先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)朝著高渦輪前溫度、高推重比、長壽命和低油耗方向發(fā)展,除了先進(jìn)的設(shè)計技術(shù),發(fā)動機(jī)性能的提高強(qiáng)烈依賴于先進(jìn)材料及制造技術(shù)的發(fā)展,發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵件和重要件亟需耐高溫、高比強(qiáng)度、高比模量、抗氧化和阻燃的新材料。隨著使用溫度的升高,材料的高溫性能尤其是蠕變性能顯得越來越重要。先進(jìn)材料及制造技術(shù)保障了新材料制件及新型結(jié)構(gòu)的實現(xiàn),使發(fā)動機(jī)的質(zhì)量不斷減輕,發(fā)動機(jī)的工作效率、使用壽命、穩(wěn)定性和可靠性不斷提高。鈦合金材料在發(fā)動機(jī)400℃以下低溫段的應(yīng)用受到密度更小的樹脂基復(fù)合材料的競爭,而普通鈦合金材料600℃以上的蠕變、持久、組織穩(wěn)定性、抗氧化等性能已無法勝任發(fā)動機(jī)的使用要求[1] 。與鎳基高溫合金相比,600℃高溫鈦合金、Ti-Al系金屬間化合物、SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料(SiCf/Ti)在500~850℃溫度區(qū)間的比強(qiáng)度、比蠕變強(qiáng)度和比疲勞強(qiáng)度方面有明顯優(yōu)勢,在保持相同服役使用性能的情況下,以鈦代鎳可減重40%以上,這對提高發(fā)動機(jī)的推重比和使用性能效果顯著,這些新材料與整體葉盤、整體葉環(huán)等輕量化結(jié)構(gòu)相結(jié)合,有望應(yīng)用于新一代發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)和低壓渦輪部件[2] 。在Ti-Al系金屬間化合物家族中,與Ti3Al和Ti2AlNb合金相比,TiAl合金以其顯著的低密度、高比模量、高蠕變抗力、阻燃等優(yōu)勢,成為發(fā)動機(jī)高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用最有潛力的材料之一。鈦火一直是影響發(fā)動機(jī)安全可靠使用的重大隱患,其發(fā)生往往是無征兆的,且在短時間內(nèi)發(fā)生,來不及采取有效控制措施。發(fā)動機(jī)鈦火問題直接推動了阻燃鈦合金的研究與發(fā)展[3] 。

　　隨著600℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金、TiAl合金、SiCf/Ti復(fù)合材料這類新材料研究工作的不斷深入,技術(shù)成熟度得以提升,逐步積累工程化生產(chǎn)和應(yīng)用經(jīng)驗,研制的典型件在新型發(fā)動機(jī)上進(jìn)行了強(qiáng)度考核和裝機(jī)試用,成為發(fā)動機(jī)新材料應(yīng)用領(lǐng)域的新力軍。600℃高溫鈦合金適用于工作溫度為500~600℃的高壓壓氣機(jī)整體葉盤、機(jī)匣等;阻燃鈦合金適用于高壓壓氣機(jī)機(jī)匣、葉片等;TiAl合金適用于工作溫度在700~850℃的高壓壓氣機(jī)葉片、渦輪葉片等;SiCf/Ti鈦基復(fù)合材料適用于高壓壓氣機(jī)整體葉環(huán)。

　　雖然600℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金、TiAl合金、SiCf/Ti復(fù)合材料在某一項性能方面具有獨(dú)特優(yōu)勢,但并非十全十美,在某些方面還存在明顯不足,如TiAl合金低的室溫塑性和韌性、較差的制造加工工藝性能以及高昂的成本等。因此,在進(jìn)行選材和制定工藝時,應(yīng)針對具體零部件的使用性能要求,綜合協(xié)調(diào)力學(xué)性能、工藝性能、生產(chǎn)成本等因素,遵循先進(jìn)科學(xué)的設(shè)計準(zhǔn)則如損傷容限設(shè)計、可靠度設(shè)計、概率壽命設(shè)計等,改進(jìn)和提高材料性能,避免出現(xiàn)嚴(yán)重影響使用的短板,兼顧結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計、材料研究和部件制造工藝技術(shù),相互推動,促進(jìn)設(shè)計、材料、應(yīng)用三者的有機(jī)融合[4] 。本文綜述近年來我國在先進(jìn)高溫鈦合金材料及應(yīng)用技術(shù)等方面的研究進(jìn)展及取得的成果,并提出材料及構(gòu)件設(shè)計、加工和使用亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)及其工程應(yīng)用需要開展的研究工作。

　　1.先進(jìn)高溫鈦合金材料及構(gòu)件制造技術(shù)研究進(jìn)展

　　根據(jù)在發(fā)動機(jī)上的設(shè)計使用特點(diǎn),先進(jìn)高溫鈦合金系列材料研究的目標(biāo)始終是致力于提高長時使用溫度,即提高熱強(qiáng)性,同時須具有良好的熱動力學(xué)穩(wěn)定性,即保證部件在設(shè)計使用壽命期內(nèi)保持持續(xù)的物理和力學(xué)性能。發(fā)動機(jī)高溫段工作的盤、葉片、整體葉盤、整體葉環(huán)等轉(zhuǎn)動件,要求材料在高溫服役環(huán)境下具有足夠的蠕變抗力、高低周疲勞強(qiáng)度、組織穩(wěn)定性及抗氧化能力,防止過量的蠕變變形和足夠高的疲勞強(qiáng)度是設(shè)計關(guān)鍵。此外,對于整體葉盤和整體葉環(huán)零件,控制氣動力誘發(fā)的葉片振動很重要。在400℃以下,普通鈦合金具有足夠的蠕變抗力,使用過程中一般為疲勞破壞為主的失效模式;而在400℃以上,隨著使用溫度的提高,蠕變性能愈來愈成為制約鈦合金使用性能和使用壽命的關(guān)鍵因素。同時,應(yīng)考慮高溫環(huán)境下材料的蠕變與疲勞、環(huán)境的交互作用,以及過量的蠕變變形會造成葉片與機(jī)匣間的非正常摩擦引起的鈦火問題。

　　我國航空發(fā)動機(jī)在役和在研的主要高溫鈦合金如表1所示。隨年代的推進(jìn),高溫鈦合金的使用溫度呈不斷提高的發(fā)展趨勢,現(xiàn)役發(fā)動機(jī)上使用的鈦合金主要有TC4,TC11,TC17和TA11等,用于發(fā)動機(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)低溫段工作的葉片、盤、機(jī)匣等零件。20世紀(jì)90年代研制的550℃高溫鈦合金TA12,工程化時遇到較大的技術(shù)問題,后經(jīng)成分優(yōu)化,去除了稀土元素Nd,重新命名為TA32。Ti3Al基金屬間化合物合金TD2和TD3,其機(jī)匣典型件通過了強(qiáng)度考核試驗,尚未獲得實際工程應(yīng)用。近年來,隨著先進(jìn)發(fā)動機(jī)對高溫鈦合金的迫切需求,600℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金、TiAl合金和SiCf/Ti復(fù)合材料成為新型高溫鈦合金的發(fā)展重點(diǎn)。

表1我國航空發(fā)動機(jī)在役和在研的主要高溫鈦合金

Table1Principalhightemperaturetitaniumalloysinserviceandindevelopingforaero-engineinChina

Note:TB12and TF550are fireproof titanium alloys;TD3is a Ti3Al-based intermetallic.

　　1.1.600℃高溫鈦合金

　　600℃被認(rèn)為是普通鈦合金的“熱障”溫度,進(jìn)一步提高工作溫度受到蠕變、持久、組織穩(wěn)定性、表面抗氧化等性能的限制[1] 。在500~600℃范圍內(nèi),與GH4169高溫合金相比,600℃高溫鈦合金在比強(qiáng)度、低周疲勞性能、抵抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能等方面有明顯優(yōu)勢[5,6] ,因此,基于減重和提高推重比的目的,新型先進(jìn)發(fā)動機(jī)對600℃高溫鈦合金有迫切需求。

　　國外典型的600℃高溫鈦合金有英國的IMI834、美國的Ti-1100、俄羅斯的BT36和BT41,其中IMI834在EJ200、TRENT系列、PW305、PW150等發(fā)動機(jī)上成功獲得批量應(yīng)用[7] 。這些合金均以Ti-AlSn-Zr-Mo-Si作為主成分系,差異之處在于合金化含量以及加入其他β穩(wěn)定化元素,如IMI834加Nb,BT36加W。十幾年來,國內(nèi)幾家科研院所在600℃高溫鈦合金方面開展了大量研究[8,9,10,11] ,如北京航空材料研究院研制的新一代600℃高溫鈦合金TA29[8] 、中科院金屬所研制的TA33[9] 。

　　TA29鈦合金名義成分為Ti-5.8Al-4Sn-4Zr-0.7Nb-1.5Ta-0.4Si-0.06C,成分主要特點(diǎn)是采用Nb和Ta兩個弱β穩(wěn)定化元素進(jìn)行合金化,它們在α-Ti中具有較大的固溶度,可增強(qiáng)α相的固溶強(qiáng)化作用,有助于改善高溫抗氧化能力,提高熱穩(wěn)定性。采用低Fe、低O的高純化控制方式,保證了合金優(yōu)異的高溫蠕變性能。通過加入微量C,擴(kuò)大了α+β區(qū)上部的工藝窗口,使合金具有更好的工藝適應(yīng)性,滿足工業(yè)批產(chǎn)的工藝控制要求。從2000年開始至今,歷經(jīng)成分探索、實驗室小錠熔煉到工業(yè)化鑄錠熔煉的漸進(jìn)式研究,通過合金成分、熔煉、鍛造、熱機(jī)械處理、機(jī)加工等工藝參數(shù)的不斷優(yōu)化,在工業(yè)條件下,實現(xiàn)了從3t型工業(yè)鑄錠熔煉、Ф300mm大規(guī)格棒材制備、大尺寸整體葉盤鍛件制備到整體葉盤零件機(jī)加工、檢測檢驗、表面處理等全程制造,工藝穩(wěn)定、性能優(yōu)越。TA29鈦合金典型整體葉盤鍛件如圖1所示。其中,第I類整體葉盤鍛件的外徑尺寸為Ф630mm,質(zhì)量為112kg,截面厚薄差異大,軸向截面最大厚度為150mm。TA29鈦合金的拉伸性能與IMI834合金相當(dāng),但在高溫蠕變、斷裂韌度等方面有優(yōu)勢,在600℃/160MPa/100h測試條件下,蠕變應(yīng)變εp穩(wěn)定在≤0.1%,在620℃/160MPa/100h測試條件下,εp≤0.15%,而IMI834鍛件(最大截面厚度≤80mm)的蠕變性能指標(biāo)為:在600℃/150MPa/100h測試條件下,εp≤0.2%。TA29鈦合金拉伸試樣經(jīng)過600℃長時熱暴露后,室溫拉伸塑性顯著降低,即熱穩(wěn)定性下降,在120℃以上,毛坯熱暴露試樣的拉伸塑性與未暴露狀態(tài)試樣的拉伸塑性相當(dāng),而試樣熱暴露后拉伸塑性是未暴露狀態(tài)拉伸塑性的50%左右,且隨著溫度的升高,拉伸塑性差距逐步縮小。在300~600℃范圍內(nèi),試樣熱暴露與毛坯熱暴露的拉伸塑性相當(dāng),說明表面氧化層對熱穩(wěn)定性的降低作用隨著溫度的升高逐步減弱[12] 。因此,對于在高溫環(huán)境下使用的TA29鈦合金,在設(shè)計選材和熱穩(wěn)定性評估時,應(yīng)考慮熱穩(wěn)定性在高溫下會發(fā)生部分恢復(fù)的這一特性,而且在300~600℃范圍內(nèi),試樣熱暴露后的拉伸塑性仍能保持較高的數(shù)值。TA29鈦合金α+β區(qū)熱處理的整體葉盤鍛件的室溫斷裂韌度KIC為45MPa·m1/2,400℃及以上溫度KIC≥70MPa·m1/2,采用β模鍛的TA29鈦合金盤鍛件的室溫KIC值達(dá)65MPa·m1/2,可見TA29鈦合金具有良好的損傷容限性能。

圖1 TA29鈦合金整體葉盤鍛件

Fig.1 TA29titanium alloy compressor blisk forging

(a)I型[8];(b)II型(a)the I type[8];(b)the II type

　　圖2為TA29鈦合金典型整體葉盤零件。整體葉盤結(jié)構(gòu)消除了盤、片分離結(jié)構(gòu)存在的零件連接、裝配而引起的    零件之間的應(yīng)力、變形和漏氣損失,使發(fā)動機(jī)的工作效率、質(zhì)量可靠性有所提高。采用五坐標(biāo)數(shù)控加工技術(shù)生產(chǎn)的TA29鈦合金整體葉盤零件,其外形尺寸、靜平衡、熒光檢測、表面殘余應(yīng)力等均符合設(shè)計要求,TA29鈦合金整體葉盤零件通過了高溫超轉(zhuǎn)破裂、低循環(huán)疲勞、葉片振動疲勞強(qiáng)度考核。TA29鈦合金大規(guī)格棒材、整體葉盤鍛件和零件已具備小批生產(chǎn)能力。

圖2 TA29鈦合金整體葉盤零件

Fig.2 TA29titanium alloy compressor blisk parts

(a)I型;(b)II型(a)the I type;(b)the II type

　　TA29鈦合金因在620℃仍具有良好的蠕變抗力,在其他性能滿足設(shè)計要求時,可延伸至620℃左右長期使用。除在發(fā)動機(jī)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用潛力外,TA29鈦合金在750~800℃仍能保持較高的抗拉強(qiáng)度,可在此溫度區(qū)間短時使用,應(yīng)用于超高聲速導(dǎo)彈、火箭、飛行器、空天飛機(jī)等裝備的機(jī)體構(gòu)件、蒙皮,以及所用發(fā)動機(jī)的高溫部件。

　　1.2 阻燃鈦合金

　　發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)鈦合金零部件承受著高溫、高壓和高載荷的作用,當(dāng)葉片與機(jī)匣發(fā)生摩擦,在較短的時間內(nèi)引發(fā)鈦的燃燒,即產(chǎn)生鈦火。一旦發(fā)生鈦火,鈦的燃燒是以裂變方式發(fā)展的,在短時間內(nèi)造成葉片燒損、機(jī)匣燒穿,甚至整個發(fā)動機(jī)燒毀。從1962年鷂式飛機(jī)所裝的飛馬發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)工作葉片與機(jī)匣摩擦引起鈦著火起,國內(nèi)外軍民用發(fā)動機(jī)發(fā)生過一百余起鈦火故障,涉及的發(fā)動機(jī)主要有F100,F404,CF6,PW4000等,嚴(yán)重影響了鈦合金在發(fā)動機(jī)上的安全可靠使用[3] 。據(jù)觀測,在高壓壓氣機(jī)中,鈦合金著火后約5~10s即能將機(jī)匣燒穿[13] 。從減輕發(fā)動機(jī)質(zhì)量考慮,只要工作溫度允許,轉(zhuǎn)子葉片都采用鈦合金,為了防止鈦火,應(yīng)避免鈦合金轉(zhuǎn)子葉片與機(jī)匣、轉(zhuǎn)子葉片與靜子葉片等的成對使用,在少數(shù)采用鈦合金機(jī)匣的發(fā)動機(jī)上,在機(jī)匣內(nèi)徑與轉(zhuǎn)子葉片相對應(yīng)的位置上嵌有防火隔層及易磨層,后來改用了合金鋼機(jī)匣,但增加了結(jié)構(gòu)質(zhì)量。使用阻燃鈦合金是最主要的鈦火防控技術(shù)途徑,為此專門研制了阻燃鈦合金用于壓氣機(jī)葉片、機(jī)匣等零件。考慮到鈦火的巨大危害性,研制新的鈦基材料時,要充分重視和評估新合金的阻燃性能。

　　俄羅斯阻燃鈦合金采用Ti-Cu-Al系,美國采用Ti-V-Cr系。由于Ti-Cu-Al系阻燃鈦合金的高溫力學(xué)性能沒有達(dá)到設(shè)計要求而未進(jìn)入工程化生產(chǎn)階段。我國在阻燃鈦合金領(lǐng)域的研究開展了二十余載,Ti-V-Cr系阻燃鈦合金是我國新型鈦合金的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向之一[14] 。以Alloy C(Ti-35V-15Cr)合金的成分為基礎(chǔ),研制了能在500℃長期使用的TB12(Ti-25V-15Cr-0.2Si)和在550℃長期使用的TF550(Ti-35V-15Cr-0.3Si-0.1C)合金[13,15] 。目前已突破鑄錠成分均勻性控制、棒材擠壓開坯、環(huán)鍛件軋制和阻燃性能評價等關(guān)鍵技術(shù),并在阻燃機(jī)理研究方面取得重要進(jìn)展[16,17,18] 。

　　TB12及TF550合金是典型的高合金化β型鈦合金,V,Cr元素含量總和高達(dá)40%和50%。制備阻燃鈦合金工業(yè)鑄錠要解決成分的精確控制和均勻性,以及微區(qū)V,Cr元素偏析問題。通過改進(jìn)合金元素添加方式、電極結(jié)構(gòu)、布料方式以及優(yōu)化真空自耗熔煉工藝參數(shù),成功制備了錠型為Ф620mm的TB12合金和TF550合金工業(yè)鑄錠。

　　TB12和TF550合金變形抗力大、工藝塑性低,傳統(tǒng)的鍛造設(shè)備和工藝方法不適于阻燃鈦合金的變形。我國大型擠壓設(shè)備的建設(shè)與投產(chǎn)為阻燃鈦合金工業(yè)鑄錠的開坯提供了可行的技術(shù)途徑。利用北方重工360MN擠壓機(jī),嘗試了阻燃鈦合金工業(yè)鑄錠的包套熱擠壓開坯,由Ф620mm的鑄錠一次擠壓成Ф300mm棒材,如圖3所示,變形量大,晶粒顯著細(xì)化,工藝塑性得到明顯提高,后續(xù)坯料的改鍛可直接在快鍛機(jī)上進(jìn)行,為機(jī)匣用TB12合金環(huán)鍛件及TF550合金厚板的制備提供坯料。通過軋制和等溫模鍛,分別獲得了尺寸為Ф742mm×Ф604mm×320mm的環(huán)鍛件及半環(huán)鍛件,如圖4所示。

圖3 TB12阻燃鈦合金包套擠壓棒材

Fig.3 Canned extruded bar of TB12fireproof titanium alloy

圖4 阻燃鈦合金壓氣機(jī)機(jī)匣鍛件

Fig.4 Fireproof titanium alloy compressor case forging

(a)TB12合金環(huán)鍛件;(b)TF550合金半環(huán)鍛件(a)TB12alloy ring forging;(b)TF550alloy half ring forging

　　阻燃性能即材料所具有的預(yù)防、終止或減慢燃燒的特性,是衡量發(fā)動機(jī)用鈦合金使用安全性的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一。合金元素對Ti-V-Cr阻燃鈦合金阻燃性能的影響、機(jī)理與評價方法等一直是困擾發(fā)動機(jī)設(shè)計選材和用材的技術(shù)難題[17] 。基于摩擦生熱原理和著火熱理論,提出通過局部摩擦升溫與氧分壓精確控制來實現(xiàn)塊體金屬材料點(diǎn)火燃燒的思路,將摩擦接觸壓力Pfric與預(yù)混氣流氧濃度c0作為控制參數(shù),發(fā)明了摩擦氧濃度法(Friction Oxygen Concentration,FOC)鈦合金燃燒試驗技術(shù)與裝置,首次實現(xiàn)了阻燃鈦合金的阻燃性能定量表征[19] 。通過設(shè)備改造、調(diào)試及幾百次試驗,規(guī)范了試驗參數(shù)、初始試驗條件及試樣等,使表征參數(shù)的控制精度優(yōu)于0.9%。采用FOC方法測試與評價了TB12及TF550合金的阻燃性能,如圖5所示[17] 。結(jié)果表明,TF550合金的阻燃性能略優(yōu)于TB12,二者差異小于5%。

圖5 采用摩擦氧濃度法測定TB12和TF550合金阻燃性能[17]

Fig.5 Fireproof property of TB12and TF550alloys by friction oxygen concentration method[17]