先进高温钛合金材料研究进展

先进航空发动机朝着高涡轮前温度、高推重比、长寿命和低油耗方向发展,除了先进的设计技术,发动机性能的提高强烈依赖于先进材料及制造技术的发展,发动机的关键件和重要件亟需耐高温、高比强度、高比模量、抗氧化和阻燃的新材料。随着使用温度的升高,材料的高温性能尤其是蠕变性能显得越来越重要。先进材料及制造技术保障了新材料制件及新型结构的实现,使发动机的质量不断减轻,发动机的工作效率、使用寿命、稳定性和可靠性不断提高。钛合金材料在发动机400℃以下低温段的应用受到密度更小的树脂基复合材料的竞争,而普通钛合金材料600℃以上的蠕变、持久、组织稳定性、抗氧化等性能已无法胜任发动机的使用要求 。与镍基高温合金相比,600℃高温钛合金、Ti-Al系金属间化合物、SiC纤维增强钛基复合材料(SiCf/Ti)在500~850℃温度区间的比强度、比蠕变强度和比疲劳强度方面有明显优势,在保持相同服役使用性能的情况下,以钛代镍可减重40%以上,这对提高发动机的推重比和使用性能效果显著,这些新材料与整体叶盘、整体叶环等轻量化结构相结合,有望应用于新一代发动机高压压气机和低压涡轮部件。在Ti-Al系金属间化合物家族中,与Ti3Al和Ti2AlNb合金相比,TiAl合金以其显著的低密度、高比模量、高蠕变抗力、阻燃等优势,成为发动机高温结构应用最有潜力的材料之一。钛火一直是影响发动机安全可靠使用的重大隐患,其发生往往是无征兆的,且在短时间内发生,来不及采取有效控制措施。发动机钛火问题直接推动了阻燃钛合金的研究与发展。

随着600℃高温钛合金、阻燃钛合金、TiAl合金、SiCf/Ti复合材料这类新材料研究工作的不断深入,技术成熟度得以提升,逐步积累工程化生产和应用经验,研制的典型件在新型发动机上进行了强度考核和装机试用,成为发动机新材料应用领域的新力军。600℃高温钛合金适用于工作温度为500~600℃的高压压气机整体叶盘、机匣等;阻燃钛合金适用于高压压气机机匣、叶片等;TiAl合金适用于工作温度在700~850℃的高压压气机叶片、涡轮叶片等;SiCf/Ti钛基复合材料适用于高压压气机整体叶环。

虽然600℃高温钛合金、阻燃钛合金、TiAl合金、SiCf/Ti复合材料在某一项性能方面具有独特优势,但并非十全十美,在某些方面还存在明显不足,如TiAl合金低的室温塑性和韧性、较差的制造加工工艺性能以及高昂的成本等。因此,在进行选材和制定工艺时,应针对具体零部件的使用性能要求,综合协调力学性能、工艺性能、生产成本等因素,遵循先进科学的设计准则如损伤容限设计、可靠度设计、概率寿命设计等,改进和提高材料性能,避免出现严重影响使用的短板,兼顾结构强度设计、材料研究和部件制造工艺技术,相互推动,促进设计、材料、应用三者的有机融合[4] 。本文综述近年来我国在先进高温钛合金材料及应用技术等方面的研究进展及取得的成果,并提出材料及构件设计、加工和使用亟待突破的关键技术及其工程应用需要开展的研究工作。

根据在发动机上的设计使用特点,先进高温钛合金系列材料研究的目标始终是致力于提高长时使用温度,即提高热强性,同时须具有良好的热动力学稳定性,即保证部件在设计使用寿命期内保持持续的物理和力学性能。发动机高温段工作的盘、叶片、整体叶盘、整体叶环等转动件,要求材料在高温服役环境下具有足够的蠕变抗力、高低周疲劳强度、组织稳定性及抗氧化能力,防止过量的蠕变变形和足够高的疲劳强度是设计关键。此外,对于整体叶盘和整体叶环零件,控制气动力诱发的叶片振动很重要。在400℃以下,普通钛合金具有足够的蠕变抗力,使用过程中一般为疲劳破坏为主的失效模式;而在400℃以上,随着使用温度的提高,蠕变性能愈来愈成为制约钛合金使用性能和使用寿命的关键因素。同时,应考虑高温环境下材料的蠕变与疲劳、环境的交互作用,以及过量的蠕变变形会造成叶片与机匣间的非正常摩擦引起的钛火问题。

我国航空发动机在役和在研的主要高温钛合金如表1所示。随年代的推进,高温钛合金的使用温度呈不断提高的发展趋势,现役发动机上使用的钛合金主要有TC4,TC11,TC17和TA11等,用于发动机风扇和压气机低温段工作的叶片、盘、机匣等零件。20世纪90年代研制的550℃高温钛合金TA12,工程化时遇到较大的技术问题,后经成分优化,去除了稀土元素Nd,重新命名为TA32。Ti3Al基金属间化合物合金TD2和TD3,其机匣典型件通过了强度考核试验,尚未获得实际工程应用。近年来,随着先进发动机对高温钛合金的迫切需求,600℃高温钛合金、阻燃钛合金、TiAl合金和SiCf/Ti复合材料成为新型高温钛合金的发展重点。

表1我国航空发动机在役和在研的主要高温钛合金

Table1Principalhightemperaturetitaniumalloysinserviceandindevelopingforaero-engineinChina

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

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