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01
2018
-
03
航空用鈦合金研究進展
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引言：鈦合金由于其比強度高、耐腐蝕性好等優點被廣泛應用于航空航天領域。本文介紹了近年來主要鈦合金的研究進展，包括高強高韌型鈦合金（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個方面，并展望了航空航天用鈦合金的發展方向。
鈦是廣泛應用于航空航天領域的一種重要結構金屬，其具有比強度高、耐腐蝕性能好以及使用溫度范圍寬（-269-600℃）的顯著優點，鈦材的比強度位居-253～600℃內常用金屬材料之首，因此很快被用于航空工業。航空始終是50年來世界鈦市場中最大的用戶，圖1給出了A350用鈦的主要部位和部件。目前，先進飛機上的鈦材重量已達飛機結構總重的30%～35%，鈦材已成為現代飛機不可缺少的結構材料。近年來，由于航空工業對高強度、高彈性模量、耐高溫、低密度的新型結構材料需要日益迫切，大大促進了鈦制造業的迅速發展。因此，本文首先介紹了鈦合金的典型組織類型及相應的性能，然后從近年所開發的新型鈦合金簡述其研究進展，主要分為以下四類：(1)高強高韌型鈦合金；(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的性能
鈦和鈦合金鑄件的顯微組織通常都是從高溫β區冷卻下來形成的轉變的β組織，組織保持著原始的β晶界，晶界內由針狀或片狀以及網籃狀的α相組成，經過變形加工和熱處理可獲得不同的組織結構。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特征可以分為：魏氏組織、雙態組織、網籃組織和等軸組織。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：其特點是原始β晶粒粗大清晰完整，晶界上有非常明顯的連續α相，晶內為粗大片狀有規則平行排列的α相束域，片間為β相(圖2a)。當合金變形的開始溫度和終了溫度都在β相區且變形量不大時，或將合金加熱到β相區較慢冷卻時，都將形成這種組織。
(2) 雙態組織：其特點是在轉變β組織基體上分布有一定數量的不連續的初生等軸α相晶粒，但總含量小于50%，因而組織中有等軸初生α與β轉變組織中的片狀α兩種形態(圖2b)。當合金在α+β兩相區的上部溫度加熱和變形時可形成這種組織。這類組織具有較好的綜合力學性能。
(3) 網籃組織：其特征是原始β晶粒晶界不同程度地被破壞，晶內α片變短，α相取向混雜，交錯排列，形成編織網籃狀結構(圖2c)。當合金在β轉變點附近經過較大變形，而在α+β兩相區變形量不夠大時形成這種組織。其特點是：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：其特點是含有較多的(超50%)初生α晶粒，存在著一定數量的β轉變組織，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、加熱溫度和保溫時間的影響。總的趨勢是隨著變形程度的增大，加熱溫度升高，保溫時間延長，等軸化程度加大。這種組織的特點是綜合性能好，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) 網籃組織，(c) 等軸組織，(d) 雙態組織
二、新型鈦合金
1、高強高韌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，可通過固溶時效處理獲得較高強度和斷裂韌性。目前，在飛機上獲得實際應用的高強高韌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Timet公司于1971年研制的。它是一種為適應損傷容限性設計原則而產生的高結構效益、高可靠性和低制造成本的鍛造鈦合金，該合金的Al當量為4.0，Mo當量為11.1，(α+β)/β相轉變溫度為790～805℃，具有較大的淬透性和顯著的熱處理強化效果，具有優異的鍛造性能，在760℃可進行等溫鍛造，提供各種近凈型加工鍛件。經熱處理后，該合金的σb為965～1310MPa，KIC為99～33 MPa·m1/2。已經用于波音777客機起落架主梁，空客A380的主起落架支柱。
Ti-l5-3 (Ti-15V-3Cr 3Al- 3Sn)高強β鈦合金是20世紀70年代由美國空軍部門資助下開發出來的一種近β型的高強抗腐蝕合金。該合金的Al當量為5.0，Mo當量為15.7，(α+β)/β相轉變溫度為750～770℃，具有優良的冷變形性、時效硬化性能和可焊接性能等特點，其冷加工性能比工業純鈦還好，可在固溶狀態下進行各種復雜零件的冷成形，有較小的裂紋敏感性，時效后的σb≥1310MPa，該合金特別適宜制造火箭發動機推進劑貯箱和導管等部件，并且已應用到波音777上的應用控制系統管道和滅火罐。
β-21S(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si)合金是美國Timet公司于1989年研制的一種抗氧化、超高強鈦合金。該合金的Al當量為4.0，Mo當量為15.8，(α+β)/β相轉變溫度為793～810℃，具有良好的抗氧化性能，可在540℃下長期工作；冷、熱加工性能優良。熱處理后，σb=1150～1350MPa，δ5=6%～8%。該合金適用于發動機襯套和噴管等，已經被美國國家宇航局(NASA)用作碳化硅／鈦復合材料的基體材料。
BT22(Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr)合金是俄羅斯于20世紀70年代研制成功的一種高強度近β型鈦合金。該合金的Al當量為6.0，Mo當量為11.8，(α+β)/β相轉變溫度為860～990℃，具有良好的加工性能和焊接性能，主要用于生產模鍛件，其淬透深度達200mm，其σb≥1105MPa。該合金既可用于制造在350～400℃下長期工作的機身、機翼受力件及操作系統等的緊固件，也可制造工作溫度低于350℃的發動機的風扇盤和葉片等。且已經用于1L-86和1L-96-300的機身、機翼、起落架和其他高承載部件。
2、高溫鈦合金
高溫鈦合金是現代航空發動機的關鍵材料之一，高性能航空發動機的發展需求牽引著高溫鈦合金的發展。高溫鈦合金主要用作飛機發動機的壓氣機盤和葉片、機匣，以減輕發動機質量，提高推重比。發動機對高溫鈦合金的要求非常苛刻，它要求材料具有室溫性能、高溫強度、蠕變性能、熱穩定性、疲勞性能和斷裂韌性的良好匹配。
20世紀50年代最早用于航空發動機的Ti-6Al-4V合金服役溫度一般不超過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，世界范圍內研制出的最高使用溫度為600℃的高溫鈦合金有英國的IM1834、美國的Ti-1100、俄羅斯的BT36及中國的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)合金是英國于1984年研制的一種近α型鈦合金。該合金的Al當量為8.7，Mo當量為0.7，(α+β)/β相轉變溫度為1045±10℃，具有良好的變形能力。經熱處理后，該合金的σb≥930MPa。已經用于波音777飛機的大型發動機Trent700上。
Ti-1100(Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si)合金是美國于1988年研制的高熱強近α型鈦合金。該合金的Al當量為8.6，Mo當量為0.4，(α+β)/β相轉變溫度為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展速率。已經用于萊康明公司T55-712改型發動機的高壓壓氣機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當量為8.5，Mo當量為2.7，(α+β)/β相轉變溫度為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90年代末由中國科學院金屬研究所在Ti55合金基礎上改型設計、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當量為8.5，Mo當量為1.0，(α+β)/β相轉變溫度為1025℃，具有良好的熱穩定性和高溫抗氧化性。已經進行了半工業性中試試驗(包括壓氣機盤模鍛)和全面性能測定。
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，一種是國外研制的高強高韌損傷容限鈦合金TC21，一種是中國研制的中強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、高韌、損傷容限型兩相鈦合金，是我國研制的第一個具有自主知識產權的高強損傷容限型鈦合金，北京航空材料研究院為該合金的應用研究單位。該合金一般使用狀態的組織為網籃狀或三態組織，具有優良的強度、塑性、韌性和低的裂紋擴展速率匹配，其典型力學性能為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F-22飛機得到應用的Ti-6-22-22S(美國)和蘇-27系列飛機廣泛應用的BT20(俄羅斯)鈦合金相比，其綜合力學性能更加優異，特別是其具有非常優異的電子束焊接性能，適合制造大型整體框、發動機附近掛架、梁、接頭、起落架部件等重要承力構件。
TC4-DT合金是在美國的Ti-6Al-4VELI合金基礎上由西北有色院和北京航空材料研究院聯合研制的中強、高韌、損傷容限型、可焊鈦合金，其性能與Ti-6Al-4VELI相當。但是TC4-DT的合金成分范圍比Ti-6AI-4VELI控制更嚴格，具體為Al：6.0-6. 35，V：3.6 -4.4，Fe≤0.25，C≤0.05，O≤0.13，N≤0. 03，H≤0.0125，Ti余量。該合金具有中等強度、高斷裂韌度和高損傷容限等綜合性能匹配的特點，其典型力學性能為，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大型整體框、梁、接頭等關鍵承力構件，已經應用于波音777客機的安定面連接接頭和F/A-22飛機的機體。
4、阻燃鈦合金
作為航空發動機材料使用時，普通鈦合金可能會產生“鈦火”，為了解決這個問題，各國開展了對阻燃鈦合金的研制。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P&W公司于20世紀80年代研制的一種β型鈦合金。該合金的鉬當量為47.5，是目前工業用β鈦合金鉬當量最高的合金，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。該合金已經應用于F119發動機（F/A-22戰斗機的動力裝置）的高壓壓氣機機匣、導向葉片和矢量尾噴管，并于1993年1月成功地進行了飛行實驗。
BTT-1和BTT-3為俄羅斯從摩擦機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，可制成形狀復雜的發動機零件，如壓氣機機匣和葉片，工作溫度可達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、結論與展望
我國鈦材產量位居世界第四，但航空航天用高端鈦材產量只占總量的10％左右，與世界的50％水平仍存在著相當的差距，因此需要加強綜合高性能鈦合金材料和應用的創新性研究，提高航空航天鈦合金的應用水平和用量。發展高綜合性能鈦合金材料與低成本制造技術是擴大鈦合金應用的兩大驅動力。采用先進的制造技術（如激光近凈成形），用價格較低的合金元素取代貴的金屬元素降低鈦合金成本，在提高鈦合金構件的性能的同時，促進鈦合金在航空航天領域的應用水平和用量；精簡鈦合金牌號，優化鈦合金性能，要一材多用，形成骨干鈦合金體系，是未來鈦合金在航空領域的主要發展方向。
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