高温钛合金的发展与应用

2021-11-03王恺婷

世界有色金属 2021年14期

王恺婷

（宝钛集团有限公司，陕西宝鸡 721013）

钛在地壳中含量丰富的元素中居第9位，钛合金具有比重小、焊接性能好、无磁性等优点，广泛应用于船舶海洋工程等各领域。随着经济的高速发展，钛合金应用研究领域不断深入。

目前国际上消费量最大的是航空航天领域使用钛合金，航空工业的发展促进钛合金的发展，钛合金可以减轻飞机重量，提高飞机推重比，钛合金被称为航空工业的脊柱。目前各国钛合金研究者参与高温钛合金的研发，我国研制出服役温度达600℃的具有良好抗蠕变性能的高温钛合金Ti-60，钛基复合材料使用温度达到更高水平。但钛合金热稳定性未找到有效解决方法，是目前急需解决的问题。

1 高温钛合金概述

钛合金被称为现代金属，由于钛广泛用于国防科技领域，美国等军事强国高度重视钛的开发利用，一些学者不断对钛合金进行研究[1]。国外高温钛合金研究活跃，由于高温钛合金主要用于飞机发动机压气盘等，发动机要求高温钛合金材料具有良好室温性能，热稳定性等，对材料成分与组织要求矛盾。

50年代后钛合金使用温度逐步提高，21世纪初高温钛合金应用温度达到600℃。目前成功用于军民用飞机发动机新型高温钛合金有英国的IMI834合金等。我国研制出Ti55，Ti53311S，Ti60等高温钛合金[2]。当前我国研制高温钛合金在航空中未实现有效应用。目前钛合金在航空发动机上用量成为衡量其先进度的重要指标。如第四代战斗机F-22装配F119发动机用钛量达35%。高温钛合金材料在航空发动机上用于制造相应机闸组件等。目前世界上使用温度最高的工程化钛合金为MI934钛合金。

表1 飞机结构用材比例%

航空发动机风扇处于发动机前端部分，通常使用工作温度较低的Ti-6Al-4V钛合金制造叶片等部件。航空发动机高压压气机靠近燃烧室，目前由于钛合金受到最高工作温度限制，大部分发动机压气机转动组件采用镍基高温合金制造，大大增加航空发动机的自重。50年代研发的Ti-6Al-4V钛合金长期最高工作温度为350℃[3]。目前世界上长期工作温度达500℃以上的工程化钛合金有美国研发的Ti-1100钛合金，我国研发的Ti-60钛合金等。

2 国外高温钛合金的应用

近期国外科学家主要研究方向是采用快速凝固技术，利用颗粒物增强复合材料性能研制新型钛合金，美国麦道公司采用新型技术研制出纯度高的钛合金，钛合金在760℃下强度不弱于室温。

美国钛工业起步较早，钛合金基础研究处于领先地位。20世纪60年代美国开发在450℃下使用的Ti-6246高温钛合金，广泛用于大型运输涡轮喷气发动机。70年代开发在500℃以上适用的Ti-6242S合金，目前广泛用于涡轮发动机部件。近几年美国麦道公司采用粉末冶金技术研制在760℃使用的高致密性高温钛合金，可量产高温钛合金Ti-21Nb-14Al，目前得到高压压气机闸等部位的应用。

3 中国高温钛合金的发展

我国钛合金发展继承主要钛研究生产国家的做法，始于北京有色金属研究院，中科院金属研究所，洛阳船舶材料研究所等科研单位及上海武钢等企业成为研发高温钛合金的主力。20世纪80年代前我国航空钛合金研究走仿制路线，如使用温度在500℃的TC11华金对应苏联的BT9合金。欧美国家航空发动机进入中国市场，我国纺织英美国家高温钛合金，如TC17对应美国牌号Ti-17。我国钛合金自主研发不断加快，Ti-55是我国自主研制的在550℃使用的高温钛合金，通过添加矢量稀土元素Nd，净化合金基体，使合金设计具有优良热强性。宝鸡钛业股份公司参与研制用于600℃的Ti-60合金，Ti600是西北有色金属研究院研制的近α钛合金，特点是加入适量稀土元素Y，与英国IMI834合金性能相当。

我国研制的在600℃工作的钛合金有Ti600钛合金，Ti600合金名义成分为Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.5Mo-0.4Si-0.1Y,研制600℃高温钛合金难点是高温蠕变性能对各种因素敏感，如间隙元素含量等。航空航天等发动机更新加速，对高温结构材料性能提出新的要求。Ti3Al基金属化合物满足更刚强耐热的要求，北京航空材料研究院系统研究Tl3Al基合金，西北有色金属研究院研制用于650℃的TP-650TiC颗粒增强钛基复合材料。目前我国对Ti3Al基金属化合物研究相比国外存在较大差距，有必要推动我国相关科研水平提升。

4 高温钛合金典型组织与性能关系

钛合金具有α-Ti与β-Ti同素异构体，α相与β相尺寸及分布影响钛合金机械性能，钛合金微观组织形态取决于合金化学成分，热处理规范等，要想得到期望的微观组织可通过报考固溶处理、再结晶等热加工处理获得。钛合金可根据要求力学性能选择显微组织类型，通常分为魏氏组织、双态组织等。转变β基体分布有不连续初生α颗粒，α相包括转变β组织中片状α相。生成等轴组织条件是低于双态组织行车温度两相区变形。

钛合金不同微观组织形态对应不同的力学性能，α合金具有较好的康蠕变性能。魏氏组织在原始晶粒不粗大下室温抗拉强度，持久强度较好，但疲劳强度较差，魏氏组织应用不如其他类型广泛。网篮组织塑性较高，高温持久强度较好。双态组织性能与魏氏组织特点相反，初生α颗粒为15%～45%时两相钛合金综合力学性能最佳，在两相曲边形抗力相对较大。等轴组织对其他组织具有较好室温塑性，疲劳极限，但其断裂韧性较差。高温钛合金抗氧化性是抵抗氧化性气氛腐蚀作用能力，钛合金与氧反应导致塑性降低，高温钛合金中含有Al元素，合金材料化学组成多样，高温钛合金氧化行为通常采用Wagner氧化理论关系式表示。

高温钛合金高温下使用组成合金组分发生扩散，不同温度下使用高温钛合金表现不同的氧化特性。研究对Ti60合金进行高温连续氧化行为分析，发现720℃时Ti60合金有较厚表面富氧层。800℃时内氧化现象没有720℃严重，由于次表层较宽贫铝区生成TiO2膜对基体保护作用不同。Ti60合金在高温下氧化后次表面贫铝保破坏保护性氧化膜生成条件，钛合金在500℃～900℃下氧化行为在文献中较为常见。研究表明1000℃氧化时，氧化膜粘附性较好。1100℃氧化时出现开裂，1300℃时氧化层脱落。由于氧化层中CuO挥发使得氧化层与基体分离。研究发现Ti1100合金在500℃暴露时，随热暴露时间延长，压力差作用下使得生成氧化膜致密性下降。高温钛合金氧化机理不同，随着氧化时间延长，抗氧化能力降低。

5 高温钛合金的发展方向

高温钛合金研究水平制约航天事业的发展，各国加大对高温钛合金研发投入，但使用中出现蠕变抗力随温度升高下降制约高温钛合金的发展。目前高温钛合金发展路径包括以含2.25%-6%Al进行补充强化的Ti-Al系为基的高温钛合金，以Ti-Al系高合金化合金为基的高温钛合金，针对高温钛合金发展瓶颈提出未来发展方向。

高温钛合金未来发展趋势是加大对Ti-Al基合金的研制力度，合金元素设计又少元到多元，重视稀土元素在高温钛合金中的作用。以Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α钛合金为主导，合金化是获得力学性能的重要手段，进行针对性合金化设计能充分发挥合金元素功效。加入Al等元素可形成稳定的α固溶体，扩大α稳定相温度。加入Cr等合金元素可形成稳定β固液体。Ti3Al金属化合物使用温度接近镍基高温合金，颗粒增强钛基复合材料具有优势，可能提高钛合金温度使用范围。严格控制必要的合金元素含量，O,C,H等随塑性影响限制合金的使用。