1.3.TiAl合金

　　Ti-Al二元系中有三個金屬間化合物得到了研究人員的重視,即Ti3Al,TiAl和TiAl3,其中TiAl合金因其熔點高、比強度高、高溫蠕變性能好及抗高溫氧化能力好等優(yōu)點,成為最具應(yīng)用潛力的高溫結(jié)構(gòu)材料之一[20,21] 。在700~850℃溫度范圍內(nèi),TiAl合金的比強度顯著高于普通鈦合金和鎳基高溫合金等材料[22] 。TiAl合金在航空領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在:(1)TiAl合金比發(fā)動機用其他常用結(jié)構(gòu)材料的比剛度高約50%,高剛度對要求低間隙的部件有利,可延長葉片等部件的使用壽命;(2)TiAl合金在700~850℃的比強度顯著高于鎳基高溫合金,設(shè)計上可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重和減少對相關(guān)支撐件的負荷;(3)TiAl合金具有良好的阻燃性能,可用于一些易發(fā)生鈦火的部件。基于上述優(yōu)勢,TiAl合金被認為是應(yīng)用于高推重比發(fā)動機極具潛力的高溫結(jié)構(gòu)材料,新一代發(fā)動機革命性的設(shè)計理念推動了TiAl合金的發(fā)展。

　　TiAl合金鑄件首先在發(fā)動機上獲得應(yīng)用,如美國GE公司率先在GEnx發(fā)動機低壓渦輪上應(yīng)用了TiAl合金,每級低壓渦輪減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量45.5kg。每架波音787用兩臺GEnx發(fā)動機,每臺發(fā)動機選用兩級TiAl合金渦輪葉片;每架波音747-8用四臺GEnx發(fā)動機,每臺發(fā)動機選用一級TiAl合金渦輪葉片,因此,每架波音787或波音747-8均減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量182kg。TRENT XWB和LEAP發(fā)動機最后一級或兩級低壓渦輪葉片也均選用了TiAl合金。美國PCC公司制造的TiAl鑄造渦輪葉片,年產(chǎn)量已達近4萬片,用于GEnx發(fā)動機。CFM公司生產(chǎn)的TiAl渦輪葉片,用于LEAP發(fā)動機,可顯著提高發(fā)動機性能和節(jié)省15%的燃油消耗。

　　我國在TiAl合金鑄造方面開展了大量的研究工作,如北京航空材料研究院采用精鑄工藝制備了擴壓器、渦流器等零件,其中,擴壓器的外徑尺寸達到566mm,鑄件成型完好,無開裂,為TiAl合金鑄件在我國先進發(fā)動機上的應(yīng)用邁出了重要的一步[23] 。中科院金屬所也成功研制出了TiAl合金低壓渦輪葉片精鑄件。

　　除鑄件外,我國在TiAl合金鍛件制造方面開展了大量的研究工作[24,25,26,27,28] 。推進TiAl合金鍛件的工程化生產(chǎn)和應(yīng)用必須首先突破TiAl合金工業(yè)型鑄錠的熔煉及成分均勻化控制技術(shù)。因TiAl合金鋁含量高,對O,N和H雜質(zhì)元素含量的控制要求高,加之TiAl合金低的塑性,給鑄錠的制備增加了難度。目前,直徑小于Ф90mm的小尺寸TiAl合金鑄錠制備一般采用真空感應(yīng)懸浮熔煉方法,而大于Ф90mm的大尺寸TiAl合金鑄錠制備一般采用真空自耗電極電弧爐熔煉或等離子體冷爐床熔煉方法。真空自耗電極電    弧爐熔煉由于熔煉時熔池較淺,有利于除氣、脫氧,且熔池溫度較低,可減少Al元素的揮發(fā),有利于Al含量的精確控制。但是,由于熔體的溫度梯度較大,鑄錠內(nèi)應(yīng)力也大,鑄錠易產(chǎn)生裂紋。經(jīng)過多年的研究,采用真空自耗電極電弧爐熔煉方法成功制備了Ф220mm的TiAl合金鑄錠,其內(nèi)部致密、無裂紋。

　　TiAl合金鑄態(tài)組織塑性較低,通過鍛造、擠壓和軋制等熱加工,可以有效細化組織并降低成分偏析程度,提升合金的綜合力學(xué)性能。采用普通的鐓拔工藝無法進行坯料大變形量的改鍛,為此北京航空材料研究院嘗試采用包套熱擠壓工藝進行TiAl合金的高溫變形,當(dāng)擠壓溫度為1200~1300℃時,包套材料可選用304不銹鋼;擠壓溫度大于1300℃時,包套材料可選用Ti-6Al-4V或工業(yè)純鈦。采用包套熱擠壓工藝成功地將Ф220mm錠坯一次擠壓成Ф60mm圓棒,擠壓比約為10,棒材長度達2.5m,組織均勻細小,如圖6(a)所示。為了適應(yīng)TiAl合金葉片模鍛需求,研究了TiAl合金矩形截面棒材的擠壓工藝,成功地制備了TiAl合金方棒,如圖6(b)所示。

圖6 TiAl合金擠壓棒

Fig.6 Extruded bars of TiAl alloy

(a)圓棒;(b)方棒(a)round bar;(b)rectangular bar

　　由于TiAl合金熱塑性有限,采用普通模鍛工藝無法實現(xiàn)TiAl合金葉片的成形,為此研究了TiAl合金葉片鍛件的等溫模鍛工藝。通過數(shù)值模擬和物理模擬的綜合應(yīng)用,對TiAl合金葉片鍛件等溫模鍛過程進行多工步仿真模擬,掌握材料流變規(guī)律,分析各種工藝參數(shù)的影響,預(yù)先實現(xiàn)工藝及模具設(shè)計的優(yōu)化。采用等溫模鍛工藝成功制備了TiAl合金高壓壓氣機轉(zhuǎn)子葉片鍛件,如圖7所示。采用電化學(xué)方法加工了相應(yīng)的TiAl合金轉(zhuǎn)子葉片零件,尺寸精度、表面質(zhì)量等均達到設(shè)計要求,如圖8所示。

　　1.4 SiC纖維增強鈦基復(fù)合材料

　　連續(xù)SiC纖維增強鈦基復(fù)合材料是由連續(xù)鎢芯(或碳芯)SiC纖維作為增強體,鈦合金或TiAl合金作為基體的復(fù)合材料,具有高比強度、低密度、高比剛度、耐高溫、抗蠕變以及優(yōu)異的疲勞性能,適于在600~800℃長時使用,并可在1000℃短時使用,是航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的理想材料。與傳統(tǒng)的葉片、盤分離結(jié)構(gòu)相比,在發(fā)動機壓氣機上使用整體葉環(huán),可減重約70%,整體葉環(huán)是未來高推重比發(fā)動機的標(biāo)志性部件。SiCf/Ti復(fù)合材料具有各向異性,縱向性能遠遠優(yōu)于橫向性能,比如抗拉強度,縱向高于基體一倍以上,橫向只有基體的一半,利用此特點,SiCf/Ti復(fù)合材料適于制備受力特征鮮明的構(gòu)件,如整體葉環(huán)、渦輪軸、拉伸桿、活塞桿、蒙皮和彈翼等。

圖7 TiAl合金高壓壓氣機轉(zhuǎn)子葉片等溫鍛件

Fig.7 High pressure compressor rotor blade of TiAl alloy forging through isothermal die forging process

圖8 TiAl合金高壓壓氣機轉(zhuǎn)子葉片零件

Fig.8 High pressure compressor rotor blade parts of TiAl alloy

　　連續(xù)SiC纖維作為增強體,其性能和穩(wěn)定性是影響SiCf/Ti復(fù)合材料最終性能的關(guān)鍵因素之一。國際上SiC纖維主要有美國Textron公司的SCS系列和英國DERA公司的Sigma系列,這兩家公司分別采用碳芯和鎢芯通過直流電阻加熱CVD方法制備SiC纖維,抗拉強度大于3600MPa。國內(nèi)北京航空材料研究院及中科院金屬所均制備出抗拉強度大于3800MPa的鎢芯SiC纖維,性能穩(wěn)定。

　　界面反應(yīng)涂層是保證復(fù)合材料高性能的關(guān)鍵[29] ,合適的涂層可以保護纖維,阻止界面反應(yīng),實現(xiàn)載荷傳遞,使復(fù)合材料斷口呈現(xiàn)纖維拉拔形態(tài)。國內(nèi)已成熟制備C涂層及TiC涂層,分別適用于增強鈦基復(fù)合材料和Ti-Al系金屬間化合物基復(fù)合材料。其中,采用TiC涂層的Ti-Al系金屬間化合物基復(fù)合材料經(jīng)1100℃/5h熱處理后,TiC涂層依然可以有效保持。先驅(qū)絲法制備的鈦基復(fù)合材料綜合力學(xué)性能最高,國內(nèi)針對連續(xù)SiC纖維增強鈦基復(fù)合材料,通過調(diào)整合金涂層組織、應(yīng)力狀態(tài)等,制備了厚度為20~50μm涂層的先驅(qū)絲,用于后續(xù)復(fù)合材料及構(gòu)件的制備。

　　鈦基復(fù)合材料通過熱等靜壓或者真空熱壓成型,成型過程需要考慮界面反應(yīng)、先驅(qū)絲鈦合金致密化以及復(fù)合材料與包套擴散連接三大關(guān)鍵技術(shù)。復(fù)合材料的力學(xué)性能與纖維性能、涂層結(jié)構(gòu)、先驅(qū)絲質(zhì)量、纖維排布、成型工藝、加工質(zhì)量均密切相關(guān),需要精細控制。

　　國外在SiCf/Ti復(fù)合材料研發(fā)及應(yīng)用方面取得了較大進展,如美國Textron公司采用Ti-1100鈦合金作為基材制造SiCf/Ti復(fù)合材料整體葉環(huán),使用溫度可以達到700~800℃,結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕50%。國內(nèi)開展了鈦基復(fù)合材料環(huán)形件、板材、轉(zhuǎn)動軸部件的研制。針對復(fù)合材料板材,成型后會發(fā)生變形,應(yīng)力調(diào)控成為難點。整體葉環(huán)回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)成型過程容易發(fā)生整體斷裂,需要綜合考慮結(jié)構(gòu)、纏繞、成型等多方面因素。通過多年的技術(shù)攻關(guān),解決了整體葉環(huán)制備過程中復(fù)合材料斷裂的問題,制備了整體葉環(huán)試驗件,如圖9所示。復(fù)合材料構(gòu)件使用還需要開展如下研究工作:(1)材料的穩(wěn)定性仍需提高;(2)復(fù)合材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)測試;(3)整體葉環(huán)性能表征;(4)失效機理及壽命預(yù)測;(5)無損探傷微觀尺度的檢測;(6)加工過程復(fù)合材料與整體葉環(huán)同心精確控制;(7)制定設(shè)計準(zhǔn)則及考核驗證。需要在纖維材料、基體材料以及高溫抗氧化涂層,批次穩(wěn)定性,生產(chǎn)效率,工藝標(biāo)準(zhǔn)、材料制件規(guī)范等方面加強研究,逐步解決和完善鈦基復(fù)合材料制備、使用過程中出現(xiàn)的問題。

圖9 整體葉環(huán)部件及超聲波探傷C掃描圖

Fig.9 Bling part and its ultrasonic inspection

(a)Ф250mm×70mm葉環(huán);(b)Ф604mm×160mm葉環(huán);(c)Ф604mm×160mm葉環(huán)超聲波探傷C掃描(a)Ф250mm×70mm bling;(b)Ф604mm×160mm bling;(c)ultrasonic inspection of Ф 604mm×160mm bling

　　2.先進高溫鈦合金材料設(shè)計、加工、使用關(guān)鍵技術(shù)

　　600℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金、TiAl合金、SiCf/Ti復(fù)合材料是新型的高性能高溫鈦合金,與普通鈦合金材料相比,其技術(shù)成熟度較低。針對先進發(fā)動機的服役特點和設(shè)計要求,特別是用于高溫環(huán)境的轉(zhuǎn)動部件,需開展大量的工程化應(yīng)用研究,如高溫環(huán)境下蠕變-疲勞-環(huán)境交互作用、阻燃性能,微織構(gòu)對疲勞性能的影響,表面完整性技術(shù),鍛件和零件內(nèi)部和表面殘余應(yīng)力分析及其對使用性能影響,使用壽命預(yù)測及失效分析等,解決工程化應(yīng)用相關(guān)的材料設(shè)計、制造加工工藝等關(guān)鍵技術(shù)。

　　2.1 工業(yè)鑄錠成分高純化和均勻化控制技術(shù)

　　TA29,TB12以及TiAl合金的合金化復(fù)雜、合金元素含量高,且塑性低,這類合金鑄錠的制備難度大,主要表現(xiàn)在:錠型擴大時因凝固熱應(yīng)力易出現(xiàn)開裂,成分均勻性控制難度大,容易產(chǎn)生偏析。采用傳統(tǒng)的真空自耗電極電弧爐熔煉工藝,應(yīng)適當(dāng)增加熔煉次數(shù),并控制熔煉電流、提縮電流、錠型尺寸、坩堝冷卻方式等。對于TiAl合金,可以采用等離子體冷爐床熔煉工藝生產(chǎn)鑄錠。采用冷爐床熔煉工藝可以有效去除夾雜和改善成分偏析,這對于發(fā)動機關(guān)鍵轉(zhuǎn)動件用的鈦合金材料顯得尤為重要。我國已擁有多臺等離子體冷爐床熔煉設(shè)備,具備了實驗室研究、工業(yè)化生產(chǎn)的能力和條件。

　　2.2 大規(guī)格棒材和特殊鍛件制備技術(shù)

　　航空鍛件用的鈦合金原材料一般采用棒材,輪盤、機匣、整體葉盤、風(fēng)扇葉片等大型鍛件一般采用大規(guī)格棒材,對于小型的壓氣機葉片、渦輪葉片鍛件,采用小規(guī)格棒材。隨著先進發(fā)動機趨向于采用整體葉盤、整體葉環(huán)的結(jié)構(gòu)形式,相應(yīng)鍛件和棒材的規(guī)格尺寸加大,控制大規(guī)格棒材的組織均勻性對于保證鍛件的質(zhì)量至關(guān)重要,需要選擇合適的鍛壓設(shè)備,優(yōu)化設(shè)計鍛造工藝。對于TB12和TiAl合金的鑄錠,因鑄態(tài)金屬的鍛造變形抗力大、工藝塑性低、對變形溫度敏感、容易出現(xiàn)鍛造開裂,鑄錠宜采用高溫擠壓開坯工藝制備大規(guī)格棒材,不僅可以提高變形的均勻性、保證有足夠的變形量,還可以提高棒材的生產(chǎn)效率和批次穩(wěn)定性。

　　鈦合金的顯微組織和晶體學(xué)織構(gòu)是影響力學(xué)性能的主要因素,原因在于α相的各向異性。控制鍛件顯微組織的形態(tài)以及顯微組織和織構(gòu)的均勻性,不僅可以改善平均的性能水平,還可以提高零部件的蠕變-疲勞交互作用性能,即保載疲勞性能,減小不同批次部件的性能數(shù)據(jù)分散性。對于這些新型高溫鈦合金,特別是TiAl合金,因有序結(jié)構(gòu)的引入,使得織構(gòu)問題更為復(fù)雜和重要,對高低周疲勞性能和保載疲勞性能的影響也更為復(fù)雜。在棒材和鍛件制備時要嚴(yán)格控制組織和織構(gòu)。

　　2.3 整體葉盤和整體葉環(huán)零件機械加工技術(shù)

　　由于先進發(fā)動機性能水平的不斷提高,整體葉盤、整體葉環(huán)等已成為發(fā)展趨勢。整體葉盤葉片的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通道開敞性差、葉片薄、彎扭大、剛性差、易變形,設(shè)計時對其幾何精度水平、綜合質(zhì)量水平要求越來越高,機械加工和表面完整性的保證變得越來越困難[30] 。對于葉片尺寸較小的壓氣機整體葉盤和整體葉環(huán),葉型一般采用高速數(shù)控銑削方法加工,控制零件加工變形,采用振動光飾去應(yīng)力技術(shù)以改善零件表面殘余應(yīng)力分布,之后對葉片部分型面進行修磨和磨粒流拋光,葉型尺寸精度高,葉型誤差小于0.1mm,葉片表面粗糙度Ra達到0.2μm的水平,提高零件的表面質(zhì)量和表面完整性。應(yīng)采用電化學(xué)方法來加工TiAl合金葉片的型面。

　　2.4 材料性能評價及應(yīng)用設(shè)計技術(shù)

　　上述4類材料還處于工程化研究和試用階段,積累的性能數(shù)據(jù)不充分,影響了材料和部件的設(shè)計選材和強度計算。與普通鈦合金相比,這4類高溫鈦合金材料的塑性、斷裂韌度、沖擊韌度均更低,缺口敏感性大,裂紋尖端的應(yīng)力通過局部塑性變形而下降的能力較差。特別是TiAl合金,具有相當(dāng)?shù)偷氖覝乩焖苄院涂蛊诹鸭y擴展性能,但在接近700℃時會顯著改善[31] ,而且初始蠕變變形速率大。根據(jù)這類材料的特點,設(shè)計并制定科學(xué)合理的技術(shù)指標(biāo),發(fā)揮熱強性的同時,應(yīng)保證有足夠的塑性,充分重視制件的斷裂性能。發(fā)動機設(shè)計選材和強度計算時,需要建立完整的材料設(shè)計性能數(shù)據(jù)庫。對于低塑性的TiAl合金,應(yīng)根據(jù)材料的特性,確定合理的部件設(shè)計和定壽方法,以及成本合算的供應(yīng)鏈[32] 。合理控制TiAl合金制件結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)力水平,避免出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中,提高表面完整性[31] 。科學(xué)評價這些鈦合金的阻燃性能也至關(guān)重要。此外,無論整體葉盤還是整體葉環(huán),在高溫下使用時,同一個零件上存在溫度梯度,一部分材料會約束另一部分材料的變形,在溫度梯度的作用下會引起熱應(yīng)力,影響部件的疲勞性能和使用可靠性。

　　2.5 超高周疲勞性能研究

　　實際上鈦合金材料不存在高周疲勞極限。美國的發(fā)動機結(jié)構(gòu)完整性項目(Engine Structural Integrity Program,ENSIP)1999版和2004版均要求鈦合金發(fā)動機零部件的高周疲勞壽命最低應(yīng)達到109周次[33] 。隨著作用應(yīng)力的下降,疲勞裂紋萌生位置由表面傾向于在內(nèi)部發(fā)生[34] 。對于600℃高溫鈦合金整體葉盤、鈦基復(fù)合材料整體葉環(huán)以及TiAl合金葉片,因葉片的疲勞性能對振動應(yīng)力非常敏感,應(yīng)充分研究其超高周疲勞行為及性能。合理選用適當(dāng)?shù)谋砻鎻娀侄?如激光沖擊強化和低塑性拋光等,以提高葉片的超高周疲勞性能,防止葉片失效引起內(nèi)物損傷和災(zāi)難性失效。

　　3.結(jié)束語

　　一個新材料并不是十全十美的材料,而只是能滿足某種特殊用途的材料,材料某些性能的提高常常是犧牲了其他性能獲得的。將一種新材料得以實現(xiàn)工程化應(yīng)用,特別是在發(fā)動機上應(yīng)用是一項巨大的挑戰(zhàn),需要從實驗室規(guī)模或小試規(guī)模逐漸過渡到工業(yè)化生產(chǎn),而且需要關(guān)注研究結(jié)果的重復(fù)再現(xiàn),以證明材料的性能和工藝的穩(wěn)定性和可靠性,并考慮成本等經(jīng)濟性因素。

　　新型高溫鈦合金材料的特性不同于普通鈦合金材料,其制造加工技術(shù)難度可能比材料技術(shù)本身的難度要大得多,如熔煉、鍛造、熱處理、機械加工和表面處理等。一個新材料構(gòu)件的質(zhì)量、可靠性及成功應(yīng)用取決于設(shè)計、材料、工藝與使用四者之間的有機配合和相互適應(yīng)。需加強材料和構(gòu)件主要性能的波動性、平均性能的代表性和標(biāo)準(zhǔn)性的分析。在使用這類新材料時,應(yīng)謹(jǐn)慎控制零件的應(yīng)力水平,避免引起局部的高應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性,并采取抗斷裂設(shè)計措施,在生產(chǎn)和使用維修中采用可靠的檢查方法。

　　鈦合金對表面損傷和缺陷具有較強的敏感性,而塑性更低的600℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金、TiAl合金、SiCf/Ti復(fù)合材料對缺陷的敏感性更突出,基于惡劣環(huán)境使用對發(fā)動機構(gòu)件疲勞性能和損傷容限性能的極高要求,應(yīng)嚴(yán)格控制和檢測這類材料及制件內(nèi)部的冶金缺陷及表面完整性,包括表面的粗糙度、波紋度、表面層的微觀組織變化、塑性變形、殘余應(yīng)力等。對于低塑性的TiAl合金及SiCf/Ti復(fù)合材料,殘余應(yīng)力是一個不可忽視的因素,對制件加工過程和使用過程產(chǎn)生的變形、尺寸超差、疲勞性能、應(yīng)力腐蝕開裂等均會產(chǎn)生有害影響。對于葉片類和盤類零件,考慮到低塑性對應(yīng)力集中敏感的特點,在零部件設(shè)計時,應(yīng)盡量避免設(shè)計不當(dāng)引起的高應(yīng)力集中,特別是轉(zhuǎn)接圓角R的大小和加工精度。TiAl葉片與鎳基高溫合金盤之間存在的接觸疲勞和微動磨損,以及存在因其低延展性和低屈服強度導(dǎo)致的相對差的抗沖擊損壞性能。

　　隨著我國航空強國戰(zhàn)略的實施,鈦合金行業(yè)處于強勁的發(fā)展時期。在高性能先進發(fā)動機減重、安全服役和節(jié)能降耗需求的驅(qū)動下,普通鈦合金、新型鈦基合金材料及應(yīng)用技術(shù)均不斷得到發(fā)展。隨著600℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金、TiAl合金和SiCf/Ti復(fù)合材料的深入研究,技術(shù)成熟度不斷提高,將逐漸應(yīng)用于先進發(fā)動機的關(guān)鍵部件,有力推動我國航空發(fā)動機技術(shù)發(fā)展。