國內外BT36/BT9/TC11/Ti55等高溫鈦合金材料的應用現狀與發展趨勢

1、高溫鈦合金概況

國內外高溫鈦合金的研究一直極為活躍，極為重要，但其發展歷程卻極為艱辛，這主要是因為高溫鈦合金主要用于飛機發動機的壓氣盤、葉片和機匣等[1]。因發動機對高溫鈦合金的要求苛刻：它要求材料具有良好的室溫性能、高溫強度、蠕變性能、熱穩定性、疲勞性能和斷裂韌性等的匹配，而這些性能對材料的成分和組織的要求是矛盾的，典型高溫鈦合金的性能特點如表1 所示。

目前已成功地應用在軍用和民用飛機發動機中的新型高溫鈦合金有：英國的IMI829、IMI834合金，美國的Ti1100 合金，俄羅斯的BT18Y、BT36合金等，使用溫度達550～600℃。國外在傳統高溫鈦合金的基礎上仍在進行深化研究。我國研制出了Ti55、Ti633G、Ti53311S、Ti-65Nd、Ti60、7715D 及Ti600 等7 種高溫鈦合金，比美、英、俄三國的總和還多兩個。表2 為部分國家高溫鈦合金的使用溫度及化學成分。但我國研制的高溫鈦合金在航空上并沒有得到真正應用[2]，Ti533llS 和7715D550高溫鈦合金反而在航天上得到很好應用。作者對美國、俄羅斯、歐洲和中國等國家高溫鈦合金的發展、現狀及趨勢進行了介紹，評述了高溫鈦合金的發展趨勢，為我國高性能鈦合金的研發及應用提供一定的思路和啟示。

2、國外高溫鈦合金研究現狀

高溫鈦合金以其優良的熱強性和高的比強度，在航空發動機中獲得了廣泛的應用，以其為材料生產的零件包括風扇盤、葉片、壓氣機盤等。美國、英國、俄羅斯等航空工業發達國家先后研制出了在350～600℃環境中使用的高溫鈦合金。高溫鈦合金的使用溫度逐步提高，目前在研發中的高溫鈦合金使用溫度覆蓋了550~850℃的范圍。

2.1 美國高溫鈦合金的發展

美國是世界上最先研制出鈦合金的國家，美國在鈦合金研究領域，取得了舉世矚目的成果，這可從美國刊登在歷屆國際鈦合金學術論文集的研究論文中看出，無論從數量還是質量上都居首位，美國研制的一系列實用性高溫和高強鈦合金，為其軍事工業的發展提供了強大的動力。

1954 年，美國人成功研制出世界上第一個實用的鈦合金Ti-6Al-4V，奠定了耐熱鈦合金發展的基礎，其工作溫度僅300℃，但是由于其具有良好的綜合性能和較低的成本，至今仍是使用量最多的鈦合金。但隨著使用條件的提高，Ti - 64 合金也逐漸暴露出了一些不足，主要有:冷加工性較差、淬透性不理想、耐熱性不夠好、制備工藝復雜等。上世紀60 年代，開發了Mo含量較高的Ti - 6246和Ti - 6242 合金，將使用溫度提高到450℃左右。Ti - 6246 合金的β穩定化程度進一步提高，固溶時效和雙重退火后的低周疲勞強度明顯高于相應的Ti - 64 合金，同時具有較高高溫蠕變強度和瞬時強度。70 年代，美國活性金屬公司通過添加Si元素，開發了使用溫度超過500℃的Ti - 6242S合金，該合金的最高使用溫度為540℃，室溫的σb=930MPa[3]，特點是具有強度、蠕變強度、韌性和熱穩定性的良好結合，并具有良好的焊接性能，主要應用于燃氣渦輪發動機零件、發動機結構板材零件、 飛機機體熱端零件[4]。

80 年代初，發動機制造商對高溫鈦合金的抗蠕變性能提出了更高的要求，于是美國研究開發了鉬含量較低的Ti-1100 合金。該合金是Ti-6242S 的改進型合金，是以其使用溫度為1100OF 而命名的。Ti-1100(Ti - 6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si)合金是近α型鈦合金，使用溫度達到600℃，特點是具有較低的韌性和較大的疲勞裂紋擴展速率。該合金已用于制造萊康明公司T55-712 改型發動機的高壓壓氣機輪盤和低壓渦輪葉片等零件[5]。

進一步提高合金的工作溫度往往受到蠕變溫度、組織穩定性和表面抗氧化能力的限制。美國冶金學家用0.5%~1% Ta (質量分數)代替IMI834 合金中的Nb，稱為IMI834-Ta。IMI834-Ta 合金的高溫性能與IMI834 幾乎相同，600℃時屈服強度達580MPa、蠕變性能高于IMI834[6]。

近幾年國外把采用快速凝固/粉末冶金技術研制鈦合金作為高溫鈦合金的發展方向，使鈦合金的使用溫度可提高到650℃以上。美國麥道公司采用這種技術成功地研制出一種高純度、高致密性鈦合金，在760℃下其強度相當于目前室溫下使用的鈦合金強度[7]。

2.2 俄羅斯（含前蘇聯）高溫鈦合金的發展

高溫鈦合金以其優良的熱強性和高比強度，在航空發動機上獲得了廣泛的應用。為了滿足設計高性能航空發動機的需求，多年來，俄羅斯十分重視對高溫鈦合金的研制與開發。早在20 世紀50年代末期就開發出了BT6、BT3-1、BT8、BT9 等牌號的鈦合金，六七十年代又研制和開發了BT18、BT25合金。為了提高高溫鈦合金的性能和工作壽命，在原有合金的基礎上改進研制了BT18y、BT25y、BT8M、BT8-1 和BT8M-1 等牌號的高溫鈦合金。此外，綜合性能優良的BT22(Ti -5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr)、BT6 合金也被列入航空發動機選用材料系列中。如BT22 合金既可用于制造在350~400℃下長期工作的機身、機翼受力件及操作系統等的緊固件，也可用于制造工作溫度不高于350℃的發動機的風扇盤和葉片等。這些合金的熱強性能由低到高的順序依次為BT22、BT6、BT8、BT8M-1、BT9、BT25y、BT18y、BT36，為此，俄羅斯新型發動機多采用綜合性能優良的鈦合金。

當工作溫度不大于350℃時使用BT22 和BT6 合金；而在400~500℃范圍使用BT8-1、BT8M-1合金，在500~550℃范圍使用BT25y合金；在550~600℃范圍使用BT18y合金。而BT3-1、BT9、BT25等合金僅在老式發動機上使用。這些經驗可為中國高溫鈦合的研制、開發和選用上述合金提供參考[8]。

全俄材料研究院在BT36 合金研究方面投入了很大的力量，高溫鈦合金BT36 是一種含W 的8元復雜鈦合金[9]，并用其制造了壓氣機盤[10]。BT36 合金是俄羅斯目前耐熱溫度最高的高溫鈦合金，可在600℃工作。與BT18Y 合金在成分上的差別在于用5%W 代替了1%Nb，鎢的熔點(3410℃)和蠕變極限(95MPa)都比鈮要高得多(2000℃，43 MPa)，W的加入有利于提高合金的室溫強度、持久強度和抗蠕變性能，尤其在550~600℃時更加明顯。因此，該合金比BT18Y（其使用溫度在500~550℃之間）更具競爭力，已在某發動機上得到了應用。在多元合金系基礎上添加W 元素(0.7%~5.0%)是俄羅斯高溫鈦合金發展的新趨勢[11]。

此外，由于大型航空發動機壓氣機對工作溫度在300～350℃用材的需要，俄羅斯全俄輕合金研究院研究了同時增添錫和鋯的BT22 合金的強度和高溫蠕變性能，研制出了性能優于BT22的一種新的航空用鈦合金。新合金的名義化學成分為：Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr-1.7Sn-2.5Zr，被賦予正式牌號BT37。用該合金來取代傳統的BT3-1，BT6 熱強鈦合金來制造在300～350℃工作的壓氣機大尺寸盤和葉片，可使質量減輕20%～25%[9]。

高溫鈦合金今后的發展方向將是突破600～650℃使用溫度，有報道說俄羅斯已研制出650℃使用的高溫鈦合金[13]。

2.3 歐洲

70 年代以來，在美國和日本技術沖擊下，歐洲各國感到發展高技術已成為同美日競爭中決定勝負的關鍵因素。促進了以軍事為背景的鈦合金應用研究的迅速發展。例如，用于高性能航空發動機的高溫鈦合金IMI829、IMI834 合金已領先于美國，高溫鈦合金和TiAl 金屬間化合物及其制備技術已取得了很大進展；鈦合金和TiAl化合物的霧化制粉和沉積成形技術研究也屬世界先進水平[10]。

2.3.1 法國

法國在新合金開發方面，使用Ti-17 合金制造了GE90 和M88 發動機零件，其工作溫度為350~400℃。用Ti-6242 和Ti-6246 合金制造了MTR390 發動機零件。法國人還利用Ti-6246 合金制造了阿里亞娜-5 發射器的結構零件；將β-CEZ 鈦合金用于M88-X 未來型發動機中，其工作溫度為400~450℃[10]。

2.3.2 英國

英國是最早研究高溫鈦合金的國家之一，但在開發鈦合金的指導思想上與美國不同，以α相固溶強化作為提高蠕變強度的主要手段，側重于研究以提高蠕變強度為目標的近α型鈦合金。由于認識到Si元素對合金蠕變性能的重大影響，所以英國的高溫鈦合金幾乎都是含Si的[7]。

IMI 550 合金是英國于20世紀50年代中期研制成功的，與同期的美國合金Ti - 64 相比，抗拉強度提高了10%，使用溫度提高到400℃，Si 元素的加入有效地提高了蠕變強度。至此，英國確立了開發高溫鈦合金的基礎技術。60 年代，為進一步提高蠕變強度，研制開發了IMI 679 和IMI 685合金。兩者均具有較低的Mo 含量，IMI 679 含有11%Sn 元素，這在高溫鈦合金中是不多見的，其使用溫度為450℃，抗拉強度與Ti - 6242 合金相當，蠕變強度優于美國的Ti - 64 和Ti - 811 合金。IMI685 合金是高Al、低Mo、中Zr 的近α型鈦合金，合金通過控制針狀組織來提高高溫蠕變強度，使用溫度在500℃以上，是一個專門為航空發動機設計的、同時具有良好蠕變性能、加工性能和焊接性能的合金[7]。

20 世紀70~80 年代，英國研究開發了以改善疲勞強度為主的IMI 829 和IMI 834 合金，屬于Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Si合金系，IMI834(Ti-5.8A l - 4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si)合金是英國在1984年研制成功的一種近α型鈦合金。IMI 834 還含有0.06%C。這樣的成分使合金的抗氧化能力和蠕變性能大大提高，而且有效地細化了宏觀和微觀組織，工作溫度可望達到近600℃。IMI 834 合金是α+β處理的近α合金，其組織是針狀轉變β+少量的初生α；IMI 829 合金經β處理的組織是針狀α+少量轉變β，使合金具有最好的抗蠕變性能和斷裂韌性。試驗證明：當組織為5%α相+95%針狀轉變β時，合金具有高溫蠕變性能和疲勞性能的最佳結合。兩合金已分別在RB211 535E4 和Trent600-800，EJ200 和PW350 等發動機上得到了應用。另外，進一步提高這些合金的工作溫度往往受到蠕變溫度、組織穩定性和表面抗氧化能力的限制[12]。

英國的鈦公司主要是帝國金屬工業公司(IMI)，它雖然也被美國的Timet 兼并，但在鈦合金研究方面也取得了一定的成績。如IMI 834 鈦合金就廣泛用于羅爾斯-羅依斯Trent700 發動機中，其工作溫度可達600℃，重量比鎳基超合金同等部件減輕了50kg。在Trent800 高壓壓氣機中，前3 級使用的也是IMI834 鈦合金。

但 IMI834 合金本身的穩定性、表面易氧化缺點及高溫性能使其在使用溫度上受到了限制。據英刊報道，在合金中添加硅和鐵是至關重要的間題，硅能有效地改變蠕變強度；相反，增加鐵含量對蠕變強度卻有致命影響，鐵含量必須控制在0.015%以下。減少偏析程度和夾雜物，對提高高溫合金的性能有明顯的作用。要保證疲勞強度和蠕變強度，在α+β區固溶處理后的初生α相量一定要控制在7%~15%，這已是實驗所證明的[13]。

2.3.3 德國

德國目前研究了Ti-6Al-4V 霧化球形粉末注射成形并經燒結和熱等靜壓處理后，其性能明顯優于鍛造件的情況。德國宇航中心對SiC/IMI834、SiC/Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo(原子分數)和SiC/Ti-22Al-25Nb(原子分數)復合材料進行了詳細的研究。研究結果表明，這些復合材料具有良好的性能和應用前景，其使用溫度可達700℃以上，將是宇航發動機壓氣機部件的優選材料。

3、中國高溫鈦合金的發展

高溫鈦合金研究一直是鈦領域的主導課題。但我國高溫鈦合金在開發和應用方面落后于工業發達國家，英國的600℃高溫鈦合金IMI834 已正式應用于多種航空發動機，美國的Ti-1100 也開始用于T55-712 改型發動機，而我國在20 世紀80 年代以前一直走仿制的道路[14]。近20 年來，我國鈦及鈦合金研制走的是仿制與自主研發相結合的道路。70 年代末到80 年代初主要完成400～450℃高溫鈦合金研究，‘九五’期間主要從事600～620℃高溫鈦合金研究。隨著研究進展，高溫鈦合金的使用溫度會不斷提高。我國高溫鈦合金研制的初期大多是仿制俄羅斯和英國的，爾后逐步走上自己創制的道路。如西北有色金屬研究院在英國IMI829 合金基礎上，研制的550℃高溫鈦合金Ti633G(Ti-6.5Al-3Sn-3Zr-1Nb- 0.3Mo-0.3Si-0.2Gd)通過稀土元素Gd的內氧化粒子Gd2O3獲得了熱強性與熱穩定的良好匹配。與此同時研制的Ti-53311S(Ti-5Al-3Sn-3 Zr-1Nb -1Mo -0.25 Si)通

過增加抗氧化性元素鈮含量，550℃的熱穩定性提高了。上海鋼鐵研究所研制的540℃使用的高溫鈦合金7715C(Ti-6.5Al-2.2Sn-1.2 Zr- 2Mo-2.2Nb-0.2 Si- B-Ce)通過硼與稀土元素Ce的交互作用，增強了相界及α 和β 相的強化效果，獲得良好的抗蠕變性能，538℃/315MPa/100h 條件下殘余變形量為0.157%，σb(540℃/510MPa)持久152h。該合金制成的盤件和葉片已在等型發動機上通過了長期工藝試車[5]。自主研制了在550℃使用高溫鈦合金TA12( Ti- 55) [15]。該合金中加入了稀土元素Nd， 通過熔煉過程內氧化，形成與基體非共格的彌散分布的富Nd 第二相顆粒，降低了基體中的氧含量，從而提高了合金的熱穩定性。隨后， 在 TA12 合金的基礎上， 研制了Ti- 60 合金。該合金適當增加了Al、Sn、Si 的含量， 進一步提高了合金的高溫蠕變性能和強度， 使合金的使用溫度達到了600 ℃。最近又在美國Ti- 1100 合金的基礎上， 添加約0.1% Y， 研制出Ti- 600 合金。該合金在600～650 ℃均具有良好的力學性能， 尤其是蠕變性能更好。700～1000℃ 下使用的鈦合金主要有Ti3Al 金屬間化合物、TiAl 基合金、高Nb-TiAl 基合金( 研究表明，TiAl 中加入Nb 是提高TiAl 合金高溫性能最有效的手段之一) 等。它們均具有低的密度，高的彈性模量，優良的高溫強度以及良好的抗氧化性和抗燃燒性。但這類合金的室溫塑性和斷裂韌性較低，阻礙了它們的實際應用［16］。表3 列出了我國自主研發的部分高溫鈦合金。

值得一提的是我國550～600℃使用的高溫鈦合金都含有少量稀土元素(如Gd、Nd、Y、Er、Ce等)，稀土的加入有兩種途徑:一是稀土的加入量嚴格控制在基體合金的固溶范圍內，使其在凝固后保留在過飽和固溶體內，隨后熱機械加工和熱處理、熱暴露后可能有少量細小彌散的稀土氧化物析出，大部分保留在基體合金固溶體內，起固溶強化作用，對細化晶粒和抗蠕變性能有明顯的改善，根據這一原則西北有色金屬研究院和上海鋼鐵研究所發展了Ti633G、Ti600 和Ti7715D 合金；另一種途徑是加入0.4%～1.0%的稀土 (如Nd)，這大大超過了基體合金的固溶度，因此在合金凝固中形成粗大的稀土氧化物粒子和稀土金屬間化合物，通過對基體的凈化可以顯著增加合金Al當量裕度，同時明顯細化晶粒和改善合金的抗蠕變和熱穩定性，為此沈陽金屬研究所和北京有色金屬研究總院發展了Ti55， Ti60 及Ti65-Nd一系列含Nd高溫鈦合金[17]。

在實用的航空材料方面，近年研究開發的重點是Ti-55、Ti-17、Ti-6242、Ti-811、Ti-15-3、Ti-10-2-3及B21S等合金，并取得了較大進展。例如，由550℃用的高溫鈦合金Ti-55 制成的高壓壓氣機盤、鼓筒和葉片通過了超轉、破裂、疲勞試驗，并經受了長期試車考驗[18]。

目前我國正在開展600℃和600℃以上使用的高溫鈦合金研究，表4 為600℃ 鈦合金的主要性能。近年來，高溫鈦合金研究主要集中在600℃高溫和650℃高溫的復合材料。600℃高溫鈦合金研究主要是Ti60 和Ti600，包括合金設計、加工工藝、合金的相結構、第二相及稀土元素釹的作用、焊接性能、熱穩定性、蠕變形為、高溫氧化行為、疲勞行為等的研究[19]。

總體上來說，我國600℃及其以上高溫鈦合金還處于研究階段，在國內航空發動機上還沒有得到應用。

4、結束語

高溫鈦合金的研制與應用一直受到各國研究者的高度重視和政府的大力支持，在中國亦是如此，但國內研制高溫鈦合金與國外有較大差距，這種差距不僅是在研究水平上，更是在工業化生產水平和應用上，尤其是應用上。國內500℃以上高溫鈦合金雖眾多，但目前得到實際應用的只有Ti53311S合金，多數是實驗室或半工業試制性的成果。盡管如此，高溫鈦合金研究仍是一個熱門領域，材料研制部門研制高溫用鈦合金己從仿制走向創新。根據國際研制現狀，筆者認為高溫鈦合金的發展趨勢是：

（1）已在航空發動機上應用的傳統高溫鈦合金的最高使用溫度仍為600℃。在600℃以上，蠕變抗力和高溫抗氧化性的急劇下降是限制鈦合金向更高溫度發展的兩大主要障礙，研制600℃的新型高性能的高溫鈦合金，即在保持良好抗蠕變強度、疲勞強度、抗氧化性能和熱穩定性的前提下，提高鈦合金使用溫度迫在眉睫[20]。

(2)合金朝著多元強化的方向發展。合金成分的優化越來越重要， Ti - Al - Sn-Zr-Mo-S i - (Re)系近α鈦合金占主導地位；Si元素是高溫鈦合金中必不可少的重要元素[19]。

(3)稀土元素是高溫鈦合金中具有應用前景的重要元素，稀土元素在高溫鈦合金中的作用尚待進一步研究。稀土元素在合金中的機制作用需進一步研究，為含稀土元素的高溫鈦合金的發展奠定理論基礎。

(4)繼續研制開發具有特殊用途的高溫鈦合金。

(5)目前金屬間化合物型耐熱鈦合金成為研究熱點， 為適應航空航天工業發展的需求， 研究開發了Ti- Al 系金屬間化合物為基的合金。

(6)國內在老合金挖潛方面遠遠落后于國外，如針對典型的TC4合金，國外開展了深層次的加工工藝與組織性能關系的研究，改善了TC4合金的性能，擴大了合金的應用，而國內較少開展老合金的挖潛研究工作[21]。

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