【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(lái)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(duì)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(jī)械性能，如耐熱性高、比強(qiáng)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(dòng)力主要有以下幾個(gè)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(duì)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(duì)于應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤(pán)、加力燃燒室筒體、葉片和機(jī)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(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、斷裂性能和高溫?zé)岱€(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(chē)A320上配置的V2500發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦量占其結(jié)構(gòu)總重量的31%，裝備F15戰(zhàn)機(jī)的F100發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦合金用量為36%。

　　高溫鈦合金隨高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展需求而發(fā)展，用量呈不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)，尤其是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上[4]。在其性能得到搜鈦網(wǎng)保障的同時(shí)其使用溫度從20世紀(jì)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(gè)國(guó)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(qiáng)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(gè)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(duì)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(kāi)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(qiáng)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(duì)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(qiáng)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(qiáng)度和（α+β）/β轉(zhuǎn)變點(diǎn)，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(qiáng)度。由于Al原子以置換方式存在于α相中，Al含量超過(guò)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(dāng)含量在6.0～7.0%時(shí)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(dāng)Al元素含量或者Al當(dāng)量超過(guò)Al在α相中的固溶度時(shí)而形成α2（Ti3Al）相。α2相嚴(yán)重影響鈦合金的塑性、強(qiáng)度和韌性[16]。Rosenberg的Al當(dāng)量公式為，[Al]eq= Al%+（Sn/3）%+（Zr/6）%+10（O+C+2*N）%[17]，當(dāng)Al當(dāng)量低于9%時(shí)，組織中不會(huì)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(shí)，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(kāi)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(dāng)量低于9%。α2相對(duì)鈦合金的各項(xiàng)性能均有顯著影響，細(xì)小均勻分布的硬脆α2相可提高合金強(qiáng)度，特別是高溫強(qiáng)度。在變形過(guò)程中，位錯(cuò)遷移切過(guò)α2相粒子時(shí)，使得位錯(cuò)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(bǔ)充固溶強(qiáng)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(jìn)一步來(lái)提高合金的高溫強(qiáng)度。同時(shí)，Sn和Zr元素的添加對(duì)合金塑形的不利影響比添加Al元素時(shí)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(qiáng)度、改善耐熱和耐蝕性，同時(shí)能細(xì)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T(mén)i-6Al-2Sn-4Zr-6Mo，Mo含量達(dá)6wt.%；但Mo含量過(guò)高，對(duì)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(qiáng)化作用。提高強(qiáng)度的同時(shí)，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(diǎn)顯著降低，從而增加淬透性，使熱處理強(qiáng)化程度明顯增強(qiáng)。對(duì)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(dá)到多元強(qiáng)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(gè)比較成功的例子，該合金中添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的Nb元素，而在IMI834合金中也加入了質(zhì)量分?jǐn)?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?yàn)橐韵聨讉€(gè)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(shí)可使得生成的氧化物更加致密均勻細(xì)小，從而有效地阻礙氧擴(kuò)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(duì)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(huì)添加有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1～0.5wt%的Si元素。Si在鈦合金中起固溶強(qiáng)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?jǐn)?shù)大于0.35%的Si元素便可達(dá)到較好的高溫蠕變性能[24]。當(dāng)Si元素含量超過(guò)其在鈦合金中的固溶極限時(shí)，便在組織中析出硅化物，所析出的硅化物主要起沉淀強(qiáng)化作用。但是當(dāng)硅化物析出量過(guò)多，將會(huì)降低合金的蠕變抗力。硅化物析出還會(huì)對(duì)合金熱穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，降低合金塑性的同時(shí)還可提高有序化程度、從而促進(jìn)Ti3Al的析出[25]。在高溫鈦合金中Si元素含量較多時(shí)，可通過(guò)控制析出得到細(xì)小且彌散的硅化物，這樣就可以起到第二相強(qiáng)化作用，強(qiáng)化晶界及相界，從而達(dá)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?jǐn)?shù)小于0.09%的C元素時(shí)，C元素將完全固溶，具有固溶強(qiáng)化作用，可阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。于此同時(shí)合金組織中的晶粒依舊保持比較細(xì)小，從而顯著提高鈦合金的強(qiáng)度和高溫蠕變性能。

　　但是當(dāng)C元素含量在鈦合金中過(guò)多時(shí)，會(huì)在組織中析出粗大的碳化物，形成的碳化物會(huì)增大α片層的厚度。如果析出碳化物，合金在變形過(guò)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(duì)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(duì)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(diǎn)、細(xì)化晶粒、增加位錯(cuò)密度等， 從而產(chǎn)生強(qiáng)化作用， 但稀土元素會(huì)奪取固溶體中的間隙氧， 降低間隙固溶強(qiáng)化， 從而產(chǎn)生軟化作用[30]。

　　稀土元素可使鈦合金的熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性達(dá)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(dá)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(qiáng)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(huì)通過(guò)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(dá)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(dāng)某些種類且含量適當(dāng)?shù)南⊥猎靥砑尤脞伜辖饡r(shí)，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(shí)形成的邊裂[34]。

　　稀土元素對(duì)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?yàn)樗鼪Q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(duì)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(duì)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(qiáng)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(jiàn)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(kāi)始，或在β單相區(qū)開(kāi)始變形，在兩相區(qū)變形完成，且變形量達(dá)到50%～80%時(shí)得到，網(wǎng)籃組織的疲勞強(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)可獲得強(qiáng)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(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高合金斷裂韌性、高溫蠕變強(qiáng)度及抵抗裂紋擴(kuò)展能力，但塑性和低周疲勞強(qiáng)度較低[37]。

　　魏氏組織是兩相鈦合金在β相區(qū)開(kāi)始變形，同時(shí)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(shí)獲得的。其特點(diǎn)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(qiáng)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(duì)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(xì)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?jǐn)?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(duì)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(dāng)αp相的體積分?jǐn)?shù)位于5～15%，原始β相晶粒尺寸在20～40μm范圍內(nèi)時(shí)，鈦合金的室溫性能較好，同時(shí)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(guò)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(guò)選用合適的熱處理制度來(lái)改善。在高溫鈦合金中常用的熱處理主要有退火、固溶和時(shí)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(qiáng)度[42]。對(duì)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(diǎn)30～100℃的范圍內(nèi)，接著轉(zhuǎn)到另一熱處理爐中進(jìn)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(jìn)行保溫，之后進(jìn)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(dá)到提高鈦合金的塑性、持久強(qiáng)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(jìn)行兩次加熱、兩次保溫以及兩次空冷的過(guò)程。第一次加熱溫度為低于β相變點(diǎn)20～160℃；第二次加熱溫度為低于β相變點(diǎn)300～450℃，且高于使用溫度。雙重退火的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在第一次退火時(shí)，可使組織中保留部分的亞穩(wěn)β相，使其在第二次退火時(shí)能夠充分分解，達(dá)到強(qiáng)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(shí)效

　　固溶和時(shí)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(shí)，組織中的α相會(huì)轉(zhuǎn)變成β相，通過(guò)快速冷卻可將其保留至室溫，之后在進(jìn)行時(shí)效，組織中不穩(wěn)定的β相會(huì)發(fā)生分解而產(chǎn)生次生α相，從而可以提高鈦合金的強(qiáng)度。

　　當(dāng)鈦合金在固溶溫度以下淬火時(shí)，冷卻速率對(duì)組織和性能有著非常重要的影響。若冷卻速度太慢，可能會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散，從而影響時(shí)效強(qiáng)化作用。α+β兩相鈦合金進(jìn)行水淬，可阻止不穩(wěn)定β相的分解，以便達(dá)到時(shí)效時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)化的目的。

　　高溫鈦合金在航空領(lǐng)域的使用由來(lái)已久，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，高溫鈦合金所使用的溫度越來(lái)越高，對(duì)其性能要求也就越來(lái)越高，尤其是高溫強(qiáng)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(shí)的性能，就要了解影響其性能的因素。因此本文對(duì)影響高溫鈦合金的一些因素進(jìn)行了簡(jiǎn)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(huì)越來(lái)越高。

　　【參考文獻(xiàn)】

　　[1]C.萊因斯，M.皮特爾斯編，陳振華等編譯。鈦與鈦合金。化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

　　[2]Rick Martin， Daniel Evans. Reducing Costs in Aircraft： The metals Affordability Initiative Consortium [J]. JOM， 2000， 52 （3）： 24-28.

　　[3]R.R. Boyer. An overview on the use of titanium in the aerospace industry[J]. Materials Science and Engineering A，213 （1996） 103-114.