航空材料技術(shù)

激光熔覆高硬度、耐磨和耐高溫涂層

為了防止在高速、高溫、高壓和腐蝕環(huán)境下工作的零部件因表面局部損壞而報(bào)廢，提高零部件的使用壽命，世界各國都在致力于研發(fā)各種提高零件表面性能的技術(shù)。傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)（如噴涂、噴鍍、堆焊等）由于層間結(jié)合力差和受固態(tài)擴(kuò)散差的限制，應(yīng)用效果并不理想。大功率激光器和寬帶掃描裝置的出現(xiàn)，為材料表面改性提供了一種新的有效手段。激光熔覆是經(jīng)濟(jì)效益高的新型表面改性技術(shù)，它可以在廉價(jià)、低性能基材上制備出高性能的熔覆層，從而降低材料成本，節(jié)約貴重的稀有金屬，提高金屬零件的使用壽命。

現(xiàn)代飛機(jī)制造中大量使用鈦合金和鋁合金，例如美國的第四代戰(zhàn)機(jī)F-22機(jī)體鈦合金的使用量已達(dá)到41%，而美國先進(jìn)的V2500發(fā)動機(jī)鈦合金的用量也達(dá)到了30%左右。鈦及鈦合金具有高比強(qiáng)度、優(yōu)良的耐腐蝕、良好的耐高溫性能，可以減輕機(jī)體重量、提高推重比。鈦合金的缺點(diǎn)是硬度低、耐磨性差。純鈦的硬度為150～200HV，鈦合金通常不超過350HV。在很多情況下，由于鈦及鈦合金表面會生成一層致密的氧化膜從而起到防腐蝕的作用，但是在氧化膜破裂、環(huán)境惡劣或發(fā)生縫隙腐蝕時(shí)，鈦合金的耐腐蝕性能將大大降低。

2000年首飛的美國F-35戰(zhàn)機(jī)上鋁合金總用量在30%以上。但是鋁合金的強(qiáng)度不夠高，使用時(shí)易生產(chǎn)塑性變形，特別是鋁合金表面硬度低、耐磨性很差，在某種程度上制約了它的應(yīng)用。

經(jīng)過激光熔覆的鈦合金表面顯微硬度為800-3000HV。用激光熔覆技術(shù)對鋁合金表面進(jìn)行表面強(qiáng)化是解決鋁合金表面耐磨性差、易塑性變形等問題的有效方法。與其他表面強(qiáng)化方法相比，該方法強(qiáng)化層與鋁基體之間具有冶金結(jié)合特點(diǎn)，結(jié)合強(qiáng)度高。熔覆層的厚度達(dá)到1～3mm，組織非常細(xì)小，熔覆層的硬度高、耐磨性好，并具有較強(qiáng)的承載能力，從而避免了軟基體與強(qiáng)化層之間應(yīng)變不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生裂紋。另外，在鈦合金、鋁合金表面熔覆高性能的陶瓷涂層，材料的耐磨性、耐高溫性能等可以得到大幅度提高。

激光熔覆獲得熱障涂層

近年來，航空發(fā)動機(jī)燃?xì)鉁u輪機(jī)向高流量比、高推重比、高進(jìn)口溫度的方向發(fā)展，燃燒室的燃?xì)鉁囟群腿細(xì)鈮毫Σ粩嗵岣?，例如軍用飛機(jī)發(fā)動機(jī)渦輪前溫度已達(dá)1800℃，燃燒室溫度達(dá)到2000℃～2200℃，這樣高的溫度已超過現(xiàn)有高溫合金的熔點(diǎn)。除了改進(jìn)冷卻技術(shù)外，在高溫合金熱端部件表面制備熱障涂層（Thermal Bamer Coating，TBCs）也是很有效的手段，它可達(dá)到1700℃或更高的隔熱效果，以滿足高性能航空發(fā)動機(jī)降低溫度梯度、熱誘導(dǎo)應(yīng)力和基體材料服役穩(wěn)定性的要求。20世紀(jì)70年代陶瓷熱障涂層（TBCs）被成功用于J-75型燃?xì)廨啓C(jī)葉片，世界各國投入巨資對其從材料到制備工藝展開了深入的研究。

20世紀(jì)80年代以來，在材料表面激光熔覆陶瓷層獲得了致密的柱體晶組織，提高了應(yīng)變?nèi)菹?；致密、均勻的激光重熔組織以及較低的氣孔率可降低粘結(jié)層的氧化率，阻止腐蝕介質(zhì)的滲透?？衫么蠊β始す馄髦苯虞椛涮沾苫蚪饘俜勰?，將其熔化后在金屬表面形成冶金結(jié)合，得到垂直于表面的柱狀晶組織。由于熔覆層凝固的次序由表到里，表層組織相對細(xì)小，這樣的結(jié)構(gòu)有利于緩和熱應(yīng)力，例如用激光熔敷方法得到了8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯（YPSZ）熱障涂層。也可將混合均勻的粉末置于基體上，利用大功率激光器輻射混合粉末，通過調(diào)節(jié)激光功率、光斑尺寸和掃描速度使粉末熔化良好、形成熔池，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步通過改變成分向熔池中不斷加入合金粉末，重復(fù)上述過程，即可獲得梯度涂層。

關(guān)鍵部件表面通過激光熔覆超耐磨抗蝕合金，可以在零部件表面不變形的情況下提高零部件的使用壽命、縮短制造周期。激光熔覆生產(chǎn)的熱障涂層有良好的隔熱效果，可以滿足高性能航空發(fā)動機(jī)降低溫度梯度、熱誘導(dǎo)應(yīng)力和基體材料服役穩(wěn)定的要求。

來源：熱噴涂與再制造

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高溫鈦合金制造技術(shù)研究進(jìn)展

作者 ： 曹京霞，弭光寶，蔡建明，高帆，周毅，黃旭，曹春曉

( 中國航發(fā)北京航空材料研究院先進(jìn)鈦合金航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095)

摘要：高溫鈦合金制造技術(shù)已成為先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)技術(shù)的核心與關(guān)鍵，近年來受到高度重視。在簡要回顧新型高溫鈦合金、阻燃鈦合金和Ti-Al 系金屬間化合物合金發(fā)展的基礎(chǔ)上，從大規(guī)格鑄錠熔煉、擠壓開坯、整體葉盤模鍛、環(huán)件軋制及零件機(jī)加工等方面介紹這些高溫鈦合金制造技術(shù)研究所取得的重要進(jìn)展。最后，提出我國高溫鈦合金應(yīng)用研究中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題以及進(jìn)一步發(fā)展的建議。

關(guān)鍵詞：高溫鈦合金； 鑄錠熔煉； 擠壓開坯； 整體葉盤模鍛； 環(huán)件軋制； 零件加工

引言

航空發(fā)動機(jī)性能的提高與新型高溫鈦合金和先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的協(xié)同應(yīng)用密不可分。我國從20 世紀(jì)90年代加快了新型高溫鈦合金材料的研究進(jìn)程，開展了550 ℃高溫鈦合金、600 ℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金以及Ti-Al 系金屬間化合物合金等新材料的研制。在高溫鈦合金方面，國內(nèi)自主研發(fā)的第一代含稀土Nd 的550 ℃高溫鈦合金（TA12）和600 ℃高溫鈦合金（Ti60）具有優(yōu)異的熱強(qiáng)性能，但由于焊接技術(shù)方面的研究儲備不足，以及稀土相易在焊縫區(qū)域晶界處偏聚易造成接頭脆性斷裂等問題沒有得到有效解決，未在航空發(fā)動機(jī)上獲得實(shí)際應(yīng)用?；陔娮訚舛壤碚?，在適當(dāng)利用α2相強(qiáng)化和硅化物析出相強(qiáng)化的同時(shí)，以Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 合金系為基礎(chǔ)加入Nb、Ta 元素，進(jìn)一步提高多元素復(fù)合固溶強(qiáng)化的效果，研發(fā)了第二代具有良好熱強(qiáng)性能、良好鍛造加工和焊接性能的550 ℃高溫鈦合金（ TA32） 和600 ℃ 高溫鈦合金（ TA29、TA33 ） 。TA29 和TA33 鈦合金在成分上差異較小，而性能水平存在的差異主要取決于工藝控制因素。在第二代600 ℃高溫鈦合金的基礎(chǔ)上，通過添加W 元素、提高Ta 元素含量，進(jìn)一步開發(fā)了650 ℃ 高溫鈦合金（ Ti65） ，使得固溶強(qiáng)化型高溫鈦合金的長時(shí)使用溫度有望突破傳統(tǒng)的600 ℃“熱障”溫度。在阻燃鈦合金研究方面，研發(fā)了2 個(gè)耐溫級別的Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金，分別是500 ℃ 長期使用的TB12 阻燃鈦合金（ Ti40） 和550 ℃長期使用的TF550 阻燃鈦合金。對TB12 和TF550 鈦合金的阻燃性能及綜合力學(xué)性能的研究表明，這兩個(gè)合金具有相近的阻燃性能，V 元素含量差異主要影響材料的熱強(qiáng)性能。在Ti-Al 系金屬間化合物合金研究方面，全面開展了（ α2 +O + B2） 三相Ti3Al 合金、O 相為基的Ti2AlNb 合金以及γ-TiAl 合金的研究，Ti-Al 系金屬間化合物合金長時(shí)使用溫度達(dá)到650 ～ 800 ℃。

當(dāng)前，我國新型600 ℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金和Ti-Al 系金屬間化合物合金等材料基本完成實(shí)驗(yàn)室階段的探索研究，逐步進(jìn)入工程化研究與應(yīng)用階段。鈦合金熱加工設(shè)備的升級換代，大型裝備的應(yīng)用，海綿鈦、中間合金質(zhì)量的提高，均有力促進(jìn)了新材料開發(fā)及制造技術(shù)研究。因此，重點(diǎn)介紹近十年來我國航空發(fā)動機(jī)用600 ℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金以及Ti-Al 系金屬間化合物合金在鑄錠、鍛件及典型零件等制造技術(shù)研究方面取得的最新進(jìn)展，并對進(jìn)一步的研究方向提出建議。

1 高溫鈦合金制造技術(shù)研究

1. 1 新型高合金化合金鑄錠制備。真空自耗熔煉工藝是鈦合金鑄錠制備普遍采用的工藝，其主要工序包括電極塊制備、焊接和真空自耗2 ～ 4 次熔煉。除了真空自耗電弧熔煉爐，先進(jìn)配套設(shè)備的應(yīng)用在鈦合金優(yōu)質(zhì)鑄錠制備中也起到了關(guān)鍵作用，如自動稱重和混布料系統(tǒng)、真空等離子焊箱等。新型600 ℃ 高溫鈦合金、阻燃鈦合金和Ti3Al 合金都已實(shí)現(xiàn)3 t 級工業(yè)鑄錠的制備，突破了高合金化鑄錠成分均勻性控制的關(guān)鍵技術(shù)。

高合金化是新型高溫鈦合金和Ti-Al 系金屬間化合物合金的顯著特點(diǎn)，幾種典型高溫鈦合金的名義成分如表1 所示。從表1 可見，TA29、TA33 鈦合金的合金化元素總量分別接近17% 和16%，TD3、Ti2AlNb 合金的合金化元素總量分別接近43% 和54%，且合金化元素熔點(diǎn)、密度差異均較大，因此這些新材料鑄錠制備難度顯著高于普通的TC4、TC11 等鈦合金。高熔點(diǎn)元素（ 如Ta、Nb、Mo 等） 一般以Al-X、Ti-X 或Al-X-Y 三元中間合金的形式加入。對于高溫鈦合金，其原料中海綿鈦占比超過80%，海綿鈦能夠很好地將中間合金粘結(jié)，電極塊強(qiáng)度基本有所保障。但對于Ti3Al 合金，其原料中海綿鈦占比不到60%，Ti2AlNb 合金原料中海綿鈦占比更低，電極塊強(qiáng)度控制問題非常突出，工藝不恰當(dāng)就會造成電極塊開裂，或電極塊強(qiáng)度偏低，在搬運(yùn)、焊接和熔煉時(shí)發(fā)生掉塊，影響鑄錠成分控制。

目前的解決方法主要是優(yōu)選中間合金和優(yōu)化混布料工藝。圖1 為北京航空材料研究院采用真空自耗熔煉工藝制備的TD3 鈦合金3 t 鑄錠（600 mm） 照片及鑄錠頭、中、尾外圓周取樣的成分分析結(jié)果，可見合金元素Al、Nb、Mo 分布均比較均勻。

圖1 TD3 鈦合金鑄錠( 600 mm) 照片及化學(xué)成分

Fig. 1 Photo of 600 mm TD3 titanium alloy ingot( a)

and chemical composition( b)

與上述高溫鈦合金不同，Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金不含Al 元素，且合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過40%，同樣存在原料中海綿鈦占比少的問題，V、Cr 元素的加入方式非常關(guān)鍵。在認(rèn)識阻燃合金化原理的基礎(chǔ)上，通過在合金元素加入方式以及電極結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了TB12 和TF550 鈦合金3 t 級工業(yè)鑄錠（ 620 mm） 的制備，從根本上解決了Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金工業(yè)鑄錠V、Cr 元素偏析問題，對鍛件質(zhì)量提升起到了至關(guān)重要的作用。

1. 2 低工藝塑性合金的擠壓開坯。擠壓變形是在三向壓應(yīng)力作用下完成的，裂紋不易形成和擴(kuò)展，非常適合低工藝塑性合金鑄錠的開坯和棒材制造。長期以來，我國鈦合金擠壓技術(shù)主要應(yīng)用于管材和筒體結(jié)構(gòu)件的制備，近些年也開展了鈦合金型材的擠壓制備，但擠壓技術(shù)沒有在鈦合金工業(yè)級鑄錠開坯中應(yīng)用。造成這種局面有2 方面的原因： 一方面，國內(nèi)鈦合金加工企業(yè)缺乏大型的擠壓設(shè)備； 另一方面，普通高溫鈦合金、高強(qiáng)鈦合金通過液壓機(jī)、快鍛機(jī)進(jìn)行鑄錠開坯、棒材鍛造能夠滿足研制與批量生產(chǎn)的需求。然而，新型高溫鈦合金及Ti-Al 系金屬間化合物合金都一定程度上存在鑄造組織狀態(tài)下工藝塑性低的問題，其中，對擠壓開坯技術(shù)依賴性較強(qiáng)的2 類材料分別是阻燃鈦合金和變形TiAl 合金，而擠壓技術(shù)的應(yīng)用則為這2 類合金棒材的制備提供了一條重要的工藝途徑，尤其是大型擠壓設(shè)備的建造，可以解決阻燃鈦合金工業(yè)鑄錠開坯的難題。

Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金的顯著特點(diǎn)是鑄造組織狀態(tài)下工藝塑性非常低，基本不能實(shí)現(xiàn)無約束條件下自由鍛造。2009—2010 年，北京航空材料研究院與北方重工合作，在360MN 擠壓機(jī)上實(shí)現(xiàn)了TB12 和TF550 鈦合金多個(gè)3 t 級鑄錠的包套擠壓開坯。圖2為620 mm TB12 鈦合金鑄錠經(jīng)包套擠壓開坯后獲得的帶包套的擠壓棒材（ 擠壓比約為4） 。擠壓開坯不僅解決了阻燃鈦合金工業(yè)鑄錠拔長變形的難題，同時(shí)也提高了阻燃鈦合金的工藝塑性。圖3 為TF550 鈦合金鑄態(tài)和擠壓態(tài)2 種初始組織狀態(tài)的熱加工圖。從圖3 可以看出，無論是鑄態(tài)組織還是擠壓態(tài)組織，熱加工圖中呈現(xiàn)的失穩(wěn)區(qū)域均分布于高應(yīng)變速率區(qū)域，并且明顯分為2 個(gè)部分。結(jié)合顯微組織和碳化物形態(tài)分析，可以判定1 050 ℃以上的變形失穩(wěn)主要緣于碳化物溶解帶來的脆性，而1 050 ℃以下的變形失穩(wěn)主要緣于局部塑性流動引起的劇烈剪切變形所導(dǎo)致的開裂。與鑄態(tài)組織相比，擠壓態(tài)組織的局部塑性流動失穩(wěn)區(qū)域明顯縮小，關(guān)鍵熱加工區(qū)域窗口擴(kuò)大，有利于擠壓棒材的進(jìn)一步鍛造加工。實(shí)際鍛造中也發(fā)現(xiàn)經(jīng)過擠壓開坯后，棒材的工藝塑性明顯改善，不用包套即可直接在快鍛機(jī)上完成鐓粗和拔長變形。

圖2 TB12 阻燃鈦合金擠壓棒材照片

Fig. 2 Photo of extruded TB12 fireproof titanium alloy bar

圖3 TF550 阻燃鈦合金的熱加工圖( ε = 0. 4)

Fig. 3 Processing maps of TF550 fireproof titanium alloy

( ε = 0. 4) : ( a) as-cast; ( b) as-extruded

變形TiAl 合金800 ℃拉伸強(qiáng)度可達(dá)600 MPa 以上，比強(qiáng)度顯著高于鎳基高溫合金。作為壓氣機(jī)葉片應(yīng)用能夠極大地降低盤和軸的負(fù)荷，這對發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)有極大的吸引力。然而，鍛造TiAl 合金的研究一直受困于材料自身非常低的工藝塑性，技術(shù)難度大，研究進(jìn)展緩慢。北京航空材料研究院采用包套擠壓工藝和復(fù)合隔熱技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了220 mm TiAl 合金鑄錠的開坯，以及矩形截面和圓形截面棒材的二次擠壓。同時(shí)，嘗試開展了TiAl 合金單次大擠壓比棒材制備工藝的研究，制備出60 mm × 2 500 mmTiAl 合金擠壓棒材，擠壓比達(dá)到10 以上，擠壓棒材的組織得到充分細(xì)化，如圖4 所示。

圖4 TiAl 合金鑄錠和擠壓棒材的顯微組織

Fig. 4 Microstructures of TiAl alloy ingot and extruded bar: ( a) as-cast; ( b) as-extruded

1. 3 整體葉盤鍛件研制與組織性能控制。輕量化、整體化是航空發(fā)動機(jī)部件的重要發(fā)展方向，先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動部件普遍采用了整體葉盤結(jié)構(gòu)。TC4、TC17、Ti6242 和600 ℃ 高溫鈦合金的整體葉盤研制與應(yīng)用研究均取得了快速發(fā)展。高溫鈦合金整體葉盤鍛件大多采用熱模鍛或者近等溫模鍛成形，由于鍛件的對稱性比較好，若單純從鍛件成形角度考慮，完整充型難度不大，但是考慮到整體葉盤服役條件下對不同部位溫度和載荷要求的差異，對于均質(zhì)整體葉盤，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵性能的合理匹配是最主要的技術(shù)難點(diǎn)，涉及到鍛件微觀組織類型選擇以及組織參數(shù)控制。600 ℃ 高溫鈦合金作為一種近α 型鈦合金，室溫拉伸塑性，特別是試樣熱暴露后的塑性（ 稱為熱穩(wěn)定性） 與高溫蠕變性能之間的矛盾一直是比較突出的問題，單體盤和葉片可以通過采用不同的組織類型分別控制，例如葉片采用雙態(tài)組織以獲得良好的熱穩(wěn)定性能和高周疲勞性能；盤采用β 鍛的網(wǎng)籃組織以獲得高的蠕變性能和損傷容限性能。目前，600 ℃高溫鈦合金主要采用α + β兩相區(qū)近等溫模鍛工藝制造整體葉盤鍛件，通過固溶和時(shí)效處理控制等軸初生α 相的體積分?jǐn)?shù)在10%～ 30%之間，控制β 轉(zhuǎn)變組織中次生α 相的分布，以及更微觀尺度的α2相、硅化物相的析出和分布，實(shí)現(xiàn)整體葉盤鍛件熱穩(wěn)定性和蠕變性能的良好匹配。圖5 為TA29 鈦合金660 mm 整體葉盤及徑向截面的低倍組織。從圖5 可見，低倍組織為均勻模糊晶形態(tài)，是α + β 兩相區(qū)鍛造均勻變形的典型形貌。

圖5 TA29 鈦合金整體葉盤鍛件徑向低倍組織和顯微組織

Fig. 5 Ｒadial section macrostructure( b) and microstructures( a，c) of TA29 titanium alloy blisk die forging

鈦合金盤和葉片一體化制造在組織性能控制上做了一種工藝上的妥協(xié)，為了能夠充分發(fā)揮高溫鈦合金各種微觀組織形態(tài)或合金最優(yōu)勢的性能，近些年嘗試開展了雙合金整體葉盤以及雙性能整體葉盤的研制工作，主要包括： ①線性摩擦焊工藝，理論上可以實(shí)現(xiàn)雙合金或是同一合金雙組織整體葉盤的連接，國內(nèi)外的研究工作主要集中于線性摩擦焊工藝和接頭組織性能的研究； ②真空電子束焊接+ 近等溫鍛造+ 熱處理強(qiáng)化界面的復(fù)合工藝，西北工業(yè)大學(xué)采用這種工藝開展了Ti3Al /TC4、Ti3Al /TC11、Ti2AlNb /TC11、Ti2AlNb /Ti60雙合金盤研制的基礎(chǔ)研究和組織性能評估； ③分區(qū)控溫鍛造和分區(qū)控溫?zé)崽幚砉に嚕碚撋夏軌驅(qū)⒄w葉盤鍛件中葉片與盤體控制為不同的組織類型，以更好地滿足整體葉盤不同部位實(shí)際服役條件的要求。圖6為TA29 鈦合金650 mm 整體葉盤鍛件經(jīng)分區(qū)控溫?zé)崽幚砗蟮膹较蚪孛娴捅督M織及典型區(qū)域的顯微組織。

圖6 TA29 鈦合金雙性能整體葉盤鍛件徑向截面

低倍組織和顯微組織

Fig. 6 Ｒadial section macrostructure( a) and microstructures( b ～

f) of TA29 titanium alloy dual-property blisk die forging

從圖6 可見，整體葉盤試驗(yàn)件盤體為β 熱處理組織，葉片部位為α + β 兩相區(qū)熱處理組織。此外，通過工藝控制，也可將整體葉盤的葉片和盤體分別制備成不同初生α 相含量的雙態(tài)組織。

1. 4 整環(huán)和半環(huán)鍛件研制。以機(jī)匣、內(nèi)環(huán)、安裝邊等為代表的環(huán)形件結(jié)構(gòu)也是航空發(fā)動機(jī)中比較重要的結(jié)構(gòu)形式，環(huán)鍛件通常采用軋制工藝制造，主要工序?yàn)榘舨呐髁乡叴?、沖孔、擴(kuò)孔和最終的軋制成形。通常，坯料沖孔后得到的環(huán)坯進(jìn)一步擴(kuò)孔和最終的軋制成形都是在擴(kuò)孔機(jī)上完成的。高溫鈦合金以及Ti3Al、Ti2AlNb 合金環(huán)鍛件制備都能夠采用這種工藝路線，在環(huán)鍛件制備的4 個(gè)工序過程中，坯料的加熱溫度、擴(kuò)孔和最終軋制成形的變形量控制決定了環(huán)鍛件的組織類型，通過固溶、時(shí)效處理可以進(jìn)一步調(diào)控環(huán)鍛件的微觀組織，獲得所需的力學(xué)性能。圖7 和表2 分別為TD3 鈦合金靜子內(nèi)環(huán)鍛件及其力學(xué)性能?？梢?，TD3 鈦合金靜子內(nèi)環(huán)鍛件的室溫和650 ℃力學(xué)性能均比較好。

圖7 TD3 鈦合金靜子內(nèi)環(huán)鍛件照片

Fig. 7 Photo of TD3 titanium alloy stator ring forgings

相近變形條件下，TB12 和TF550 阻燃鈦合金的變形抗力顯著高于普通鈦合金，甚至也高于Ti-Al 系金屬間化合物合金，如表3 所示。可見，阻燃鈦合金環(huán)鍛件制備難度非常大。在成形外徑為730 mm、高度為300 mm 的TB12 鈦合金大型機(jī)匣環(huán)鍛件時(shí)，遇到的最大問題就是擴(kuò)孔機(jī)噸位不足，坯料沖孔后得到的環(huán)坯徑向截面厚度仍較大，不能在擴(kuò)孔機(jī)上直接進(jìn)行擴(kuò)孔，只能采用變形條件比較差的馬架擴(kuò)孔工藝將環(huán)坯的徑向截面尺寸先進(jìn)行減薄，然后再在擴(kuò)孔機(jī)上完成環(huán)鍛件的軋制成形，圖8a 為TB12鈦合金軋制成形的機(jī)匣環(huán)鍛件。

TB12 鈦合金環(huán)鍛件制備中，馬架擴(kuò)孔的變形火次、各火次的變形量分配、坯料的加熱溫度、后續(xù)在擴(kuò)孔機(jī)上成形軋制的變形量分配都是非常關(guān)鍵的工藝參數(shù)。TF550 鈦合金的變形抗力更大，工藝塑性比TB12 鈦合金略差，馬架擴(kuò)孔和軋環(huán)成形難度更大，制備機(jī)匣鍛件則采用了熱模鍛工藝，圖8b 為用TF550 鈦合金50 mm 厚板經(jīng)熱模鍛制成的半環(huán)機(jī)匣鍛件。表4 為TB12 鈦合金環(huán)鍛件及TF550 鈦合金半環(huán)模鍛件的力學(xué)性能。

從表4 可見，TF550 鈦合金鍛件的高溫持久和蠕變性能顯著優(yōu)于TB12 鈦合金。

圖8 阻燃鈦合金機(jī)匣鍛件照片

Fig. 8 Photos of fireproof titanium alloy compressor case forgings:

( a) TB12 titanium alloy; ( b) TF550 titanium alloy

1. 5 典型零件加工技術(shù)。由于高溫鈦合金具有導(dǎo)熱差、硬度高、粘刀等特性，造成了這種材料車削、銑削和鉆削加工的難度比鋼要大很多，整體葉盤、機(jī)匣等零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與材料特性的耦合結(jié)果更增加了零件加工的難度。通過技術(shù)攻關(guān)，在阻燃鈦合金機(jī)匣、600 ℃ 高溫鈦合金整體葉盤、Ti3Al 合金靜子內(nèi)環(huán)及TiAl 合金葉片等零件的加工技術(shù)方面取得了重要進(jìn)展。

圖9 TB12 阻燃鈦合金機(jī)匣零件照片

Fig. 9 Photo of TB12 fireproof titanium alloy compressor case

以TB12 阻燃鈦合金機(jī)匣零件（ 圖9） 為例，該零件屬于薄壁類環(huán)形件，機(jī)匣外型面有帶孔的圓柱凸臺，為異形結(jié)構(gòu)，在粗車和粗銑時(shí)需要盡量多去余量，提高加工效率，同時(shí)還必須保證零件足夠的剛性； TB12鈦合金的機(jī)械加工性能較差，切削和銑削加工表面硬化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，需要大的切削加工力，大切削力加工與剛性保證需求也是一對矛盾，在制定機(jī)匣零件加工工藝時(shí)這些方面都是重點(diǎn)考慮的。

2 未來需要重點(diǎn)關(guān)注的幾個(gè)問題

2. 1 含W 元素的高溫鈦合金鑄錠制備。從合金化的角度，應(yīng)重視高熔點(diǎn)元素的加入方式和中間合金的質(zhì)量。新型高溫鈦合金及Ti-Al 系金屬間化合物合金的合金化程度較高，且含有Nb、Ta、W 等高熔點(diǎn)元素，高熔點(diǎn)夾雜是需要嚴(yán)格控制的冶金缺陷，尤其對于熔點(diǎn)超過3 400 ℃的W 元素，更應(yīng)引起重視。目前國內(nèi)針對航空發(fā)動機(jī)長期使用正在開展研究的含W 高溫鈦合金主要有TC25G 和Ti65 鈦合金，同時(shí)針對航天產(chǎn)品高溫短時(shí)應(yīng)用的含W 鈦合金一些專利中也有所報(bào)道，解決好W 元素的添加問題，對于進(jìn)一步提升高溫鈦合金的熱強(qiáng)性能，突破600 ℃“熱障”溫度具有重要意義。

2. 2 高溫鈦合金鑄錠的純凈化制備制備。高純凈鈦合金鑄錠也是重要的發(fā)展方向。應(yīng)重視高溫鈦合金中Fe、O 等雜質(zhì)元素含量的控制問題，尤其針對整體葉盤、離心葉輪等轉(zhuǎn)動部件應(yīng)用的高溫鈦合金材料應(yīng)嚴(yán)格控制Fe 元素含量。

2. 3 大規(guī)格棒材組織的精細(xì)化控制。新型高溫鈦合金典型件制備用棒材的技術(shù)要求與鍛件的技術(shù)要求基本相當(dāng)，以保證大規(guī)格棒材可以直接用于鍛件制坯，而不需要進(jìn)一步改鍛。目前對鈦合金棒材的組織控制主要是對組織類型提出要求，沒有細(xì)致到對宏觀和微觀織構(gòu)的控制，往往大規(guī)格棒材中α 晶團(tuán)的明顯取向會遺傳到鍛件中。近α 型高溫鈦合金的保載疲勞敏感性與微織構(gòu)有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，因此對于整體葉盤鍛件用高溫鈦合金大規(guī)格棒材在制備工藝控制上應(yīng)體現(xiàn)出對宏觀和微觀織構(gòu)的控制措施。

2. 4 大規(guī)格棒材擠壓。隨著我國大型擠壓設(shè)備配套工裝的完善和應(yīng)用技術(shù)的提升，阻燃鈦合金工業(yè)鑄錠包套擠壓開坯工藝仍有優(yōu)化的空間。前期研究工作中，為配合大規(guī)格擠壓筒所采用的厚壁包套結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化成薄壁包套結(jié)構(gòu)，也可嘗試無包套擠壓開坯技術(shù)，進(jìn)一步提高擠壓開坯的工藝可控性，提高擠壓棒材質(zhì)量并降低擠壓成本。

2. 5 低殘余應(yīng)力的大型鍛件制備技術(shù)。鍛件殘余應(yīng)力水平低，對保證大型復(fù)雜零件完整性加工和變形控制非常有意義，對轉(zhuǎn)動件的長壽命服役也很關(guān)鍵。在高溫鈦合金及Ti-Al 系金屬間化合物合金大型鍛件制備技術(shù)研究中，重點(diǎn)開展了微觀組織與力學(xué)性能的關(guān)系以及工藝控制研究，而對鍛件的低殘余應(yīng)力制坯和成形技術(shù)也需要給予充分重視，逐步建立和完善鍛件殘余應(yīng)力監(jiān)控手段和技術(shù)。

2. 6 雙性能和雙合金整體葉盤的過渡區(qū)控制。采用分區(qū)控溫?zé)崽幚砘蚍謪^(qū)控溫鍛造制備雙性能整體葉盤在工藝上是能夠?qū)崿F(xiàn)的，但具體到雙性能整體葉盤鍛件綜合性能的控制還有很多細(xì)節(jié)需要關(guān)注，例如2 種組織類型的選擇，過渡區(qū)設(shè)計(jì)在哪個(gè)部位，過渡區(qū)部位的精確按需控制，過渡區(qū)組織對性能的影響等。雙合金整體葉盤制造過程同樣也面臨上述問題。

2. 7 Ti-Al 系金屬間化合物合金鍛件強(qiáng)韌化。Ti-Al 系金屬間化合物合金復(fù)雜的相變過程為鍛件組織性能調(diào)控提供了空間，需加強(qiáng)Ti3Al、Ti2AlNb合金大型結(jié)構(gòu)件強(qiáng)韌化熱機(jī)械處理技術(shù)研究。

3 結(jié)語

近十年來，先進(jìn)高溫鈦合金和Ti-Al 系金屬間化合物合金材料與制備技術(shù)得到快速發(fā)展。突破了高合金化600 ℃高溫鈦合金、Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金和Ti3Al 合金等3 t 級工業(yè)鑄錠的均勻化制備，阻燃鈦合金3 t 級鑄錠包套擠壓開坯，TiAl 合金擠壓棒材制備，600 ℃高溫鈦合金整體葉盤、阻燃鈦合金機(jī)匣的鍛件制備及其零件加工等制造技術(shù)。這些關(guān)鍵技術(shù)的突破，標(biāo)志著我國航空發(fā)動機(jī)用高溫鈦合金及Ti-Al 系金屬間化合物合金等關(guān)鍵材料已經(jīng)基本完成由實(shí)驗(yàn)室研究階段向工程化應(yīng)用研究階段的跨越。

未來針對航空發(fā)動機(jī)典型應(yīng)用，需要進(jìn)一步大力開展制造技術(shù)的創(chuàng)新優(yōu)化研究和工藝穩(wěn)定性控制技術(shù)研究，提升我國新型高溫鈦合金及Ti-Al 系金屬間化合物合金的應(yīng)用技術(shù)水平，滿足和推動高性能航空發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展。請加微信公眾號：工業(yè)智能化(robotinfo) 馬云都在關(guān)注

鈦及鈦合金新工藝、新技術(shù)、新用途介紹

來源：材料科學(xué)與工程網(wǎng)

1、鈦及鈦合金性質(zhì)簡介

1.1 鈦簡介：

鈦是一種新型材料，具有密度小、比強(qiáng)度高、耐熱和抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。它的重量僅有鐵的一半，但是其力學(xué)性能例如錘擊、拉延等卻和銅不分上下。一般來講隨著溫度的降低，金屬的抗擊打性能會下降，但是鈦卻恰恰相反，溫度越低，鈦會變得越來越堅(jiān)硬，并且在達(dá)到臨界溫度時(shí)會出現(xiàn)超導(dǎo)的現(xiàn)象。

1.2 鈦合金簡介：

鈦合金和鈦在某種程度上性質(zhì)類似，具有密度小強(qiáng)度高的特點(diǎn)，此外其機(jī)械性能十分優(yōu)異，抗腐蝕能力較強(qiáng)。而且其熱強(qiáng)度高，明顯優(yōu)于鋁合金，同時(shí)在低溫和超低溫下其力學(xué)性能變化不大。

2、鈦的新工藝、新技術(shù)及新用途

2.1 鈦的制備方法

雖然鈦在自然界中含量相對豐富，但是因?yàn)槠浯嬖诜稚ⅲ译y以提取，所以鈦也是一種稀有金屬。目前來說鈦的制備一共分為兩大類 ：熱還原法和熔鹽電解法。

(1)熱還原法制備鈦

熱還原法是在一定溫度下，利用Li、Na、Mg、Ca及其氫化物等強(qiáng)還原劑，把鈦從鈦的化合物如TiCl 4 、TiO 2 、K 2 TiF 6 等中還原出來。根據(jù)鈦化合物的不同，可將熱還原法制備鈦的技術(shù)分為三大類 ：

①鈦的氯化物的氧化還原法，如Kroll法、Hunter法、Armstrong法和EMR法等 ;

②鈦的氧化物的氧化還原法，如OS法、PRP工藝、MHR法等 ;

③鈦酸鹽的氧化還原法。

目前只有Kroll法和Hunter法能夠成功應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。Kroll法是利用金屬鎂將氯化物中的鈦置換出來，Hunter法是利用金屬鈉將氯化物中的鈦置換出來。此外，美國芝加哥國際鈦粉公司開發(fā)的Armstrong法，其制備方法類似于Hunter法，也是利用還原劑鈉對金屬鈦進(jìn)行提純。美國已經(jīng)開始利用這一方法進(jìn)行工廠里面的預(yù)生產(chǎn)。

(2)熔鹽電解法制備鈦

1959年，Kroll預(yù)言在未來5-10年內(nèi)熔鹽電解將會取代Kroll法成為生產(chǎn)鈦的主流方法。多年來國內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)室總共開發(fā)了十幾種熔鹽電解法制備鈦的新技術(shù)，它們按原料可分為以下三類 ：①鈦酸鹽的電解法 ;②鈦的氯化物的電解法 ;③鈦的氧化物的電解法，包括有FFC劍橋法、MER工藝、USTB法、QIT工藝、SOM法和離子液體電解法等。

2.2 鈦的新用途

從20世紀(jì)40年代以來，鈦的用途發(fā)展很快，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、艦艇、軍工、醫(yī)療以及石油化工等領(lǐng)域。最新的研究中發(fā)現(xiàn)，人體中含有一定的鈦元素，鈦元素會刺激吞噬細(xì)胞，可以加強(qiáng)免疫作用，因此不少實(shí)驗(yàn)室正致力于生物鈦的開發(fā)和應(yīng)用。

3、鈦合金的新工藝、新技術(shù)及新用途

3.1 鈦合金的制備方法

鈦合金傳統(tǒng)的加工一般采用熔煉和鑄造技術(shù)，最新的加工技術(shù)分為以下幾種：

(1)近凈成型技術(shù) ;

(2)線摩擦焊接技術(shù) ;

(3)超塑性成型技術(shù) ;

(4)材料制備及加工過程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)。

近凈成型技術(shù)包括激光成型、精密鑄造、精密模鍛、粉末冶金、噴射成型等方法。粉末冶金法是利用鈦粉或鈦合金粉作為原料，經(jīng)過成型和燒結(jié)，從而制造鈦零部件的新工藝。首先是生產(chǎn)粉末，一般采用機(jī)械合金化的方法，利用球磨機(jī)對原料進(jìn)行強(qiáng)烈的撞擊、研磨和攪拌。然后對已經(jīng)形成粉末的合金進(jìn)行壓制成型，有兩種壓制方法，分別是加壓成型和無壓成型。這一步的目的是為了制得一定形狀和尺寸的壓胚，并且使其具有一定的密度和強(qiáng)度。然后在對制成的胚料進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，利用上、下模沖及通電電極將特定燒結(jié)電源和壓制壓力施加于燒結(jié)粉末，經(jīng)放電活化、熱塑變形和冷卻完成制取高性能鈦材料。然后對經(jīng)過等離子燒結(jié)的鈦合金進(jìn)行后續(xù)的處理，一般是熱處理或者塑性加工。

3.2 鈦合金的新用途

鈦合金早期廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，主要用在制作飛機(jī)發(fā)動機(jī)或者氣壓部件。后來隨著技術(shù)的不斷深入發(fā)展，鈦合金已經(jīng)進(jìn)入尋常百姓的生活中，在工廠或者家用器件上也有鈦合金的身影?，F(xiàn)在個(gè)國家和機(jī)構(gòu)都在爭相研制新的鈦合金，使其具有低成本高性能的特點(diǎn)，近些年鈦合金的新發(fā)展主要集中在以下五個(gè)方面。

(1)醫(yī)用鈦合金

鈦合金密度小且生物相容性好，是理想的醫(yī)用材料，甚至可以植入人體，以前在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的鈦合金含有釩和鋁，會對人體造成危害。但是在近期，日本學(xué)者已經(jīng)開發(fā)出了新型鈦合金，具有良好的生物相容性，但是目前這種合金尚未大批量生產(chǎn)，相信在不久的將來，此類優(yōu)質(zhì)合金能夠廣泛的應(yīng)用于日常生活中。

(2)阻燃鈦合金

在一定壓力、溫度和空氣流速下能夠抗燃燒的鈦基合金是阻然鈦合金。美國，俄羅斯和中國都相繼研發(fā)出了新的阻然鈦合金，其中美國將這些阻然鈦合金應(yīng)用在發(fā)動機(jī)上，因?yàn)檫@些鈦合金對燃燒不敏感，所以可以大大提高發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性。

(3)高強(qiáng)高韌β型

β型鈦合金具有強(qiáng)度高，焊接性好，冷熱加工性能優(yōu)良的特點(diǎn)。研究人員利用這一規(guī)律，制備出的β型鈦合金的特點(diǎn)十分明顯 ：靈熱加工性能良好，塑性好，焊接性能好。且通過固溶——時(shí)效處理之后其機(jī)械性能有較大提高。目前日本和俄羅斯均制備出了此類鈦合金。

(4)鈦鋁化合物

鈦鋁化合物相比一般的鈦合金來講具有高溫性能好，抗氧化抗蠕變性能好，且密度小于一般的鈦合金。這些優(yōu)異的特點(diǎn)注定了鈦鋁化合物會掀起新的合金熱潮。目前美國已經(jīng)合成了這種新的鈦鋁化合物合金，并且正在批量生產(chǎn)之中。

(5)高溫鈦合金

將快速凝固方法和粉末冶金法相結(jié)合，利用纖維或顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料制備出來的鈦合金具有優(yōu)異的高溫力學(xué)特征。高溫鈦合金的使用溫度極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通鈦合金。目前美國已經(jīng)制備出了新型高溫鈦合金。

(6)鈦鎳合金

鈦和鎳組成的合金，被成為“記憶合金”，這種合金制成預(yù)先確定的形狀，再經(jīng)定型處理后，若受外力變形，只要稍微加熱便可恢復(fù)原來的面貌。這種合金可用于儀器儀表、電子裝置等各種領(lǐng)域。

4、結(jié)語

鈦擁有許多金屬無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，隨著社會的進(jìn)步、科技的發(fā)展，鈦及鈦合金的應(yīng)用將更加廣泛，人類對鈦和鈦合金的需求將日益增大，而生產(chǎn)成本高是限制鈦及鈦合金推廣使用的主要原因之一。因此，開發(fā)與應(yīng)用低成本、大規(guī)模及生態(tài)環(huán)保的連續(xù)化生產(chǎn)工藝，才能使鈦及鈦合金得到更加廣泛的應(yīng)用。

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