先进航空钛合金材料研究进展_张安.pdf

科技与创新Science and Technology&Innovation902023 年 第 13 期文章编号：2095-6835（2023）13-0090-03先进航空钛合金材料研究进展张 安，张元东，刘秀良，车安达，马思琴，张 力（江西景航航空锻铸有限公司，江西 景德镇 333000）摘要：钛合金具有比强度高、密度低、耐腐蚀和工艺性能好等特点，被广泛应用于航空航天领域的结构材料中，是飞机结构件的重要组成部分。为探究先进钛合金材料的性能以及在航空领域的应用前景，综述了航空用先进钛合金材料的研究进展。从应用广泛的五大钛合金材料（高温钛合金、高强韧钛合金、低温钛合金、阻燃钛合金、特殊功能钛合金）出发阐述高性能钛合金的应用与研究概况，讨论目前研究存在的问题，分析了先进航空钛合金材料未来所面临的机遇和挑战。关键词：钛合金；航空应用；高性能；研究进展中图分类号：TG146.23文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.13.025以钛元素为基体，在其中加入其他元素的材料被称为钛合金。钛合金作为一种新型结构材料，被赋予优异的综合性能，如抗裂纹扩展和疲劳强度良好、比强度高和断裂韧性好、低温韧性和优异的耐腐蚀性。其中，部分钛合金的最高工作温度可达 550，预计未来有望达到 700，因此，钛合金在航空、航天、化工、造船和其他工业部门被广泛应用。中国的钛工业始于国家第一个五年计划，即 1954 年。在过去的几十年中，中国钛工业经历了 3 个重要的发展阶段：初创期（19541978 年）、增长期（19792000 年）和崛起期（2001 年至今）1。崛起期是中国成为世界主要钛产业的腾飞期，钛工业水平显著提高，科研生产呈现蓬勃发展态势；钛产量逐年大幅增长，2009 年，中国 27 家钛锭生产企业的钛锭总产量为 6.65 万 t，30 家钛加工材料生产企业的钛合金产品总产量为4.95 万 t，远远超过美国等其他钛工业国家。但从应用领域来看，中国钛工业主要生产一般工业用钛及钛合金产品。2010 年以前，航空钛合金的需求仅占中国钛总需求的 9.7%2。近年来，中国的大型飞机、空间站和月球探测项目将产生大量的航空航天钛合金需求，特别是在大型飞机项目中，航空航天钛合金的应用将逐步增加。航空行业重大项目的启动，对中国的钛工业来说既是机遇也是挑战3。根据这种发展趋势，国家正大力推动高性能航空用钛合金的研发与大规模制造，虽然钛合金在其使用环境下也获得了不错的效益，但仍有不少项目在工程化应用方面难以解决，如高钛复合材料所具有的“热障”性温度、高强韧钛合金也无法同时获得较大的热强性和良好的断裂韧性、钛合金在低温下也无法做到更多的热塑性、传统钛合金阻燃性机理研究并不清晰、特殊性能钛复合材料驱动困难等。为打破传统钛合金因技术缺陷所带来的弊端，必须研究传统钛合金在不同使用环境下的组成、构造及其对工程技术机械性能的影响。本文对钛合金在航天领域的应用状况加以总结，并针对目前面临的技术问题作出了多维度剖析，对未来的发展趋势进行了预测，并提出相关的研发要点。1航空钛合金材料的应用与研究1.1高温钛合金高温钛合金的发展为航空燃气轮机推重比的研究作出了巨大贡献。美国科学家在 1954 年成功研发出使用高温达到 350 的+两相型高温钛合金，在航空领域得到了广泛的应用。之后，在航空科技进一步发展的指引下，具有更高使用温度、更长使用寿命的高温钛合金被世界各国相继研究。目前，英国的 IMI834、美国的 Ti-1100、俄罗斯的 BT18Y 和 BT36 等高温钛合金可稳定应用于 600 以上，在 T55-712 及 Trent700等航空发动机上被成功应用4。目前为止，由于在600 以上钛合金材料的热强性和热稳定性仍然是一个很重要的问题，因此目前对于研发温度在 600 以上并正常使用的航空发动机用钛合金仍然面临着很大的问题和挑战，严重制约着高温钛合金的发展。尽管其实际应用中高温很难突破 600 以上，但有关研发并没有终止，重点基本上是聚焦在如下五大领域5-9：调整平衡元素的质量分数，提升合金高热抗拉硬度。Si 在钛合金中作为共析型相稳定元素，尽管它的掺入能够提升其抵抗高温蠕变的能力，但由于其自身具有脆性及相变过程中有硅化物析出，影响Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 13 期91了合金的高温稳定性和室温延伸性。增加稀土金属，增强合金的热稳定性。稀土金属的作用是通过去氧作用净化钛合金基体，或弥散析出高熔点的稀土氧化物，生成位错环来增强金属基体、抑制2等高脆性相的析出和生长，提高钛合金的热稳定性。高温钛合金在长时间热裸露下，会降低其抗氧化性能。因此研发高温抗氧化涂料，进一步提高合金表层抗氧化性能是一个研究思路。目前，大多数研究成果都聚焦于对600 以上高温钛合金的微观组成演变和热力学性能上。因此，许多研究者提出改进热加工工艺，以精确控制在更高温度下合金的组织特性。细小而弥散分布的硅化物，可进一步提高合金性能强度和高抗稳定蠕变特性。在钛合金 Si 元素常以固溶状态和弥散析出的硅化物形式出现，这能有效阻碍位错运动，从而使得高温稳定性和蠕变抗性增强。但当 Si 元素的质量分数大于 0.4%时，在高温下粗大脆性相硅化物会大大降低合金的热稳定性。1.2高强韧钛合金高强韧钛合金一般指室温下最大抗拉强度在1 000 MPa 以上，最大断裂韧度在 55 MPam1/2以上的钛合金，大多用于航空宇航设备的结构件上，不仅能够降低机体自重，而且还能适应更高载荷部件的应用条件。高强度的钛合金主要有 2 种：一种是以Ti-6-22-22S（Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si）与 TC21（Ti-6Al-2Sn-2Zr-3Mo-2Nb-1Cr-0.2Si）为代表的/钛合金，使用强度在 1 100 MPa 左右，断裂韧度约70 MPam1/2；另一种是以 Ti-10-2-3（Ti-10V-2Fe-3Al）与 Ti-5553（Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-0.5Fe）为代表的钛合金，即通常所说的高强钛合金，其使用强度为 1 1001 250 MPa，断裂韧度 5080 MPam1/2。钛合金的命名源于其成分中存在的大量相稳定元素，它可以增加的相区并减少相转化温度。这种元件一般分为同晶态和共析型 2 种。同结晶型相稳定元素一般包含 V、Mo、Nb、Ta 等，并且在相中具有较大的固溶度，具有强化效果，同样也大大降低了合金的相转变温度；共析型相稳定元素一般包含 Cr、Mn、Fe、Si 等，并且在较高热时具有相当大的固溶度，经缓冷或时效后析出相及其对应的有序相，如 TiCr2。选用不同的合金化元素和热加工工艺参数，可对钛合金的显微组织结构加以调整，以便于达到最理想的硬度、弹性和疲劳特性的组合。进入 20 世纪 60 年代以后，为提高性能，各种针对压力容器、导弹发动机等军用需要的钛合 金 逐 渐 问 世，其 中 最 为 成 熟 的 是 B-120VCA（Ti-13V-11Cr-3Al）。该合金拥有较多的同晶元素 V和高共析金属 Cr，经固溶时效后可达到更高的金属硬度，已被大量运用在 SR-71 黑鸟侦察机的机身结构中，主要涉及蒙皮、框、梁、隔板、机翼、起落架、紧固件等部位。目前，在宇航领域中使用得最为普遍的 5 种高强度钛合金，包括 Ti-10-2-3、Ti-5553、Ti-15-3、-C、-21S。其他新研发的主要钛合金（如-CEZ、-、-LCB）多选择 Fe 作为稳定元素，其目的是减少材料生产成本，但仍无法撼动上述 5 种主要钛合金在航空市场中的巨大影响力。1.3低温钛合金近年来，低温钛合金作为航空低温服役零件领域的重要工程材料而备受瞩目。OT4、OT4-1、BT5-1KT和T-3BKT 等钛合金是苏联在早年研发的，现已被大量应用于航天火箭装备中。但中国对低温下大量使用的技术探索开始相对较晚，目前，低温下大量使用的 CT77 材料被中国优先研制出来，其塑脆的转变温度为196.15，且低温成型和加热成形特性优异。目前人们一般相信在一定温度下型钛合金的塑性并不好，而研究则大多集中在低温型钛合金和+等类型中，不过因为硬度在和+类的钛合金中偏低，限制了其使用范围，以至于无法很好地满足用户对叶轮等高速度旋转工件特性的需求。因此，研制综合性能比较突出的低温钛合金材料和热成型加工方法是未来中国国内先进航空航天装备的重大发展需求。1.4阻燃钛合金航空发动机中钛合金零件的热系数较低，燃烧热高，在高速碰撞和热粒子冲击下易产生“钛火”。钛合金的自燃速度快，通常在 420 s，这也就是说自燃反应一经发生就很难停止，会带来很大的经济损失。为了将“钛火”这一难点攻克，阻燃钛合金的设计和研制显得尤为重要。目前 Ti-V-Cr 和 Ti-Cu 两个不同阻燃机理的钛合金相继被中国研制。在中国研究出具有优异常温塑性的 Ti40 合金，但由于高温塑性能力偏低，使得该合金在高温状态时，形成易破裂的奥氏体，导致晶界金属间流动较困难，且容易破裂，热加工也较难。TF550 阻燃钛合金是对 Si、C 等成分含量调整而研制的，与 Ti40 阻燃钛合金相比较，虽然 TF550 的使用温度仅仅增加了不到 50，但在其最高使用温度下（550）仍具备很好的蠕变和持久特性。虽然 TF550具有密度和成本方面的劣势，但其高热特性仍具有优势。1.5特殊功能钛合金自适应锯齿喷嘴是最有前途的概念之一，有助于科技与创新Science and Technology&Innovation922023 年 第 13 期降低航空发动机产生的噪声。在喷嘴出口处，锯齿状突起进入射流，并与周围环境空气混合。这种喷嘴的设计方案之一，是利用形状记忆钛合金作为驱动机构。形状记忆体合金是一类金属合金，在适当的温度或应力变化下发生固-固相转变，在此过程中可以恢复表面上的永久应变。这类合金包括 NiTi、NiTiCu 和许多其他金属合金体系。形状记忆合金的相变是独特的，因为这种相变伴随着大的可恢复应变，当材料单元受到足够的约束时，有可能导致显著的应力。这种应变称为转变应变，是标准热弹性应变之外的另一种应变。在航空航天工业中，噪声污染的控制已变得越来越重要。航空发动机噪声的产生和辐射是一个极其复杂的问题。近年来，降低噪声已成为下一代推进系统的主要要求。发动机制造商一直在研究减少燃气涡轮发动机产生噪声的方法。在传统的燃气涡轮发动机中，发动机出口处的喷射气流的速度要比周围空气的速度快得多。两股气流之间的切变产生了噪声。锯齿形喷嘴的概念已被设计来适应固定的锯齿。在喷嘴出口，突出加强了两种气流之间的混合，从而降低了噪声。然而，突出的出口气流也会产生阻力，降低效率，并对发动机的性能造成损害。这种性能惩罚存在于所有条件下，而只需要在起飞和爬升阶段降低噪声便会将对人类生活的危害降到最低。一个更理想的选择是集成一个自适应控制系统，这样锯齿只会在需要时展开。与固定锯齿形喷嘴相比，自适应锯齿形喷嘴可以产生大量的燃油节省，特别是对长途、越洋飞机。对于自适应锯齿形喷嘴的广泛应用还需研究者进一步的探索。2结束语高温技术的革命性发展带动了钛合金在航空航天技术领域的进步。钛合金的工作温度已经由过去的350 提高到了 600，但它目前仍然无法在 600 以下安全服役，需要重新设计出更为合理的高温钛合金成分，更加优化的特殊热加工和表面热处理工艺，并与高温抗氧化镀膜等表面处理工艺良好的融合，才能更好地在航空航天发动机中进行应用。尽管目前高强钛合金仅占飞机合金总体用量的比例很少，但它适应了高比强度、耐腐蚀性能、良好成形性能的飞机特殊构造的需要，并不断在降低质量方面起到重大影响。新型高强钛合金的研究和应用依赖于现有合金特性的提高和生产成本的下降，这不仅仅是科学技术问题，而且是经济效益问题。目前及含有少量的钛合金存在硬度低和加工性能差等问题，很大程度上不能满足航空航天发展的需要。因此，开发可保障低温性能的高强韧富型钛合金是未来发展的主要趋势。尽管国内外对阻燃钛合金的相关分析已经有了一些进步。但在产业化使用上，高性能阻燃钛合金的工艺特性及其更为详细的阻燃原理，还需要更深入的研究与探讨。形状记忆自适应锯齿形喷嘴是新一代燃气涡轮发动机降噪研究的热点之一。然而，只有解决了诸如单片高温和低温驱动的制造以及连接它们的能力等问题，这种优势才能得到利用。后者是实现自适应锯齿形喷嘴概念的最大风险因素，并强调还需要更多的研究。参考文献：1黄旭，李臻熙，高帆.航空发动机用新型高温钛合金研究进展J.航空制造技术，2014，451（7）：70-75.2蔡建明，李臻熙，马济民.航空发动机用 600 高温钛合金的研究与发展J.材料导报，2005，19（1）：50-53.3刘莹莹，陈子勇，金头男.600 高温钛合金发展现状与展望J.材料导报，2018，32（11）：1863-1869，1883.4陈子勇，刘莹莹，靳艳芳.航空发动机用耐 650 高温钛合金研究现状与进展J.航空制造技术，2019，62（19）：22-30.5李旭升，辛社伟，毛小南.钛合金氧化行为研究进展J.钛工业进展，2014，31（3）：7-13.6GUO R，LIU B，XU R，et al.Microstructure and mechanicalproperties of powder metallurgy high temperature 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