淺談航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金的研究進(jìn)展

梁振興

摘 要 鈦合金具有優(yōu)良的綜合性能，應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件。本文對(duì)國內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)常用的幾種鈦合金研究情況進(jìn)行了綜述，討論航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金目前所存在的問題，并指出應(yīng)該加強(qiáng)新型鈦合金的制造和提高鈦合金的加工技術(shù)。

關(guān)鍵詞 航空發(fā)動(dòng)機(jī);鈦合金;高溫鈦合金;高強(qiáng)鈦合金

前言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步對(duì)推重比提出了更高的要求，減輕重量是其中最主要的途徑之一，這不僅需要先進(jìn)的設(shè)計(jì)，更依靠大量的新材料和新工藝。鈦合金密度低，同時(shí)兼具優(yōu)良的耐熱性、耐蝕性、抗彈性和良好的加工性能，鈦合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上被廣泛用于制造風(fēng)扇、高壓壓氣機(jī)盤、葉片、鼓筒類壓氣機(jī)機(jī)匣、導(dǎo)風(fēng)罩和軸類等部件。本文重點(diǎn)介紹了幾種典型的國產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金的研究進(jìn)展。

1Ti60

Ti60是一種的高溫鈦合金，服役溫度可達(dá)到600℃，該合金通過加入Ta、Nb和Mo這三種元素，使合金成為多元強(qiáng)化的一種熱強(qiáng)鈦合金，被用于制造壓氣機(jī)等部件。劉石雙等[1]在Ti60室溫下進(jìn)行保載疲勞實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)顯微組織對(duì)低周疲勞性能的影響不明顯，在保載條件下，疲勞壽命顯著降低并且隨著峰值應(yīng)力的提高而下降。石衛(wèi)民等[2]研究了兩種工藝下Ti60大棒材的顯微組織及力學(xué)性能之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)變形程度不同的棒材的顯微組織相差不多，除了高溫軸向拉伸性能有區(qū)別外，其他性能相差不大。

2TA12

TA12是一種近α型高溫鈦合金，工藝塑性良好，可以采用鍛造和沖壓等加工，用來制造風(fēng)扇等部件。朱雪峰等[3]通過對(duì)不同TA12進(jìn)行不同工藝的熱處理，發(fā)現(xiàn)α相會(huì)在TA12A鈦合金保溫空冷后析出，并且隨著熱處理溫度的提高，次生α相增多，有利于合金的塑性變形，且1000℃為最佳的熱處理工藝。張芳等[4]人研究了電子束焊接后TA12顯微組織和力學(xué)性能之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在室溫下，由于焊接接頭的不連續(xù)，導(dǎo)致試樣整體上不能協(xié)調(diào)塑性變形，雖然抗拉強(qiáng)度相當(dāng)，但是塑性降低，沖擊功下降。

3TC17

TC17是一種富β過渡型兩相鈦合金，可以用來制造風(fēng)扇等部件，該合金在300～450 ℃具有良好的抗蠕變性能。董鑫等[5]通過研究腐蝕對(duì)TC17超高周疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)腐蝕會(huì)微弱降低TC17的超高周疲勞性能;當(dāng)循環(huán)周次大于107后，兩者的疲勞性能無明顯差別。聶祥樊[6]等發(fā)現(xiàn)TC17在不同功率密度激光沖擊后，表面組織產(chǎn)生大量位錯(cuò)和細(xì)化晶粒，在深度500μm 內(nèi)形成200 MPa 以上的殘余壓應(yīng)力，在4GW/cm2功率密度下，葉片的疲勞壽命提高了2倍。何杉等[7]通過研究噴丸強(qiáng)化前后TC17鈦合金疲勞壽命變化，發(fā)現(xiàn)噴丸強(qiáng)化能夠顯著提高TC17鈦合金的疲勞性能，疲勞壽命提高了34%以上。

4TA15

TA15鈦合金是具有中等室溫和高溫強(qiáng)度的Al當(dāng)量接近α型鈦合金，可用于發(fā)動(dòng)機(jī)承力結(jié)構(gòu)件。裴烈勇等[8]研究了滲氧溫度和時(shí)間對(duì)TA15合金α處理層深度和硬度的影響，發(fā)現(xiàn)α處理層深度和硬度隨著滲氧溫度和時(shí)間的增加而升高，滲氧溫度的影響要大于滲氧時(shí)間，且隨著滲氧時(shí)間的延長，α處理層深度和硬度增加的趨勢(shì)變緩。隋楠等[9]發(fā)現(xiàn)Zr對(duì)TA15鈦合金室溫拉伸性能無明顯影響，微量的 Al、V和Mo元素的加入不會(huì)對(duì)TA15合金的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，但是隨著含量的提高，合金的強(qiáng)度提高塑性降低。

5鈦基復(fù)合材料

鈦基復(fù)合材料兼具金屬性能與陶瓷性能，與鈦基體相比具有高的比強(qiáng)度、比模量，可以用來制造發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)件。鈦基復(fù)合材料微觀組織是影響其力學(xué)性能主要因素，張長江等[10]研究了不同TiC含量同高溫鈦基復(fù)合材料組織與性能之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度會(huì)隨著TiC含量的升高而顯著的提升，但是當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到一定的值后開始下降，壓縮率明顯降低，強(qiáng)度和塑性隨著鈦基復(fù)合材料的微觀組織細(xì)化而提高。

6結(jié)束語

未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能將會(huì)不斷提升，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件需要承受更大的熱、力和沖擊，需要更高性能的鈦合金，在600℃以上，現(xiàn)有的鈦合金抗氧化性能和抗蠕變性能的降低是制約鈦合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的兩個(gè)障礙。因此急需開發(fā)新型鈦合金或者提高鈦合金制造的工藝水平，如使用粉末冶金成型法和超塑性成型等。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉石雙，仇平，蔡建明，等.Ti60鈦合金室溫保載疲勞性能及斷裂行為[J].材料工程，2019，47（7）：112-120.

[2] 石衛(wèi)民，魏壽庸，王鼎春，等.Ti60鈦合金大棒材的顯微組織及力學(xué)性能[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2010，20（S1）：75-78.

[3] 朱雪峰，彭暉，樊凱，等.熱處理對(duì)TA12A鈦合金微觀組織和力學(xué)性能的影響[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2018，35（4）：26-29.

[4] 張芳，徐建成，張慶云.TA1鈦合金電子束焊接的顯微組織和力學(xué)性能[J].航空精密制造技術(shù)，2016，52（1）：47-49.

[5] 董鑫，李培源，王旭，等.腐蝕對(duì)TC17鈦合金超高周疲勞性能的影響[J].機(jī)械工程材料，2014，38（11）：76-79，94.

[6] 聶祥樊，何衛(wèi)鋒，王學(xué)德，等.激光沖擊強(qiáng)化對(duì)TC17鈦合金微觀組織和力學(xué)性能的影響[J].稀有金屬材料與工程，2014，43（7）：1691-1696.

[7] 何杉，楊清，閔祥祿.噴丸強(qiáng)化對(duì)TC17鈦合金疲勞性能的影響[J].金屬熱處理，2018，43（6）：159-161.

[8] 裴烈勇，戴愛麗，劉德勇，等.滲氧溫度和時(shí)間對(duì)TA15合金α處理層深度及硬度的影響[J].金屬熱處理，2019，44（12）：154-156

[9] 隋楠，曹京霞，黃旭，等.合金成分對(duì)TA15鈦合金組織及力學(xué)性能的影響[J].航空材料學(xué)報(bào)，2019，39（1）：48-54.

[10] 林思波，張樹志，張長江，等.TiC含量對(duì)高溫鈦基復(fù)合材料組織與性能的影響[J].稀有金屬材料與工程，2017，46（S1）：185-189.