淺談航空發動機用鈦合金的研究進展

梁振興

摘 要 鈦合金具有優良的綜合性能，應用于航空發動機的關鍵部件。本文對國內航空發動機常用的幾種鈦合金研究情況進行了綜述，討論航空發動機用鈦合金目前所存在的問題，并指出應該加強新型鈦合金的制造和提高鈦合金的加工技術。

關鍵詞 航空發動機;鈦合金;高溫鈦合金;高強鈦合金

前言

航空發動機技術的不斷進步對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，這不僅需要先進的設計，更依靠大量的新材料和新工藝。鈦合金密度低，同時兼具優良的耐熱性、耐蝕性、抗彈性和良好的加工性能，鈦合金在航空發動機上被廣泛用于制造風扇、高壓壓氣機盤、葉片、鼓筒類壓氣機機匣、導風罩和軸類等部件。本文重點介紹了幾種典型的國產發動機用鈦合金的研究進展。

1Ti60

Ti60是一種的高溫鈦合金，服役溫度可達到600℃，該合金通過加入Ta、Nb和Mo這三種元素，使合金成為多元強化的一種熱強鈦合金，被用于制造壓氣機等部件。劉石雙等[1]在Ti60室溫下進行保載疲勞實驗，發現顯微組織對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力的提高而下降。石衛民等[2]研究了兩種工藝下Ti60大棒材的顯微組織及力學性能之間的關系，發現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，用來制造風扇等部件。朱雪峰等[3]通過對不同TA12進行不同工藝的熱處理，發現α相會在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顯微組織和力學性能之間的關系，發現在室溫下，由于焊接接頭的不連續，導致試樣整體上不能協調塑性變形，雖然抗拉強度相當，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TC17超高周疲勞性能的影響，發現腐蝕會微弱降低TC17的超高周疲勞性能;當循環周次大于107后，兩者的疲勞性能無明顯差別。聶祥樊[6]等發現TC17在不同功率密度激光沖擊后，表面組織產生大量位錯和細化晶粒，在深度500μm 內形成200 MPa 以上的殘余壓應力，在4GW/cm2功率密度下，葉片的疲勞壽命提高了2倍。何杉等[7]通過研究噴丸強化前后TC17鈦合金疲勞壽命變化，發現噴丸強化能夠顯著提高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度的Al當量接近α型鈦合金，可用于發動機承力結構件。裴烈勇等[8]研究了滲氧溫度和時間對TA15合金α處理層深度和硬度的影響，發現α處理層深度和硬度隨著滲氧溫度和時間的增加而升高，滲氧溫度的影響要大于滲氧時間，且隨著滲氧時間的延長，α處理層深度和硬度增加的趨勢變緩。隋楠等[9]發現Zr對TA15鈦合金室溫拉伸性能無明顯影響，微量的 Al、V和Mo元素的加入不會對TA15合金的力學性能產生影響，但是隨著含量的提高，合金的強度提高塑性降低。

5鈦基復合材料

鈦基復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度、比模量，可以用來制造發動機環件。鈦基復合材料微觀組織是影響其力學性能主要因素，張長江等[10]研究了不同TiC含量同高溫鈦基復合材料組織與性能之間的關系，發現抗拉強度和屈服強度會隨著TiC含量的升高而顯著的提升，但是當強度達到一定的值后開始下降，壓縮率明顯降低，強度和塑性隨著鈦基復合材料的微觀組織細化而提高。

6結束語

未來航空發動機性能將會不斷提升，發動機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動機上應用的兩個障礙。因此急需開發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

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

[3] 朱雪峰，彭暉，樊凱，等.熱處理對TA12A鈦合金微觀組織和力學性能的影響[J].鈦工業進展，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性能[J].航空精密制造技術，2016，52（1）：47-49.

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

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

[7] 何杉，楊清，閔祥祿.噴丸強化對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.滲氧溫度和時間對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TA15鈦合金組織及力學性能的影響[J].航空材料學報，2019，39（1）：48-54.

[10] 林思波，張樹志，張長江，等.TiC含量對高溫鈦基復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.