦合金牌號(hào)，優(yōu)化鈦合金性能，要一材多用，形成骨干鈦合金體系，是未來(lái)鈦合金在航空領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。

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