600oC高温钛合金Ti60的组织与性能

600oC高温钛合金Ti60的组织与性能 o600C高温钛合金Ti60的组织与性能 魏寿庸 石卫民 王鼎春 宝钛集团有限公司 宝鸡 721014 王清江 陈志勇 刘建荣 中国科学院金属研究所 沈阳 110016 o摘要:本文较全面的介绍了600C高温钛合金Ti60的组织和性能，包括该合金的室温和高温的拉 伸、持久、蠕变和热稳定性能等。与国外同类的高温钛合金进行比较表明:该合金与IMI834和 Ti-1100合金具有相类似的组织和性能。经双重退火处理后获得双态组织，并含有强化相α和硅2 化物相，这种组织的合金材料具有优良的综合性能，有望用于制作航空发动机压气机盘和叶片等 构件。 关键词:Ti60钛合金;组织;性能;应用 oMicrostructure and mechanical properties of a 600C high temperature titanium alloy Ti60 Wei Shouyong, Shi Weimin, Wang Dingchun Baoji Titanium Industry co.,Ltd. 721014 Wang Qingjiang, Chen Zhiyong, Liu Jianrong Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016 Absract: Microstructure and mechanical properties such as room and high temperature tensile property, creep property, creep rupture property and heat stability of a high temperature titanium alloy Ti-60 were studied in this paper. The results show that Ti60 alloy has a comparable miscrostructure and mechanical property as the IMI834 and Ti-1100 alloy. The precipitation of α phase and silicides could 2 be observed in Ti-60 alloy and bimodal sturcture was obtained after duplex heat treament. Ti-60 alloy has excellent mechanical property and is hopeful to be used in the disks and blades of aero engines. Key words: Ti-60 alloy; microsturcture; mechanical property; application. 1.概述 Ti60钛合金是一种Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Ta-Si系多元复合强化的近α型高温钛合金，它是我国 o自行设计研制的具有自主知识产权的600C高温钛合金。该合金应用高合金化、微合金化和复合强化方式，在Ti-Al-Sn-Zr的基础上以同时加入一定量的Ta、Nb和Mo三种同晶型高熔点的β稳定元素，通过这三种元素与α稳定元素Al、Sn和Zr等合金元素之间恰当搭配和共同作用，使合金成为集细晶强化、固溶强化和第二相(α和硅化物)弥散强化于一身的多元复合强化的一种热2 强钛合金。它具有优良的综合性能，使它在工作温度下具有高的热强性、抗氧化性和满意的热稳 [1]定性的良好匹配。 o近年，航空发动机压气机的工作温度已达或超过600C，目前投入使用的高温钛合金有英国 [2,3,4,5]的IMI834合金，美国的Ti-1100合金和俄罗斯的BT18Y合金。为满足我国航空发动机提高推重比的需求，中国科学院金属研究所、宝钛集团公司与中航工业集团燃气涡轮研究院、西安航空发动机制造公司、陕西宏远航空锻造有限责任公司和贵州安大锻造有限责任公司、北京航空材料研究院和西北工业大学等单位组成材料研制和应用研究联合课组，对该合金进行多年的试验研究工作。中科院金属研究所和宝钛集团公司在试验室和工厂完成小型试验、中型扩大试验的基础上，又在宝钛集团公司完成了工业化条件大型工业铸锭熔炼、棒材和饼环材加工和热处理等试验研究工作，已熔炼直径710mm大型工业铸锭，加工多种规格棒材(Ф25~35mm、Ф250~300mm)和饼环材(Ф460/Ф220×140mm)，经航空部门检验和复验表明，这些材料达到技术指标要求，并由航空部门进一步加工和制作，已制成航空发动机压气机构件，质量符合航空构件技术条件质量和使用要求。 本文简述Ti60钛合金研制和应用研究所取得组织和性能数据，为合理选用该合金提供选材依据。 2.合金的成分和相组成 Ti60钛合金是一种Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Ta-Si系多元复合强化的近α型高温钛合金，它的成分(wt%):Al:5.0-6.3;Sn:3.0-5.0;Zr:2.5-7.0;Mo:0.2-1.5;Nb:0.2-1.0;Ta:0.2-3.0;Si: [1]0.2-0.55;C:0.01-0.09，其余为钛和不可避免的杂质元素。Ti-60钛合金的成分和相组成如图1所示，由于该合金含有足量的α稳定元素Al、Sn、Zr和一定量的Ta、Nb和Mo等β稳定元素，同时还含有Si、C等元素，使合金得到充分的固溶强化，又使合金获得金属间化合物(α)和硅2化物弥散强化，由于各种合金元素的合理和恰当搭配，使合金具有热强性和抗氧化性能;同时它还含有一定量同晶型β稳定元素，因此它还具有良好的工艺性能和热稳定性，是一种集固溶强化、细晶强化和弥散强化于一身的复合强化的热强钛合金，具有优良的综合性能。 3.合金的物理性能 33oTi60钛合金的密度:4.53×10kg/m;相转变温度:1045?10C;线膨胀系数(α)、热导率(λ)、 比热容(c)、弹性模量(E)、剪切模量(G)、泊松比(μ)等的典型数据见表1。 表1 Ti60钛合金的物理性能 温度 α* λ C E G μ o-6 o-1o-1o(C) 10/C N•m•C J•kg•C Gpa Gpa 20 — — — 114 43.6 0.31 100 7.22 6.21 496 110 41.8 0.31 200 8.37 7.38 520 105 39.7 0.32 300 9.34 8.55 544 99.9 37.8 0.32 400 9.97 9.64 566 95.3 35.9 0.33 500 10.2 10.7 585 90.8 34.1 0.33 600 10.3 12.1 615 86.4 32.3 0.34 700 10.6 13.8 663 81.9 30.6 0.34 800 11.0 15.4 707 77.3 28.7 0.35 900 11.6 16.4 729 72.5 26.8 0.35 *为室温至该温度的线膨胀系数。 4.力学性能 4.1常规力学性能 Ti60钛合金叶片棒材、饼环材和盘锻件的常规力学性能和技术要求见表2，表中同时还列出 国外同类高温钛合金IMI834(英)和BT18y(俄)合金技术标准性能要求。从表中可以看出，我 国自行研制的Ti60钛合金常规力学性能不但达到和满足技术标准的要求，也达到或优于国外同类 高温钛合金的性能水平。 表2 Ti60钛合金与国外同类合金的力学性能 ()o1C持久600热稳定性 o室温拉伸 600C拉伸 ()2o蠕变性能 600C/100h ζ ζ δ θ ζ ζ δ θ η ε ζ ζ δ θ b0.25b0.25pb0.25 MPa MPa % % MPa MPa % % h % MPa MPa % % Ti60叶片棒214 0.16~ 1050 978 12.8 23.3 656 536 21.2 39.0 1080 1004 7.3 10.0 材(Φ30mm) ~223 0.2 Ti60指标(叶?1030 ?930 ?10 ?20 ?600 ?500 ?12 ?25 ?100 ?0.12 ?1030 — ?4 ?6 片棒) Ti60环材160~ < (3)(Φ460/Φ221047 960 11.0 19.7 670 552 16.3 43.3 1105 1015 9.3 11.5 180 0.2 0×140mm) Ti60模锻件0.11~ (4)1020 955 8.0 15.5 670 568 19.0 50.0 >101 960 895 5.0 7 (?) 0.196 Ti60模锻件0.09~0(4)980 900 11.0 18.0 640 542 16.0 43.0 >101 963 890 7.0 10 (?) .12 Ti60指标(锻(4)?950 ?880 ?6 ?15 ?600 ?500 ?9 ?18 ?100 ?0.2 ?950 ?880 ?3 ?6 件) ?IMI834 ?1030 ?910 ?6 ?15 ?585 ?450 ?9 ?20 — — — — — 0.1(β) BT18y ?932 — ?7 ?15 ?560 — — — ?100 — — — — — Ty1-92-32-80(ζ:295 ?50kg Mpa) 盘锻883 — ?6 ?14 ?560 — — — — — — — — — 件>50~200kg 注:(1)持久试验应力为310Mpa;(2)蠕变试验应力为160Mpa;(3)为毛坯热暴露;(4)为热 o暴露后120C测试性能。 4.2Ti60钛合金不同温度下的拉伸性能 [5]国内外典型的高温钛合金不同温度下的拉伸性能如图2所示，从图可以看出，Ti60、IMI834和Ti-1100高温钛合金不同温度下的拉伸性能相类似。 图2 Ti60、IMI834和Ti-1100高温钛合金不同温度下力学性能 4.3合金的热稳定性能 所谓热稳定性问题其实质是“相稳定性”和“表面污染”的共同作用。Ti60 钛合金棒材的热 o稳定性能如表3所示。从表可以看出该合金具有较高的热稳定性能，在600C高温下热暴露500小时，毛坯暴露的延伸率和断面收缩率降低很小，分别约为10%和20%左右，这表明该合金具有较高组织稳定性，然而试样热暴露时，由于高温的氧化，形成一层氧化膜层，该氧化膜层比基体 [6]脆，所以在拉力作用下首先开裂，进而裂纹发展到整个断面，由于这种原因使塑性指标下降较多，但仍保持在足够的水平。 表3 Ti60钛合金棒材的热稳定性能 热暴露条件 ζ ζ δ θ b0.25o试样状态 温度C 时间 (h) MPa MPa % % 原始状态 — 1073 998 12.8 23.7 600 100 1107 1043 13.2 20.8 200 1117 1053 12.5 19.7 毛坯热暴露 300 1120 1050 11.7 17.7 400 1117 1050 11.7 17.7 500 1123 1053 11.8 17.5 550 100 1097 1040 9.3 11.3 600 100 1080 1020 7.3 9.83 试样热暴露 200 1097 1033 5.5 6.33 300 1107 1037 4.7 5.2 400 1107 1047 3.5 4.5 500 1110 1040 3.3 3.8 650 100 1090 1020 5.5 7.3 4.4棒材的持久和蠕变性能(如表4、5示) 表4 Ti60钛合金的持久性能 试验条件 断裂时间(h) 延伸率(%) o温度(C) 应力(Mpa) 580 215~239 11~30 600 213~254 57~75 310 600 163~205(环材) 34~44(环材) 620 78~80 81~85 注:持久试验过程中每100小时后试验应力增加40Mpa，而后每50小时增加40Mpa。 表5 Ti60钛合金的蠕变性能 蠕变试验条件 残余蠕变变形 o温度(C) 应力(Mpa) 时间(h) (ε%) p 580 160 100 0.12 棒材 600 160 100 0.19 600 160 200 0.262 600 160 300 0.38 600 160 400 0.43 600 160 500 0.48 620 160 100 0.36 600 160 100 0.12~0.17 环材 600 160 100 0.09~0.17 模锻件 4.5合金的断裂性能(如表6示) 表6 Ti60钛合金的断裂韧性 样品形式 方形棒材 环材 锻件 焊接件 K 36~62 38~61 34~44 IC 4.6合金的疲劳性能(如表7示) 表7棒材的室温和高温疲劳性能 试验条件 σ 注 试验条件 注 σ-1-1 旋转弯曲(Mpa)轴向加载 (Mpa) (n=50000,Kt=1) (R,Kt=1,140Hz) 0.1 室温 550 双态组织 室温 620 双态组织 室温 460 片层组织 — — — 600? 460 双态组织 600? 460 双态组织 600? 460 片层组织 — — — 4.7合金的焊接性能(如表8示) 表8 焊接接头的室温和高温性能 o室温拉伸 600C拉伸 状态 ζMPa ζMPa δ% θ% ζMPa ζMPa δ% θ% b0.25b0.25基材 1075 985 10.5 16.5 650 525 14.0 28.0 焊接接头 1080 996 9.5 19.5 660 545 13.5 31.0 熔合区 1202 1140 9.5 8.0 775 665 16.0 46.0 5.合金的抗氧化性能 Ti60钛合金与其它材料的抗氧化性能如图3示。从图3可以看出Ti60钛合金抗氧化性能优于国外同类高温钛合金IMI834和Ti-1100合金。 6.应用前景 20世纪80年代英国研制的IMI834高温钛合金，已用于欧洲军用喷气发动机EJ200和Rolls-Royce Trent系列商用喷气发动机中压压气机和高压前四级压气机中。美国研制的Ti-1100高温钛合金已用于莱康明公司的T55-712改型发动机;俄罗斯的BT18y合金已在Cy-27ck战斗机的 [3]发动机中使用。综合性能优良与国外高温钛合金性能相似的Ti60高温钛合金也有望在航空发动机中获得应用。 参考文献 [1]发明专利#说明#，ZL200710011771.0，2008.1.16 [2]莱茵斯.C 等，钛与钛合金[M]，陈振华，译，北京化工出版社，2005:300. 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