材料力学高温钛合金的发展和应用（稀有金属研究论文）

第32卷第6期Vo1．32№．6稀有金属CHINESEJOURNALOFRAREMETALS2008年12月Dec．2008高温钛合金的发展和应用许国栋，王凤娥(北京有色金属研究总院，北京100088)摘要：本文介绍了国际上高温钛合金的发展和研究现状，涉及的主要钛合金有：美国的Ti一64，Ti．6246，Ti．1100合金；英国的IMI系列钛合金；俄罗斯的BT8，BT9，BT18，BT36和我国自行研制的Ti一60，Ti．600合金等。讨论了这些合金的化学成分、主要特性及应用情况，总结了高温钛合金的发展方向和一般规律，得出结构：各国发展高温钛合金的方向基本一致，从合金体系来说，Ti．Al—Sn．Zr．Mo—Si系近a钛合金在高温钛合金中占主导地位；Si元素几乎是高温钛合金中必不可少的重要元素；Nb，Y，Ce，Nd等稀土元素可提高合金的抗氧化性能，正得到越来越广泛的应用。关键词：高温钛合金；热强性；热稳定性；稀土元素；合金元素中图分类号：TG146文献标识码：A文章编号：0258—7076(2008)06—0774—07钛及钛合金具有密度小、强度高、耐腐蚀、耐高温、耐低温、非磁性、线胀系数小等许多优点，被人们称为“现代金属”、“太空金属”等。它们不仅在航空航天、舰船制造、石油化工、海洋工程、建筑装饰等领域被用作结构材料、耐热材料、耐蚀材料，而且在超导材料、形状记忆材料、吸气储氢材料等领域中也引起人们越来越多的关注，钛也将成为人类使用量越来越大的第三金属。从2004年起，受国际航空市场回暖等因素的影响，海绵钛的产量迅猛增长，国际海绵钛的产量从2005年的10．795万吨增加到2006年的13．08万吨，增幅达21．2％；2007年世界海绵钛的产量超过15万吨，创历史的最高 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 ⋯。尽管随着经济和社会的发展，钛及钛合金的应用领域越来越广阔，使用量也越来越大，但至今钛合金最重要的应用，仍是在航空航天领域作为高温钛合金被发动机选用。在高性能航空发动机发展的引领下，高温钛合金的使用温度进一步提高，已经由20世纪50年代的400oC提高到本世纪初的600oC。目前，限制高温钛合金发展的主要问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 是：蠕变抗力和高温抗氧化性随温度的升高而急剧下降，这两个因素已经成为发展600℃以上高温钛合金的瓶颈[2]。本文主要对美国、英国、俄罗收稿日期：2008—03—07；修订日期：2008—05—12作者简介：许国栋(1971一)，男，山东淄博人，硕士*通讯联系人(E-mail：xgd@nm．eom)斯和我国高温钛合金的发展进行综合评述，对研究现状和发展趋势进行一些探讨，并提出一些建议。l高温钛合金概况由于钛合金具有比强度高的突出特点，其发展一直受到世人的关注和重视。50多年来，高温钛合金的发展取得了巨大成就：抗拉强度从30o～400MPa提高到1100MPa，工作温度从300℃提高到600℃，从而在航空航天工业上的应用迅速增加，广泛应用于多种飞机及其发动机上。可以说，钛合金在现代飞机上的应用，已经成为航空工业发展的重要标志之一。表1列出了一些飞机上结构用钛合金的比例[3]，可以看出钛在其中发挥了重要作用。20世纪50年代以来，随着航空航天事业的发展，钛合金的使用温度逐步提高。表2列出了美国、英国、俄罗斯和我国的主要高温钛合金及其使用温度_4’。目前，高温钛合金的应用温度已达到600oC，国际先进的高温钛合金主要有：美国的Ti．6242S和Ti．1100，英国的IMI834，俄罗斯的BT36以及中国的Ti．60和Ti．600等合金。表3为在600使用的一些高温钛合金的成分及性能特点l6]。6期许国栋等高温钛合金的发展和应用775表1飞机的结构用材比例，(％，质量分数)Table1Massfractionofseveralmaterialsusedinaircraft2高温钛合金的发展高温钛合金是随着航空工业的发展而发展起来的，其研制工作始于2O世纪5O年代初，世界上第一个成功的高温钛合金是Ti．6A1．4V，使用温度为300～350oC，随后相继研制出IMI550，BT3．I等合金，使用温度稍有提高，达400oC左右；60年代，各国先后研制成功了IMI679，IMI685，Ti一6246，Ti．6242等合金，使用温度在450℃以上；70和80年代，各国又研制成功了IMI829，IMI834，Ti．1100，BT18，BT36等合金，使用温度达550—600oC；20世纪末及本世纪初，据报道有的钛合金使用温度已达650oC。可见，高温钛合金的发展是非常艰难的，平均每10年才能将使用温度提高6O7O℃表2高温钛合金的使用温度及化学成分Table2WorkingtemperatureandchemicalcompositionofsomehightemperaturetitaniumalloysCountriesAlloysAgeWorkingtemperature／~CChemicalcompositionA1SnZrMoNbSiOthersU．S．AEnglandRussiaChinaTi64Ti8l1Ti6246Ti6242Ti6242STill0oIMI550IMI679IMI685IMI829IMI834BT3—1BT8BT9BT18BT18YBI5BT25YBT36TC4TC6Ti811TC9Tc11Ti55Ti53311STi60Tj6001954l9611966l96719741988195619611969197619841957l95819581963197l19651979l9953oo4254504505206o0425450520580590400～45050050o～550550～6o0550～6oo500～5506866666265．55．56．56．56．586．56．86．56．26686．56．555．55．862222．721153．5422．52222．543．54．82．8841．743．61．5232416220．41O．5O．30．32．53．53．5O．60．724O．72．513．53．51110．50．10．45O．5O．20．250．3O．5O．30．20．3O．22O．25O．20．20．150．30．3O．3O．25O．30．350．44V1V0．O6C0．5Fe1．5Cr0．15Fe1．0W5W4V0．5Fe1．5Cr1VINd0．85Nd0．1Y44444534∞4∞∞卯∞∞如舶∞6344555566776稀有金属32卷表3典型高温钛合金的性能特点Table3Propertiesoftypicalhightemperaturetitaniumalloys我国高温钛合金的研制是从上世纪50年代末开始的，目前投入工业生产的有TC4(300cIC)，TC6(400℃)，Ti679(450cC)，TC9(5oooC)和TC11(500c【=)合金，并已在飞机发动机上得到了应用。“七五”和“八五”期间，研制了具有自己知识产权的550℃高温钛合金，热稳定性好，综合性能与英国IMI829合金相当。为满足推重比大于8～10的飞机发动机的需要，中科院金属所、北京有色金属研究总院、西北有色金属研究院、宝鸡有色金属加工厂、北京航空材料研究院等正在研制600～650℃使用的高温钛合金，已取得实质性进展，主要合金有Ti一55，Ti．60，Ti．600等。2．1美国高温钛合金的发展美国于1954年研制成功了国际上第一个高温钛合金Ti6A1．4V，奠定了高温钛合金研究的基础，后来的合金多数是在此基础上发展起来的。该合金可在300～350cI=下工作，由于兼具a+J3两相特征，因此，作为高温合金和结构合金，都得到了最广泛的应用。其中，美国的“阿波罗”飞船，“艾伯星”火箭，“大力神”“宇宙神”导弹和“发现者”“徘徊者”卫星等都应用了该合金n]。但随着使用条件的提高，Ti．64合金也逐渐暴露出了一些不足，主要有：耐热性不够好、淬透性不理想、冷加工性较差、制备工艺复杂等。20世纪60年代，开发了Mo含量较高的Ti．6246和Ti．6242合金，将使用温度提高到450℃左右。Ti一6246合金的l3稳定化程度进一步提高，固溶时效和双重退火后的低周疲劳强度明显高于相应的Ti．64合金，同时具有较高高温蠕变强度和瞬时强度。Ti．6242合金作为耐高温材料广泛应用于大型运输机的涡轮喷气发动机上。70年代，美国活性金属公司通过添加si元素，开发了使用温度超过500℃的rI'i．6242S合金，si的加入提高了合金的蠕变性能，其组织是转变B基体加等轴ft．相，通常a相的比例在80％以上。采用细化J3晶粒控制针状组织的方法，实现了合金疲劳强度和蠕变强度兼顾，使之在565oC下具有高强度、高刚度、抗蠕变和好的热稳定性，广泛应用于涡轮发动机部件。80年代初，发动机制造商对高温钛合金的抗蠕变性能提出了更高的要求，1988年，美国研究开发了钼含量较低的Ti．6A1．2．75Sn．4．0Zr一0．4Mo．0．45Si一0．070．0．02Fe合金，这就是Ti一1100合金。该合金在Ti．6242S合金成分的基础上，通过调整Al，Sn，Mo和si元素的含量，使其使用温度达到600℃[71。合金对杂质元素0和Fe含量的控制十分严格，要求0含量低于0．07％，Fe含量低于0．02％，其特点是具有较低的韧性和较大的疲劳裂纹扩展速率。据了解，Ti．1100合金已用于制造莱康明公司T552712改型发动机的高压压气机轮盘和低压涡轮叶片等零件l2』。2．2英国高温钛合金的发展英国是最早研究高温钛合金的国家之一，但在开发钛合金的指导思想上与美国不同，以a相固溶强化作为提高蠕变强度的主要手段，侧重于研究以提高蠕变强度为目标的近a型钛合金。由于认识到si元素对合金蠕变性能的重大影响，所以英国的高温钛合金几乎都是含si的。IMI550合金是英国于2O世纪50年代中期研制成功的，与同期的美国合金Ti．64相比，抗拉强度提高了10％，使用温度提高到400℃，Si元素的加入有效地提高了蠕变强度。至此，英国确立了开6期许国栋等高温钛合金的发展和应用777发高温钛合金的基础技术。60年代，为进一步提高蠕变强度，研制开发了IMI679和IMI685合金。两者均具有较低的Mo含量，IMI679含有11％Sn元素，这在高温钛合金中是不多见的，其使用温度为450oC，抗拉强度与Ti．6242合金相当，蠕变强度优于美国的Ti．64和Ti．811合金。IMI685合金是高Al、低Mo、中zr的近a型钛合金，合金通过控制针状组织来提高高温蠕变强度，使用温度在500℃以上，是一个专门为航空发动机 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的、同时具有良好蠕变性能、加工性能和焊接性能的合金。这些合金在英国Rolls．Royce公司制造的多种发动机上得到广泛应用。2O世纪70～80年代，英国研究开发了以改善疲劳强度为主的IMI829和IMI834合金，属于Ti—AI—Sn—Zr—Mo．Nb．Si合金系，IMI834还含有0．06％c。这样的成分使合金的抗氧化能力和蠕变性能大大提高，而且有效地细化了宏观和微观组织，工作温度可望达到近600℃。IMI829合金经l3处理的组织是针状a+少量转变8，使合金具有最好的抗蠕变性能和断裂韧性；IMI834合金是a+J3处理的近a合金，其组织是针状转变G+少量的初生a。试验证明：当组织为5％a相+95％针状转变l3时，合金具有高温蠕变性能和疲劳性能的最佳结合。两合金已分别在RB211535E4和Trent6002800，EJ200和PW350等发动机上得到了应用。另外，进一步提高这些合金的工作温度往往受到蠕变温度、组织稳定性和表面抗氧化能力的限制。美国冶金学家用0．5％～1％Ta(质量分数)代替IMI834合金中的Nb，称为IMI834．Ta。IMI834一Ta合金的高温性能与IMI834几乎相同，600oC时屈服强度达580MPa、蠕变性能高于IMI834_8j。2．3俄罗斯高温钛合金的发展BT3．1合金是俄罗斯早期最成熟和应用最广泛的合金，于1957年研制成功。合金中除了美、英合金常用的A1，Mo，Si元素外，还有Cr和Fe。这两种元素都是共析型j3稳定元素，能有效强化a和p相，并能提高中温强度和热强性。该合金可在400～450oC下工作，是俄罗斯高温钛合金的基础。为进一步提高耐热性，俄罗斯于1958年研制成功了BT8和BT9两个a+l3型马氏体合金。BT8是Ti．A1．Mo．Si系合金，在450500℃的热强性能优于BT3．i，在500℃时具有较好的热稳定性。因此，BT8合金可在不用保护层的情况下长时间工作。在a+J3两相钛合金中，BT9是500℃下热强性最好的合金，但其热稳定性不如BT8。最初的BT9合金是含sn的，后来以zr代sn，提高了合金的持久强度和蠕变强度。主要用于制造压气机零件，还可用于异形铸造。BT18和BT18Y是典型的近Q型钛合金。发展这类钛合金有两个途径：一是采用高含Al量、高合金化的合金作为热强合金的基础；二是靠含Al量在2．25％～6％之间的合金的综合合金化。这些合金中，与Al同时加入的有sn和zr，sn提高抗蠕变性能，并且有与a2Ti形成有序固溶体的倾向；zr与Ti形成a无限固溶体，它们与Al共同对热强性发挥有利作用。BT18属于金属问化合物强化的近a合金，几乎不含B相，蠕变强度不是很高，塑性略低于其他同类合金，用于550—600℃长时间工作或800qC短时工作的零件。由BT18改型的BT18Y合金，属于Ti—Al—Sn．Zr—Mo—Nb．Si系的近a合金，在成分上降低了铝的含量，并以(2～3)Sn代替4Zr，从而提高了热稳定性、抗蠕变性能和冲击韧性，塑性也有所改善，但在工作温度下的瞬时拉伸性能略有降低；其工作条件与BT18合金相同，已在Cy一27CK战斗机上得到了应用_9。BT36合金是俄罗斯目前耐热温度最高的高温钛合金，可在600℃工作。与BT18Y合金在成分上的差别在于用5％w代替了1％Nb，钨的熔点(3410℃)和蠕变极限(95MPa)都比铌要高得多(2000℃，43MPa)，W的加入有利于提高合金的室温强度、持久强度和抗蠕变性能，尤其在550～600cc时更加明显。因此，该合金比BT18Y更具竞争力，已在某发动机上得到了应用。在多元合金系基础上添加w元素(0．7％～5．0％)是俄罗斯高温钛合金发展的新趋势n。此外，俄罗斯研究的高温钛合金还有BT25，BT25Y，BT28，BT33等。2．4我国高温钛合金的发展我国钛合金的发展既继承了世界上主要的钛研究生产国家的做法，又突出了自己的特色。我国钛合金的研究始于北京有色金属研究总院，现在西北有色金属研究院、中国科学院金属研究所、北稀有金属32卷京航空材料研究院、洛阳船舶材料研究所等科研单位和宝鸡有色金属加工厂、上海五钢等企业也都成为研究开发高温钛合金的主力。我国研究开发的高温钛合金主要有：TC6钛合金的名义成分是Ti一6A1．2．5Mo．1．5Cr．0．5Fe一0．3Si，是仿制俄罗斯的BT3．1，属马氏体型a+8型钛合金。合金中含有a稳定元素Al、同晶型J3稳定元素Mo和共晶型p稳定元素Cr，Fe和Si，p稳定系数为0．6。该合金具有较高的室温强度，比Ti．6A14V高85MPa，具有良好的热强性能，兼具优良的热加工性能。能在400℃以下长时间工作6000h以上，和在450℃下工作2000h，适宜制造航空发动机压气机盘和叶片以及飞机的框、接头等承力件。TC11钛合金是一种综合性能良好的a+8型钛合金，名义成分是Ti．6．5A1．3．5Mo．1．5Zr．0．3Si，铝当量为3．5，钼当量为7．3。在500℃下有优异的热强性能，且具有较高室温强度。该合金还具有良好的热加工工艺性，可以进行焊接和各种方式的机加工。目前，随着TC11钛合金应用的不断扩大，该合金的口热处理及等温锻已获得迅速的发展。该合金主要用于制造航空发动机的压气盘、叶片、鼓筒等零件，也可用于制造飞机结构件。通过叫3区的热变形和热处理，该合金的最高长期工作温度为500℃。生产的半成品有棒材、锻件、模锻件和铸件等_】。Ti-55钛合金的名义成分是一5．5A1．4Sn．2Zr．1Mo．0．25Si．1Nd，是我国自行设计研制的一种近a型耐热钛合金。该合金通过添加适量稀土元素Nd，细化了合金组织，提高了合金抗氧化能力。稀土元素在合金中的内氧化，使合金基体中的氧含量降低并促使基体中的锡原子向稀土氧化物转移，抑制了Ti，X相的析出。同时，稀土氧化形成的稀土氧化物颗粒作为合金形核的弥散质点及其稀土氧化物颗粒周围所形成的位错亚结构对合金起到强化作用，使该合金在使用温度下具有满意的热强性和热稳定性的最佳匹配[1。该合金长时间工作温度可达550℃，因此，在有些场合也被称为Ti．55钛合金，主要用于航空发动机高压段的压气机盘、鼓筒和叶片等零件。该合金具有良好的工艺塑性，适合于各种压力加工成型，并可采用各种方式的机械加工。生产的半成品主要有棒材和锻件、板材等，也可用于生产铸件。ZTC3钛合金的名义成分是Ti．5A1．2Sn．5Mo．0．3Si一0．02Ce，是我国自行研制的一种含有共析元素Si和稀土元素Ce的Ti．A1．M0系a—B型两相铸造钛合金，它除了依靠传统的固溶强化外，还增加了析出难熔的稳定化合物质点强化，从而使该合金具有良好的综合性能：较高的室温强度，良好的热强性能，在500cC以下有优良的热强性能。可在500℃温度下长期工作。该合金已铸造了大量的航空发动机压气机机匣，经过试验考核和长期的使用证明：用该合金铸造的机匣质量稳定，性能良好、可靠。它除了制造机匣外，也可用于制造其他的结构件，如支架、壳体。根据结构件的工作特性要求，该合金铸造的铸件通常是在退火或热等静压状态下使用_1。Ti-53311S钛合金的名义成分为Ti．5A1．3Sn．3Zr．1Mo．1Nb．0．25Si，是多元合金化的近a型钛合金，其铝当量为6．9，钼当量为1．4，含有a稳定元素Al，对a相其固溶强化作用，含有8稳定元素Mo，Nb，强化8相并改善工艺塑性；含有中性稳定元素sn，zr以及si，提高合金的耐热性。该合金的主要特点是比工业纯钛和TC4合金具有高的使用强度和好的工艺塑性，还具有很好的与异种金属焊接的性能，能在高温下长期工作。主要用于制造耐热零部件，已在航天工业中得到了重要应用[1。我国研制的在600oC工作的钛合金主要有：Ti60和Ti600钛合金。Ti60合金名义成分为Ti．5．8A1-4．8Sn．2Zr一1Mo一0．35Si．0．85Nd，由中科院金属研究所在Ti55合金基础上改型设计、宝鸡有色金属加工厂参与研制的一种600℃高温钛合金，有较好的综合性能。该合金的特点之一是合金化时加入了0．85％Nd，通过内氧化方式形成富含Nd，Sn和O的稀土相，降低基体中的氧含量，从而起到净化基体、改善合金稳定性的作用[】。Ti600合金名义成分为Ti．6A1．2．8Sn．4Zr．0．5Mo．0．4Si．0．1Y，由西北有色金属研究院研制完成。研制600℃高温钛合金的主要难点在于高温蠕变性能及热稳定性能对各种因素都非常敏感，如金属成分的波动、间隙元素的含量、杂质含量及加工工艺等15l。6期许国栋等高温钛合金的发展和应用779上述两合金是我国科研工作者研制成功的、具有自主知识产权的新型高温钛合金，其工作温度可达到600oC，且综合性能达到了国际上600oC钛合金的水平，有些性能还优于这些合金。表4是这两种钛合金与Til100，IMI834，BT36钛合金性能的比较。表4Ti60和'ri600与世界上主要6oooC钛合金性能的比较TaMe4Propertiesofsomehigbtemperaturetitaniumalloysworkingon6O0℃3高温钛合金的未来发展展望通过本文分析，作者认为高温钛合金的发展具有以下几个特点和规律，这些可为我国研制和发展使用温度更高的钛合金提供借鉴。1．高温钛合金的设计，由少元到多元，从简单到复杂，合金化越来越趋向合理，尽管不同的国家在研究方法、侧重点上不尽相同，但发展的结果是殊途同归。2．从合金体系来说，仍然是Ti—Al—Sn—Zr．Mo．Si系近a钛合金及其延伸出来的合金在高温钛合金中占主导地位。3．质量分数为0．1％一0．5％的si应用于合金中，可显著提高合金强度和高温抗蠕变性能，所以，Si元素几乎是高温钛合金中必不可少的重要元素。4．Nb，Y，Ce，Nd等稀土元素在钛合金中可产生脱氧作用，降低合金中的氧含量，并形成高熔点化合物，提高抗氧化性能，所以稀土元素将在高温钛合金中得到越来越广泛的应用。参考文献：[I]王桂生，田荣璋，莫畏，朱祖芳，申林，许国栋．钛的应用技术[M]．中南大学出版社，2007．1-2，201．[2]蔡建明，李臻熙，马济民，黄旭，曹春晓．航空发动机用600qC高温钛合金的研究与发展[J]．材料导报，2005，19(1)：5O．[3]钱九红．航空航天用新型钛合金的研究发展及应用[J]．稀有金属，2000，24(3)：218．[4]萧今声，许国栋．提高高温钛合金性能的途径[J]．中国有色金属学报，1997，7(4)：97．[5]赵永庆．高温钛合金研究[J]．钛工业进展，2001，1：34．[6]付艳艳，宋月清，惠松骁，米绪军．航空用钛合金的研究与应用进展[J]．稀有金属，2006，30(6)：850．17JBahiaPJ，InLacombeP，TricotR，B6rangerG(eds．)．Ti-1100：Anewhi曲temperaturetitaniumalloy[A]．Sixthw0rJdConferenceonTitanium[c]．France：Soci6t6FrancaisedeM6tallurgie，Cedex。1989．825．[8]杨冠军，赵永庆，邓炬，周廉．高温钛合金研究现状与发展趋势[A]．2000年材料科学与工程新进展(下)——20o0年中国材料研讨会 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