【摘 要】鈦及鈦合金以其優(yōu)異的綜合性能得到廣泛應(yīng)用，尤其高溫鈦合金在航空領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著高溫鈦合金使用溫度的升高，其高溫性能越來越受到重視。因此本文概述了影響高溫鈦合金高溫性能的一些因素，合金化元素、合金的顯微組織狀態(tài)以及熱處理制度的選擇等對高溫鈦合金的高溫性能都有重要的影響。

　　【關(guān)鍵詞】高溫鈦合金；高溫性能；合金化元素；熱處理

　　1 前言

　　鈦及鈦合金是極其重要的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，以其優(yōu)異的物理機械性能，如耐熱性高、比強度高、抗蝕性好等，廣泛地應(yīng)用在在航空航天、醫(yī)療器械、石油化工和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域[1]。鈦合金被應(yīng)用在航空領(lǐng)域的驅(qū)動力主要有以下幾個方面[2-3]：

　　（1）降低航空設(shè)備重量，可替代鋼等；

　　（2）使用溫度可在相對較高溫度，可替代鋁合金等；

　　（3）良好的耐蝕性能，可替代鋁合金部件等；

　　（4）與聚合物基復(fù)合材料有良好的匹配性。對于應(yīng)用在航空發(fā)動機的壓氣機盤、加力燃燒室筒體、葉片和機匣零部件的服役環(huán)境十分惡劣、溫度高、壓力大，要滿足工況條件的要求，這就需要制備這些零部件的材料，需要有良好的性能匹配，如室溫及高溫性能、高溫蠕變強度、疲勞強度、斷裂性能和高溫熱穩(wěn)定性等。在眾多的結(jié)構(gòu)材料中，能滿足上述服役條件的材料不多，但高溫鈦合金是其中一種，且已經(jīng)應(yīng)用在航空設(shè)備上，如空中客車A320上配置的V2500發(fā)動機用鈦量占其結(jié)構(gòu)總重量的31%，裝備F15戰(zhàn)機的F100發(fā)動機的鈦合金用量為36%。

　　高溫鈦合金隨高性能航空發(fā)動機的發(fā)展需求而發(fā)展，用量呈不斷增長的趨勢，尤其是在航空發(fā)動機上[4]。在其性能得到搜鈦網(wǎng)保障的同時其使用溫度從20世紀50年代的以Ti-6Al-4V合金為代表的350℃發(fā)展到如今以IMI834合金為代表的600℃，600℃是目前高溫鈦合金的最高使用溫度，600℃下使用的典型的高溫鈦合金有IMI834、Ti-1100、BT36和Ti-60等，如表1所示為各個國家部分600℃下使用的高溫鈦合金[5-13]。隨使用溫度升高，合金的高溫蠕變性能和熱穩(wěn)定性都迅速降低，高溫強度和熱穩(wěn)定性就成為制約高溫鈦合金發(fā)展的障礙。而鈦合金的高溫性能受到各個因素的影響，如合金化元素、顯微組織、熱處理制度和第二相等均對合金的高溫性能有一定影響。

　　2.1合金化元素

　　現(xiàn)在正在使用和研究開發(fā)的高溫鈦合金大部分屬于近α型鈦合金，所主要添加的合金化元素有Al、Sn、Zr、Mo、V、Nb和Si等。與β型鈦合金相比，近α型鈦合金的高溫強度較高，熱穩(wěn)定性較好且具有優(yōu)良的焊接性能等。此外，雜質(zhì)元素C，N，H和O以及Nd等稀土元素對高溫鈦合金的性能也有重要影響。

　　2.1.1 Al元素

　　Al為高溫鈦合金中經(jīng)常添加的元素，也是最重要的固溶強化元素之一。Al的加入可降低合金密度，提高再結(jié)晶溫度、強度和（α+β）/β轉(zhuǎn)變點，并改善合金抗氧化性能。Al還能夠提高固溶體的原子結(jié)合力，增加合金高溫強度。由于Al原子以置換方式存在于α相中，Al含量超過其在α相中的溶解極限，容易導(dǎo)致有序α2 （Ti3Al）相析出，引起合金脆化，當含量在6.0～7.0%時合金具有較高熱穩(wěn)定性和良好焊接性[14-15] 。

　　在高溫鈦合金中，當Al元素含量或者Al當量超過Al在α相中的固溶度時而形成α2（Ti3Al）相。α2相嚴重影響鈦合金的塑性、強度和韌性[16]。Rosenberg的Al當量公式為，[Al]eq= Al%+（Sn/3）%+（Zr/6）%+10（O+C+2*N）%[17]，當Al當量低于9%時，組織中不會形成脆性α2相，這樣合金的熱穩(wěn)定性可以得到保證。經(jīng)研究證實，析出α2有序相的特征電子濃度為2.12[17]，若合金的電子濃度大于2.12，組織中便開始析出α2相。IMI834、Ti-1100和BT25Y等典型的高溫鈦合金，都遵循Rosenberg原則，Al當量低于9%。α2相對鈦合金的各項性能均有顯著影響，細小均勻分布的硬脆α2相可提高合金強度，特別是高溫強度。在變形過程中，位錯遷移切過α2相粒子時，使得位錯大量堆積，造成很大應(yīng)力集中，極大損害了合金塑性及韌性[18]。

　　2.1.2 Sn和Zr元素

　　Sn和Zr均為中性元素，與其他合金元素一同加入到鈦合金中，可起補充固溶強化作用。尤其是在高溫鈦合金中，為保證顯微組織中以α相為主，除了添加主要元素Al之外，還需要添加Sn和Zr元素進一步來提高合金的高溫強度。同時，Sn和Zr元素的添加對合金塑形的不利影響比添加Al元素時要小，這就使得鈦合金具有良好的加工成型性能和焊接性能。

　　2.1.3 Mo元素

　　Mo加入到鈦合金中可提高強度、改善耐熱和耐蝕性，同時能細化合金鑄態(tài)組織。在一些高溫鈦合金中含有大量Mo元素，Ti-6246高溫鈦合金[19]，其名義成分為Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo，Mo含量達6wt.%；但Mo含量過高，對合金性能有不利影響。在含有Cr和Fe等合金化元素的鈦合金中加入Mo元素，可抑止Cr和Fe與Ti發(fā)生共析反應(yīng)，從而提高鈦合金的高溫性能[20-22]。

　　2.1.4 V元素

　　V元素為在鈦合金中是廣泛應(yīng)用的β相穩(wěn)定元素，可起到顯著固溶強化作用。提高強度的同時，依然能保持良好的塑形。除此之外，V還可以使鈦合金的β相變點顯著降低，從而增加淬透性，使熱處理強化程度明顯增強。對于高溫鈦合金而言，V元素還能夠提高高溫鈦合金的熱穩(wěn)定性。

　　2.1.5 Nb元素

　　為了達到多元強化的效果，在高溫鈦合金中還可以考慮用Nb元素代替部分的Mo元素添加入鈦合金中。IMI829合金為一個比較成功的例子，該合金中添加了質(zhì)量分數(shù)為1%的Nb元素，而在IMI834合金中也加入了質(zhì)量分數(shù)為0.7%的Nb元素[23]。Nb元素可提高高溫鈦合金抗氧化性能，主要是因為以下幾個方面的原因：一是Nb元素可以保證在合金表面形成的氧化物的組成不變，同時可使得生成的氧化物更加致密均勻細小，從而有效地阻礙氧擴散；二是可提高基體與氧化膜界面之間的附著力，改善鈦合金的表面穩(wěn)定性；三是可顯著降低表面氧化層的厚度。 　　2.1.6 Si元素

　　對于高溫鈦合金而言，Si是一種非常重要的合金化元素，幾乎在所有高溫鈦合金中均會添加有質(zhì)量分數(shù)為0.1～0.5wt%的Si元素。Si在鈦合金中起固溶強化作用，可提高高溫鈦合金蠕變抗力。研究表明，添加質(zhì)量分數(shù)大于0.35%的Si元素便可達到較好的高溫蠕變性能[24]。當Si元素含量超過其在鈦合金中的固溶極限時，便在組織中析出硅化物，所析出的硅化物主要起沉淀強化作用。但是當硅化物析出量過多，將會降低合金的蠕變抗力。硅化物析出還會對合金熱穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，降低合金塑性的同時還可提高有序化程度、從而促進Ti3Al的析出[25]。在高溫鈦合金中Si元素含量較多時，可通過控制析出得到細小且彌散的硅化物，這樣就可以起到第二相強化作用，強化晶界及相界，從而達到提高合金蠕變性能及其它綜合性能的目的[26]。

　　2.1.7 C元素

　　在鈦合金中加入質(zhì)量分數(shù)小于0.09%的C元素時，C元素將完全固溶，具有固溶強化作用，可阻礙位錯運動。于此同時合金組織中的晶粒依舊保持比較細小，從而顯著提高鈦合金的強度和高溫蠕變性能。

　　但是當C元素含量在鈦合金中過多時，會在組織中析出粗大的碳化物，形成的碳化物會增大α片層的厚度。如果析出碳化物，合金在變形過程中在其附近產(chǎn)生較大應(yīng)力集中。碳化物為脆性相，其主要析出處在晶界，對合金的塑性及高溫蠕變性能有不利影響[27]。除此之外，元素C的加入對于提高鈦合金的使用壽命是有利的[28-29]。

　　2.1.8 稀土元素

　　在高溫鈦合金中，稀土元素可以形成第二相彌散質(zhì)點、細化晶粒、增加位錯密度等， 從而產(chǎn)生強化作用， 但稀土元素會奪取固溶體中的間隙氧， 降低間隙固溶強化， 從而產(chǎn)生軟化作用[30]。

　　稀土元素可使鈦合金的熱強性和熱穩(wěn)定性達到最佳匹配[31-32]，且能有效改善鈦合金的高溫蠕變性能。稀土元素與氧有著比較高的親和力，它還搜鈦網(wǎng)可以轉(zhuǎn)移合金中的部分Sn，以達到凈化基體，抑制α2相的析出。但是，內(nèi)氧化作用卻使得間隙固溶強化作用降低，以致產(chǎn)生了軟化作用。

　　Ti-60合金中添加了稀土元素Nd，Nd將會通過內(nèi)氧化的形式形成富含Nd、Sn和O的稀土相，從而降低了基體中的氧，達到凈化基體，提高合金熱穩(wěn)定性的作用[33]；研究表明，只有當某些種類且含量適當?shù)南⊥猎靥砑尤脞伜辖饡r，才能改善其熱加工性能。例如，加入低于0.05%的稀土元素Y和Er可顯著減少Ti-6Al-4V合金軋制時形成的邊裂[34]。

　　稀土元素對高溫鈦合金組織和性能都有一定直接或間接的影響， 這些影響有些是有利的，有些是有害的。它跟稀土元素的種類、添加量、合金種類及合金化元素都有關(guān)系，其中稀土添加量最為關(guān)鍵， 因為它決定著稀土元素的存在狀態(tài)、分布等。只有在鈦合金中添加適量的稀土元素才能得到有利的效果。

　　2.2顯微組織對高溫鈦合金性能的影響

　　顯微組織的類型及相尺寸參數(shù)等對高溫鈦合金性能的影響很大，調(diào)整組織類型及參數(shù)是獲得具有強度、塑性及其他使用性能良好匹配的重要途徑。如圖1所示為高溫鈦合金中最常見的幾種顯微組織，圖1a、圖1b、圖1c和圖1d分別為網(wǎng)籃組織、等軸組織、魏氏組織和雙態(tài)組織。

　　網(wǎng)籃組織是兩相鈦合金在β相轉(zhuǎn)變溫度左右變形開始，或在β單相區(qū)開始變形，在兩相區(qū)變形完成，且變形量達到50%～80%時得到，網(wǎng)籃組織的疲勞強度比較高[35]。

　　在鈦合金中等軸組織和雙態(tài)組織的組織及性能特點相近，所不同的僅是所含初生α相的數(shù)量不同。等軸組織和雙態(tài)組織具有較高的塑性及疲勞性能。其缺點是高溫性能和斷裂韌性較低[36]。研究發(fā)現(xiàn)等軸組織中等軸α晶粒的最佳尺寸為2μm～4μm，此時可獲得強度、塑性及疲勞性能的良好匹配的合金。片層α相界面可有效阻礙位錯運動，提高合金斷裂韌性、高溫蠕變強度及抵抗裂紋擴展能力，但塑性和低周疲勞強度較低[37]。

　　魏氏組織是兩相鈦合金在β相區(qū)開始變形，同時在β相區(qū)終止變形，且變形量比較小，或是將鈦合金加熱到β單相區(qū)后以比較慢的冷卻速度冷卻時獲得的。其特點是原始β晶粒較粗大，晶界α清晰的分布在原始β晶界上，原始β晶粒內(nèi)部有片狀的α束存在。魏氏組織具有較高的持久強度及斷裂韌性，但疲勞性能及塑性偏低，尤其是斷面收縮率[38]。

　　除此之外，組織特征參數(shù)對鈦合金的性能的影響也很大，主要是考慮初生α相（αp）含量及原始β相晶粒的尺寸。細小的β相晶粒和片層α尺寸可使高溫鈦合金具有良好的塑性、持久性能、疲勞性能。一般情況下，為獲得良好塑性，組織含有體積分數(shù)高于20%的等軸αp相；但持久性能及蠕變性能卻隨αp相的含量增加而降低。由此合理地控制αp相和片層次生α相的相對含量，可調(diào)整塑性、高溫持久、蠕變性能及疲勞性能之間的匹配。有研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當αp相的體積分數(shù)位于5～15%，原始β相晶粒尺寸在20～40μm范圍內(nèi)時，鈦合金的室溫性能較好，同時還具有優(yōu)良的蠕變性能、熱穩(wěn)定性和疲勞性能[39-40]。

　　2.3熱處理的影響

　　含有不同合金化元素的高溫鈦合金，經(jīng)過不同熱處理后，可獲得不同組織狀態(tài)和性能。為使合金的組織和性能滿足要求，可通過選用合適的熱處理制度來改善。在高溫鈦合金中常用的熱處理主要有退火、固溶和時效等[41]。

　　2.3.1 退火

　　退火可提高鈦合金的室溫塑性、熱穩(wěn)定性、斷裂韌性和高溫蠕變強度[42]。對于鈦合金而言主要有等溫退火和雙重退火。

　　等溫退火，是指將鈦合金加熱到再結(jié)晶溫度以上，但在低于β相變點30～100℃的范圍內(nèi)，接著轉(zhuǎn)到另一熱處理爐中進行爐冷處理，冷卻至β相具有較高穩(wěn)定性的溫度范圍內(nèi)再進行保溫，之后進行空冷。與普通退火相比，等溫退火的第二階段保溫目的就是為了讓β相充分發(fā)生分解，使其處于更穩(wěn)定的狀態(tài)，從而使合金的組織和性能穩(wěn)定，達到提高鈦合金的塑性、持久強度和熱穩(wěn)定性的目的[43]。因此，等溫退火適于含有較高β穩(wěn)定元素含量的α+β兩相鈦合金[44]。 　　雙重退火是指進行兩次加熱、兩次保溫以及兩次空冷的過程。第一次加熱溫度為低于β相變點20～160℃；第二次加熱溫度為低于β相變點300～450℃，且高于使用溫度。雙重退火的優(yōu)點主要體現(xiàn)在第一次退火時，可使組織中保留部分的亞穩(wěn)β相，使其在第二次退火時能夠充分分解，達到強化目的。可改善α+β兩相鈦合金的塑性、熱穩(wěn)定性以及斷裂韌性等。BT25鈦合金采用雙重退火后可獲得理想的綜合性能[45]，第一次熱處理溫度為950～970℃，保溫1h后空冷，第二次熱處理溫度為530～570℃，保溫6h后空冷。

　　2.3.2 固溶和時效

　　固溶和時效也是能夠在較大的范圍內(nèi)改善鈦合金的性能的兩種熱處理制度。α+β兩相鈦合金加熱到固溶溫度以上時，組織中的α相會轉(zhuǎn)變成β相，通過快速冷卻可將其保留至室溫，之后在進行時效，組織中不穩(wěn)定的β相會發(fā)生分解而產(chǎn)生次生α相，從而可以提高鈦合金的強度。

　　當鈦合金在固溶溫度以下淬火時，冷卻速率對組織和性能有著非常重要的影響。若冷卻速度太慢，可能會產(chǎn)生擴散，從而影響時效強化作用。α+β兩相鈦合金進行水淬，可阻止不穩(wěn)定β相的分解，以便達到時效時產(chǎn)生強化的目的。

　　高溫鈦合金在航空領(lǐng)域的使用由來已久，隨著社會經(jīng)濟和科技的快速發(fā)展，高溫鈦合金所使用的溫度越來越高，對其性能要求也就越來越高，尤其是高溫強度和熱穩(wěn)定性已經(jīng)成為制約高溫鈦合金發(fā)展的障礙。要想提高高溫鈦合金的在高溫使用時的性能，就要了解影響其性能的因素。因此本文對影響高溫鈦合金的一些因素進行了簡單分析和總結(jié)，更多的因素和研究，還需科研工作者今后共同努力，相信在諸多科研工作者的共同努力下，高溫鈦合金的使用溫度會越來越高。

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