高溫鈦合金的發展與應用

王愷婷

（寶鈦集團有限公司，陜西 寶雞 721013）

鈦在地殼中含量豐富的元素中居第9位，鈦合金具有比重小、焊接性能好、無磁性等優點，廣泛應用于船舶海洋工程等各領域。隨著經濟的高速發展，鈦合金應用研究領域不斷深入。

目前國際上消費量最大的是航空航天領域使用鈦合金，航空工業的發展促進鈦合金的發展，鈦合金可以減輕飛機重量，提高飛機推重比，鈦合金被稱為航空工業的脊柱。目前各國鈦合金研究者參與高溫鈦合金的研發，我國研制出服役溫度達600℃的具有良好抗蠕變性能的高溫鈦合金Ti-60，鈦基復合材料使用溫度達到更高水平。但鈦合金熱穩定性未找到有效解決方法，是目前急需解決的問題。

1 高溫鈦合金概述

鈦合金被稱為現代金屬，由于鈦廣泛用于國防科技領域，美國等軍事強國高度重視鈦的開發利用，一些學者不斷對鈦合金進行研究[1]。國外高溫鈦合金研究活躍，由于高溫鈦合金主要用于飛機發動機壓氣盤等，發動機要求高溫鈦合金材料具有良好室溫性能，熱穩定性等，對材料成分與組織要求矛盾。

50年代后鈦合金使用溫度逐步提高，21世紀初高溫鈦合金應用溫度達到600℃。目前成功用于軍民用飛機發動機新型高溫鈦合金有英國的IMI834合金等。我國研制出Ti55，Ti53311S，Ti60等高溫鈦合金[2]。當前我國研制高溫鈦合金在航空中未實現有效應用。目前鈦合金在航空發動機上用量成為衡量其先進度的重要指標。如第四代戰斗機F-22裝配F119發動機用鈦量達35%。高溫鈦合金材料在航空發動機上用于制造相應機閘組件等。目前世界上使用溫度最高的工程化鈦合金為MI934鈦合金。

表1 飛機結構用材比例%

航空發動機風扇處于發動機前端部分，通常使用工作溫度較低的Ti-6Al-4V鈦合金制造葉片等部件。航空發動機高壓壓氣機靠近燃燒室，目前由于鈦合金受到最高工作溫度限制，大部分發動機壓氣機轉動組件采用鎳基高溫合金制造，大大增加航空發動機的自重。50年代研發的Ti-6Al-4V鈦合金長期最高工作溫度為350℃[3]。目前世界上長期工作溫度達500℃以上的工程化鈦合金有美國研發的Ti-1100鈦合金，我國研發的Ti-60鈦合金等。

2 國外高溫鈦合金的應用

近期國外科學家主要研究方向是采用快速凝固技術，利用顆粒物增強復合材料性能研制新型鈦合金，美國麥道公司采用新型技術研制出純度高的鈦合金，鈦合金在760℃下強度不弱于室溫。

美國鈦工業起步較早，鈦合金基礎研究處于領先地位。20世紀60年代美國開發在450℃下使用的Ti-6246高溫鈦合金，廣泛用于大型運輸渦輪噴氣發動機。70年代開發在500℃以上適用的Ti-6242S合金，目前廣泛用于渦輪發動機部件。近幾年美國麥道公司采用粉末冶金技術研制在760℃使用的高致密性高溫鈦合金，可量產高溫鈦合金Ti-21Nb-14Al，目前得到高壓壓氣機閘等部位的應用。

3 中國高溫鈦合金的發展

我國鈦合金發展繼承主要鈦研究生產國家的做法，始于北京有色金屬研究院，中科院金屬研究所，洛陽船舶材料研究所等科研單位及上海武鋼等企業成為研發高溫鈦合金的主力。20世紀80年代前我國航空鈦合金研究走仿制路線，如使用溫度在500℃的TC11華金對應蘇聯的BT9合金。歐美國家航空發動機進入中國市場，我國紡織英美國家高溫鈦合金，如TC17對應美國牌號Ti-17。我國鈦合金自主研發不斷加快，Ti-55是我國自主研制的在550℃使用的高溫鈦合金，通過添加矢量稀土元素Nd，凈化合金基體，使合金設計具有優良熱強性。寶雞鈦業股份公司參與研制用于600℃的Ti-60合金，Ti600是西北有色金屬研究院研制的近α鈦合金，特點是加入適量稀土元素Y，與英國IMI834合金性能相當。

我國研制的在600℃工作的鈦合金有Ti600鈦合金，Ti600合金名義成分為Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.5Mo-0.4Si-0.1Y,研制600℃高溫鈦合金難點是高溫蠕變性能對各種因素敏感，如間隙元素含量等。航空航天等發動機更新加速，對高溫結構材料性能提出新的要求。Ti3Al基金屬化合物滿足更剛強耐熱的要求，北京航空材料研究院系統研究Tl3Al基合金，西北有色金屬研究院研制用于650℃的TP-650TiC顆粒增強鈦基復合材料。目前我國對Ti3Al基金屬化合物研究相比國外存在較大差距，有必要推動我國相關科研水平提升。

4 高溫鈦合金典型組織與性能關系

鈦合金具有α-Ti與β-Ti同素異構體，α相與β相尺寸及分布影響鈦合金機械性能，鈦合金微觀組織形態取決于合金化學成分，熱處理規范等，要想得到期望的微觀組織可通過報考固溶處理、再結晶等熱加工處理獲得。鈦合金可根據要求力學性能選擇顯微組織類型，通常分為魏氏組織、雙態組織等。轉變β基體分布有不連續初生α顆粒，α相包括轉變β組織中片狀α相。生成等軸組織條件是低于雙態組織行車溫度兩相區變形。

鈦合金不同微觀組織形態對應不同的力學性能，α合金具有較好的康蠕變性能。魏氏組織在原始晶粒不粗大下室溫抗拉強度，持久強度較好，但疲勞強度較差，魏氏組織應用不如其他類型廣泛。網籃組織塑性較高，高溫持久強度較好。雙態組織性能與魏氏組織特點相反，初生α顆粒為15%～45%時兩相鈦合金綜合力學性能最佳，在兩相曲邊形抗力相對較大。等軸組織對其他組織具有較好室溫塑性，疲勞極限，但其斷裂韌性較差。高溫鈦合金抗氧化性是抵抗氧化性氣氛腐蝕作用能力，鈦合金與氧反應導致塑性降低，高溫鈦合金中含有Al元素，合金材料化學組成多樣，高溫鈦合金氧化行為通常采用Wagner氧化理論關系式表示。

高溫鈦合金高溫下使用組成合金組分發生擴散，不同溫度下使用高溫鈦合金表現不同的氧化特性。研究對Ti60合金進行高溫連續氧化行為分析，發現720℃時Ti60合金有較厚表面富氧層。800℃時內氧化現象沒有720℃嚴重，由于次表層較寬貧鋁區生成TiO2膜對基體保護作用不同。Ti60合金在高溫下氧化后次表面貧鋁保破壞保護性氧化膜生成條件，鈦合金在500℃～900℃下氧化行為在文獻中較為常見。研究表明1000℃氧化時，氧化膜粘附性較好。1100℃氧化時出現開裂，1300℃時氧化層脫落。由于氧化層中CuO揮發使得氧化層與基體分離。研究發現Ti1100合金在500℃暴露時，隨熱暴露時間延長，壓力差作用下使得生成氧化膜致密性下降。高溫鈦合金氧化機理不同，隨著氧化時間延長，抗氧化能力降低。

5 高溫鈦合金的發展方向

高溫鈦合金研究水平制約航天事業的發展，各國加大對高溫鈦合金研發投入，但使用中出現蠕變抗力隨溫度升高下降制約高溫鈦合金的發展。目前高溫鈦合金發展路徑包括以含2.25%-6%Al進行補充強化的Ti-Al系為基的高溫鈦合金，以Ti-Al系高合金化合金為基的高溫鈦合金，針對高溫鈦合金發展瓶頸提出未來發展方向。

高溫鈦合金未來發展趨勢是加大對Ti-Al基合金的研制力度，合金元素設計又少元到多元，重視稀土元素在高溫鈦合金中的作用。以Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α鈦合金為主導，合金化是獲得力學性能的重要手段，進行針對性合金化設計能充分發揮合金元素功效。加入Al等元素可形成穩定的α固溶體，擴大α穩定相溫度。加入Cr等合金元素可形成穩定β固液體。Ti3Al金屬化合物使用溫度接近鎳基高溫合金，顆粒增強鈦基復合材料具有優勢，可能提高鈦合金溫度使用范圍。嚴格控制必要的合金元素含量，O,C,H等隨塑性影響限制合金的使用。

6 結語

高溫鈦合金未來發展趨勢是研發具有特殊用途的高溫鈦合金，合金向多元強化方向發展；目前金屬件化合物耐熱鈦合金成為研究熱點，研發Ti-Al系金屬間化合物為基的合金。稀土元素是高溫鈦合金具有應用前景的重要元素，稀土元素在合金中的機制作用有待研究。