浅谈航空发动机用钛合金的研究进展

梁振兴

摘 要 钛合金具有优良的综合性能，应用于航空发动机的关键部件。本文对国内航空发动机常用的几种钛合金研究情况进行了综述，讨论航空发动机用钛合金目前所存在的问题，并指出应该加强新型钛合金的制造和提高钛合金的加工技术。

关键词 航空发动机;钛合金;高温钛合金;高强钛合金

前言

航空发动机技术的不断进步对推重比提出了更高的要求，减轻重量是其中最主要的途径之一，这不仅需要先进的设计，更依靠大量的新材料和新工艺。钛合金密度低，同时兼具优良的耐热性、耐蚀性、抗弹性和良好的加工性能，钛合金在航空发动机上被广泛用于制造风扇、高压压气机盘、叶片、鼓筒类压气机机匣、导风罩和轴类等部件。本文重点介绍了几种典型的国产发动机用钛合金的研究进展。

1Ti60

Ti60是一种的高温钛合金，服役温度可达到600℃，该合金通过加入Ta、Nb和Mo这三种元素，使合金成为多元强化的一种热强钛合金，被用于制造压气机等部件。刘石双等[1]在Ti60室温下进行保载疲劳实验，发现显微组织对低周疲劳性能的影响不明显，在保载条件下，疲劳寿命显著降低并且随着峰值应力的提高而下降。石卫民等[2]研究了两种工艺下Ti60大棒材的显微组织及力学性能之间的关系，发现变形程度不同的棒材的显微组织相差不多，除了高温轴向拉伸性能有区别外，其他性能相差不大。

2TA12

TA12是一种近α型高温钛合金，工艺塑性良好，可以采用锻造和冲压等加工，用来制造风扇等部件。朱雪峰等[3]通过对不同TA12进行不同工艺的热处理，发现α相会在TA12A钛合金保温空冷后析出，并且随着热处理温度的提高，次生α相增多，有利于合金的塑性变形，且1000℃为最佳的热处理工艺。张芳等[4]人研究了电子束焊接后TA12显微组织和力学性能之间的关系，发现在室温下，由于焊接接头的不连续，导致试样整体上不能协调塑性变形，虽然抗拉强度相当，但是塑性降低，冲击功下降。

3TC17

TC17是一种富β过渡型两相钛合金，可以用来制造风扇等部件，该合金在300～450 ℃具有良好的抗蠕变性能。董鑫等[5]通过研究腐蚀对TC17超高周疲劳性能的影响，发现腐蚀会微弱降低TC17的超高周疲劳性能;当循环周次大于107后，两者的疲劳性能无明显差别。聂祥樊[6]等发现TC17在不同功率密度激光冲击后，表面组织产生大量位错和细化晶粒，在深度500μm 内形成200 MPa 以上的残余压应力，在4GW/cm2功率密度下，叶片的疲劳寿命提高了2倍。何杉等[7]通过研究喷丸强化前后TC17钛合金疲劳寿命变化，发现喷丸强化能够显著提高TC17钛合金的疲劳性能，疲劳寿命提高了34%以上。

4TA15

TA15钛合金是具有中等室温和高温强度的Al当量接近α型钛合金，可用于发动机承力结构件。裴烈勇等[8]研究了渗氧温度和时间对TA15合金α处理层深度和硬度的影响，发现α处理层深度和硬度随着渗氧温度和时间的增加而升高，渗氧温度的影响要大于渗氧时间，且随着渗氧时间的延长，α处理层深度和硬度增加的趋势变缓。隋楠等[9]发现Zr对TA15钛合金室温拉伸性能无明显影响，微量的 Al、V和Mo元素的加入不会对TA15合金的力学性能产生影响，但是随着含量的提高，合金的强度提高塑性降低。

5钛基复合材料

钛基复合材料兼具金属性能与陶瓷性能，与钛基体相比具有高的比强度、比模量，可以用来制造发动机环件。钛基复合材料微观组织是影响其力学性能主要因素，张长江等[10]研究了不同TiC含量同高温钛基复合材料组织与性能之间的关系，发现抗拉强度和屈服强度会随着TiC含量的升高而显著的提升，但是当强度达到一定的值后开始下降，压缩率明显降低，强度和塑性随着钛基复合材料的微观组织细化而提高。

6结束语

未来航空发动机性能将会不断提升，发动机零部件需要承受更大的热、力和冲击，需要更高性能的钛合金，在600℃以上，现有的钛合金抗氧化性能和抗蠕变性能的降低是制约钛合金在航空发动机上应用的两个障碍。因此急需开发新型钛合金或者提高钛合金制造的工艺水平，如使用粉末冶金成型法和超塑性成型等。

参考文献

[1] 刘石双，仇平，蔡建明，等.Ti60钛合金室温保载疲劳性能及断裂行为[J].材料工程，2019，47（7）：112-120.

[2] 石卫民，魏壽庸，王鼎春，等.Ti60钛合金大棒材的显微组织及力学性能[J].中国有色金属学报，2010，20（S1）：75-78.

[3] 朱雪峰，彭晖，樊凯，等.热处理对TA12A钛合金微观组织和力学性能的影响[J].钛工业进展，2018，35（4）：26-29.

[4] 张芳，徐建成，张庆云.TA1钛合金电子束焊接的显微组织和力学性能[J].航空精密制造技术，2016，52（1）：47-49.

[5] 董鑫，李培源，王旭，等.腐蚀对TC17钛合金超高周疲劳性能的影响[J].机械工程材料，2014，38（11）：76-79，94.

[6] 聂祥樊，何卫锋，王学德，等.激光冲击强化对TC17钛合金微观组织和力学性能的影响[J].稀有金属材料与工程，2014，43（7）：1691-1696.

[7] 何杉，杨清，闵祥禄.喷丸强化对TC17钛合金疲劳性能的影响[J].金属热处理，2018，43（6）：159-161.

[8] 裴烈勇，戴爱丽，刘德勇，等.渗氧温度和时间对TA15合金α处理层深度及硬度的影响[J].金属热处理，2019，44（12）：154-156

[9] 隋楠，曹京霞，黄旭，等.合金成分对TA15钛合金组织及力学性能的影响[J].航空材料学报，2019，39（1）：48-54.

[10] 林思波，张树志，张长江，等.TiC含量对高温钛基复合材料组织与性能的影响[J].稀有金属材料与工程，2017，46（S1）：185-189.