影響航空用高溫鈦合金性能的因素

易義鳳 王素華 馮瑋

【摘 要】鈦合金在使用中隨使用溫度升高，合金的高溫蠕變性能和熱穩(wěn)定性都迅速降低，高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性就成為制約高溫鈦合金發(fā)展的障礙。而鈦合金的高溫性能受到各個(gè)因素的影響，如合金化元素、顯微組織、熱處理制度和第二相等均對(duì)合金的高溫性能有一定影響。本文主要對(duì)影響航空用高溫鈦合金性能的主要因素進(jìn)行探討分析，以進(jìn)一步提高航空高溫鈦合金整體性能。

【關(guān)鍵詞】航空；高溫鈦合金；性能；影響因素

鈦及鈦合金是一種密度小、強(qiáng)度高、耐熱性好、韌性高、導(dǎo)熱性及抗疲勞性好、有著較寬的工作溫度范圍和優(yōu)異的抗海水腐蝕性能及超低溫性能等一系列優(yōu)異性能的工程結(jié)構(gòu)材料。因此，被廣泛地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。鈦及鈦合金已經(jīng)成為航空航天工業(yè)的支柱之一，相關(guān)資料表明，高性能鈦及鈦合金在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用占到了鈦材總產(chǎn)量的70%左右。鈦制設(shè)備雖然一次性投資較高，但全壽命費(fèi)用較低，經(jīng)濟(jì)效益明顯，目前高性能的飛機(jī)、坦克正在采用鈦合金部件，先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤、壓氣機(jī)葉片、風(fēng)扇葉片以及機(jī)匣等均由鈦合金制造。

一、航空航天用鈦合金的特點(diǎn)及應(yīng)用

作為航空航天領(lǐng)域不斷興起的材料，鈦合金有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）比強(qiáng)度高。鈦合金具有很高的強(qiáng)度，其抗拉強(qiáng)度為686-1176MPa，而密度僅為鋼的60%左右，所以比強(qiáng)度很高。

（2）高溫性能優(yōu)良。鈦合金在高溫下仍能保持良好的機(jī)械性能，其耐熱性遠(yuǎn)高于鋁合金，且工作溫度范圍較寬。

（3）抗腐蝕性強(qiáng)。在550℃以下的空氣中，鈦表面會(huì)迅速形成薄而致密的氧化鈦膜，其耐蝕性優(yōu)于大多數(shù)不銹鋼。

二、影響高溫鈦合金性能的因素

（一）合金化元素的影響

現(xiàn)在正在使用和研究開發(fā)的高溫鈦合金大部分屬于近α型鈦合金，所主要添加的合金化元素有Al、Sn、Zr、Mo、V、Nb和Si等。與β型鈦合金相比，近α型鈦合金的高溫強(qiáng)度較高，熱穩(wěn)定性較好且具有優(yōu)良的焊接性能等。此外，雜質(zhì)元素C，N，H和O以及Nd等稀土元素對(duì)高溫鈦合金的性能也有重要影響。

（1）Al元素

Al為高溫鈦合金中經(jīng)常添加的元素，也是最重要的固溶強(qiáng)化元素之一。Al的加入可降低合金密度，提高再結(jié)晶溫度、強(qiáng)度和（α+β）/β轉(zhuǎn)變點(diǎn)，并改善合金抗氧化性能。Al還能夠提高固溶體的原子結(jié)合力，增加合金高溫強(qiáng)度。由于Al原子以置換方式存在于α相中，Al含量超過其在α相中的溶解極限，容易導(dǎo)致有序α2（Ti3Al）相析出，引起合金脆化，當(dāng)含量在6.0～7.0%時(shí)合金具有較高熱穩(wěn)定性和良好焊接性。

（2）C元素

在鈦合金中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.09%的C元素時(shí)，C元素將完全固溶，具有固溶強(qiáng)化作用，可阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。于此同時(shí)合金組織中的晶粒依舊保持比較細(xì)小，從而顯著提高鈦合金的強(qiáng)度和高溫蠕變性能。

但是當(dāng)C元素含量在鈦合金中過多時(shí)，會(huì)在組織中析出粗大的碳化物，形成的碳化物會(huì)增大α片層的厚度。如果析出碳化物，合金在變形過程中在其附近產(chǎn)生較大應(yīng)力集中。碳化物為脆性相，其主要析出處在晶界，對(duì)合金的塑性及高溫蠕變性能有不利影響。除此之外，元素C的加入對(duì)于提高鈦合金的使用壽命是有利的。

（3）稀土元素

在高溫鈦合金中，稀土元素可以形成第二相彌散質(zhì)點(diǎn)、細(xì)化晶粒、增加位錯(cuò)密度等，從而產(chǎn)生強(qiáng)化作用，但稀土元素會(huì)奪取固溶體中的間隙氧，降低間隙固溶強(qiáng)化，從而產(chǎn)生軟化作用。

稀土元素可使鈦合金的熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性達(dá)到最佳匹配，且能有效改善鈦合金的高溫蠕變性能。稀土元素與氧有著比較高的親和力，它還可以轉(zhuǎn)移合金中的部分Sn，以達(dá)到凈化基體，抑制α2相的析出。但是，內(nèi)氧化作用卻使得間隙固溶強(qiáng)化作用降低，以致產(chǎn)生了軟化作用。

Ti-60合金中添加了稀土元素Nd，Nd將會(huì)通過內(nèi)氧化的形式形成富含Nd、Sn和O的稀土相，從而降低了基體中的氧，達(dá)到凈化基體，提高合金熱穩(wěn)定性的作用；研究表明，只有當(dāng)某些種類且含量適當(dāng)?shù)南⊥猎靥砑尤脞伜辖饡r(shí)，才能改善其熱加工性能。例如，加入低于0.05%的稀土元素Y和Er可顯著減少Ti-6Al-4V合金軋制時(shí)形成的邊裂。

稀土元素對(duì)高溫鈦合金組織和性能都有一定直接或間接的影響，這些影響有些是有利的，有些是有害的。它跟稀土元素的種類、添加量、合金種類及合金化元素都有關(guān)系，其中稀土添加量最為關(guān)鍵，因?yàn)樗鼪Q定著稀土元素的存在狀態(tài)、分布等。只有在鈦合金中添加適量的稀土元素才能得到有利的效果。

（二）顯微組織對(duì)高溫鈦合金性能的影響

顯微組織的類型及相尺寸參數(shù)等對(duì)高溫鈦合金性能的影響很大，調(diào)整組織類型及參數(shù)是獲得具有強(qiáng)度、塑性及其他使用性能良好匹配的重要途徑。網(wǎng)籃組織是兩相鈦合金在β相轉(zhuǎn)變溫度左右變形開始，或在β單相區(qū)開始變形，在兩相區(qū)變形完成，且變形量達(dá)到50%～80%時(shí)得到，網(wǎng)籃組織的疲勞強(qiáng)度比較高。

在鈦合金中等軸組織和雙態(tài)組織的組織及性能特點(diǎn)相近，所不同的僅是所含初生α相的數(shù)量不同。等軸組織和雙態(tài)組織具有較高的塑性及疲勞性能。其缺點(diǎn)是高溫性能和斷裂韌性較低。研究發(fā)現(xiàn)等軸組織中等軸α晶粒的最佳尺寸為2μm～4μm，此時(shí)可獲得強(qiáng)度、塑性及疲勞性能的良好匹配的合金。片層α相界面可有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高合金斷裂韌性、高溫蠕變強(qiáng)度及抵抗裂紋擴(kuò)展能力，但塑性和低周疲勞強(qiáng)度較低。

（三）高溫?zé)崽幚淼挠绊?/p>

含有不同合金化元素的高溫鈦合金，經(jīng)過不同熱處理后，可獲得不同組織狀態(tài)和性能。為使合金的組織和性能滿足要求，可通過選用合適的熱處理制度來(lái)改善。在高溫鈦合金中常用的熱處理主要有退火、固溶和時(shí)效等。對(duì)高溫鈦合金長(zhǎng)時(shí)間的深入研究，其生產(chǎn)工藝成熟，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、醫(yī)療等領(lǐng)域，但是由于鈦合金的抗沖擊韌性較差嚴(yán)重限制了其更廣泛應(yīng)用。常溫時(shí)鈦合金由α和β兩相組成，可對(duì)其進(jìn)行退火、固溶和時(shí)效方式的熱處理，不同的熱處理工藝可以獲得不同的相組成和顯微組織，在普通退火狀態(tài)下，片狀組織的力學(xué)性能優(yōu)于雙態(tài)組織，但在高應(yīng)力區(qū)，雙態(tài)組織的力學(xué)性能優(yōu)于片狀組織。

三、結(jié)語(yǔ)

高溫鈦合金在航空領(lǐng)域的使用由來(lái)已久，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，高溫鈦合金所使用的溫度越來(lái)越高，對(duì)其性能要求也就越來(lái)越高，尤其是高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性已經(jīng)成為制約高溫鈦合金發(fā)展的障礙。要想提高高溫鈦合金的在高溫使用時(shí)的性能，就要了解影響其性能的因素。因此本文對(duì)影響高溫鈦合金的一些因素進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析和總結(jié)，更多的因素和研究，還需科研工作者今后共同努力，相信在諸多科研工作者的共同努力下，高溫鈦合金的使用溫度會(huì)越來(lái)越高。

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