TC4/TA15高溫鈦合金的特性及其在航空發動機中的應用

引言

鈦合金具有耐腐蝕性好、密度低、強度高、耐熱性高等諸多優點，高溫鈦合金指一般長時間使用溫度高于400℃的鈦合金，相較普通鈦合金具有更好的比強度、高溫蠕變抗力、疲勞強度、持久強度和組織穩定性。由于航空發動機中的零部件處于高溫、高壓、高轉速的極端環境中，因而要求材料具有耐高溫、重量輕及抗蠕變能力強等特點。高溫鈦合金憑借其優異的材料力學特性可以很好地滿足航空發動機的這些要求，并且可以很好地提高發動機的推重比及燃油效率。隨著航空發動機高推重比的要求越來越高，其內部的工作溫度和壓強越來越高，對高溫鈦合金特性提出了更加嚴苛的要求。目前工程上應用比較成熟的鈦合金，比如英國的IMI834鈦合金，最高使用溫度已經達到600℃左右。目前高溫鈦合金 的使用已經成為衡量航空發動機先進程度的指標之一。本文重點闡述了高溫鈦合金的高溫力學性能及其在航空發動機上的應用，并對我國如何發展高溫鈦合金提供一些思路。

1、高溫鈦合金的特性

1.1　高溫鈦合金的氧化行為

由于航空發動機是在高溫下工作的，其中的高溫鈦合金部件會承受氧化腐蝕的作用，鈦合金的高溫力學性能也受其抗氧化腐蝕能力的制約。鈦合金的氧化會在其表面形成一層氧化膜，使得金屬內部與外界環境隔離，性質較穩定，不會被進一步氧化，但隨著溫度的升高，表面氧化膜的循環層狀剝落。鈦合金在高溫應用時由于受到氧化腐蝕作用的影響，其高溫力學性能會有所下降。李旭升等總結了使用溫度在500℃~750℃的高溫鈦合金的氧化行為，研究表明溫度對高溫鈦合金的氧化速率有很大的影響，在氧化初期氧化增重呈直線型變化，隨著氧化層的增重，化學反應速率減小，呈拋物線形增重，并且氧化膜的組成除TiO₂外還有Al₂O₃。曾尚武等研究了TC4鈦合金的高溫氧化行為，研究發現TC4在650℃的氧化膜中能夠在循環氧化時保持完整，但在更高溫度時可能會開裂和剝落。目前有多種提高高溫鈦合金抗氧化能力的方法，如在純鈦加入其他合金元素，制成多種新型鈦合金。如加入鋁元素，形成一層致密的氧化膜，保護鈦合金免受氧化腐蝕，從而提高鈦合金的高溫抗氧化能力，此外，硅元素及鉻元素同樣可以形成氧化膜。然而過度的合金化也會影響材料的物理性質，在提高高溫鈦合金抗氧化能力的同時，高溫鈦合金的其他高溫力學性能可能也會受到影響，使其無法很好地應用在航空發動機中，因此如何合理地添加合金元素還需要繼續進行研究。另外一種方法是在鈦合金表面填涂具有抗高溫氧化的材料，比如通過在TC4高溫鈦合金表面進行滲鋁的形式可以很好地提高其高溫抗氧化能力，此外還有預氧化等方法也可以提高抗氧化能力。但目前每種方法都有一定的局限性，需要綜合運用多種抗氧化措施來保證高溫鈦合金的高溫力學性能。

1.2　高溫鈦合金的疲勞特性

在航空發動機中結構或零件承受的主要是交變載荷，疲勞失效是主要的失效模式。張亞娟等通過試驗研究了Ti-6Al-4V鈦合金的疲勞裂紋擴展特性，研究表明隨著應力比的增加，疲勞裂紋擴展門檻值會降低，并且在應力強度因子一定時，裂紋擴展速率與應力比成正相關。近年來隨著對航空發動機高可靠、長壽命的要求，這使得結構或材料要能承受107次以上的載荷作用，也就是超高周疲勞作用。李久楷等對TC17鈦合金的高溫超高周疲勞行為研究表明，疲勞S-N曲線在1 0 7次左右時出現拐點，裂紋萌生于表面或亞表面，同時高溫會促進裂紋的擴展。鈦合金的疲勞失效時有發生，需要采用一些抗疲勞措施來提高其疲勞特性。噴丸強化技術是目前廣泛使用的一種提高零件疲勞性能的方法，該方法的原理主要是在試件表面形成殘余壓應力來部分抵消外加載荷的作用，從而提高零件的疲勞性能。何杉等研究了噴丸強化處理對TC17鈦合金疲勞性能的影響，研究表明經噴丸強化處理的材料的疲勞極限可以提高34%以上，噴丸強化處理對提高疲勞性能效果非常顯著。除噴丸強化外，擠壓強化及離子注入等也是提高鈦合金疲勞性能的方法。鈦合金的疲勞特性對航空發動機的安全服役有很大影響，雖然目前對鈦合金的疲勞特性進行了大量的試驗及理論研究，但是很多機理還沒有揭示，需要綜合運用抗疲勞措施來提高鈦合金使用安全性。

1.3　高溫鈦合金的蠕變特性

由于航空發動機中零部件都在高溫下工作，蠕變對航空發動機的使用壽命及安全性能有著極大的影響。蠕變通常是指在高溫持久載荷作用下材料所發生的一種緩慢的不可恢復的變形。王琪等對TA15鈦合金的高溫蠕變行為進行研究，結果表明一定的溫度和應力范圍內TA15合金蠕變變形過程中位錯的滑移和攀移起重要作用，在550℃以上時位錯攀移起主要作用。應力、時間、溫度、合金元素、微觀組織等都對高溫鈦合金的蠕變行為起到一定作用。李榮等對TC4鈦合金棒材蠕變特性進行了研究，結果表明隨著試驗應力的增加，其蠕變過程達到穩定狀態所需要的時間會變短，而穩態時蠕變速率會變快。對于蠕變的研究要結合蠕變疲勞的交互作用開展，因為在發動機中零部件的失效常常是在兩者的共同作用下發生的。

2、高溫鈦合金在航空發動機上的應用

航空發動機是整個飛行器中最重要的部位，是保障安全完成飛行任務的核心所在。鈦合金已經廣泛地應用于航空發動機的很多部件中，鈦合金的應用可以進一步提高航空發動機的推重比，提高其經濟性。鈦合金在航空發動機中的應用比例也是衡量發動機先進程度的重要指標，目前最先進的航空發動機美國F22戰機使用的F119發動機鈦合金用量已經達到40%左右。航空發動機中的葉片、葉盤及機匣等很多都是用鈦合金制造的，已經獲得廣泛應用和正在開發的鈦合金關鍵部件包括鈦合金風扇、鈦合金整體葉盤、整體葉環、連續纖維增強鈦基復合材料葉片和鈦合金機匣等。

隨著鈦合金關鍵部件設計及制造水平的不斷提高，會有越來越多的鈦合金航空發動機關鍵部件。

3、總結與展望

高溫鈦合金由于其優異的物理化學特性被廣泛應用在航空發動機上，隨著對航空發動機推重比的要求越來越高，無論是鈦合金的使用量還是其力學性能的要求都會越來越高。在國家“兩機專項”大力發展航空發動機的背景下，研制高性能的高溫鈦合金材料是提升我國航空發動機性能的關鍵。美英等發達國家對高溫鈦合金的研究起步較早，其研制的鈦合金憑借優異的性能已經廣泛應用于先進航空發動機中，推動了航空發動機的升級換代。

我國由于鈦合金的研究起步較晚，跟發達國家還有一定差距，為此要：①對高溫鈦合金的發展要有一個科學的規劃，組建一批高水平的專家科研隊伍，確定高溫鈦合金的科研方向，組建科研平臺，完善高溫鈦合金的研發體系，注重研發與大規模生產應用間的關系；②積極探索研發新型高性能多用途的高溫鈦合金材料，特別是能在600℃以上穩定工作的鈦合金，對于TiAl合金及SiCf/Ti復合材料等未來的高溫鈦合金材料，要積極投入人力物力進行前瞻性基礎性研究；③注重對高溫鈦合金生產制造水平工藝的研究，很多時候零部件達不到性能要求主要是由于生產制造水平不過關引起的，因此在研發新型高溫鈦合金的同時也要注重生產工藝的研究。

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