影响航空用高温钛合金性能的因素

影响航空用高温钛合金性能的因素 【摘 要】钛及钛合金以其优异的综合性能得到广泛应用，尤其高温钛合金在航空领域的应用。随着高温钛合金使用温度的升高，其高温性能越来越受到重视。因此本文概述了影响高温钛合金高温性能的一些因素，合金化元素、合金的显微组织状态以及热处理的选择等对高温钛合金的高温性能都有重要的影响。 【关键词】高温钛合金;高温性能;合金化元素;热处理 1 前言 钛及钛合金是极其重要的轻质结构材料，以其优异的物理机械性能，如耐热性高、比强度高、抗蚀性好等，广泛地应用在在航空航天、医疗器械、石油化工和生物医学工程等领域[1]。钛合金被应用在航空领域的驱动力主要有以下几个方面[2-3]:(1)降低航空设备重量，可替代钢等;(2)使用温度可在相对较高温度，可替代铝合金等;(3)良好的耐蚀性能，可替代铝合金部件等;(4)与聚合物基复合材料有良好的匹配性。对于应用在航空发动机的压气机盘、加力燃烧室筒体、叶片和机匣零部件的服役环境十分恶劣、温度高、压力大，要满足工况条件的要求，这就需要制备这些零部件的材料，需要有良好的性能匹配，如室温及高温性能、高温蠕变强度、疲劳强度、断裂性能和高温热稳定性等。在众多的结构材料中，能满足上述服役条件的材料不多，但高温钛合金是其中一种，且已经应用在航空设备上，如空中客车A320上配置的V2500发动机用钛量占其结构总重量的31%，装备F15战机的F100发动机的钛合金用量为36%。 高温钛合金随高性能航空发动机的发展需求而发展，用量呈不断增长的趋势，尤其是在航空发动机上[4]。在其性能得到保障的同时其使用温度从20世纪50年代的以Ti-6Al-4V合金为代表的350?发展到如今以IMI834合金为代表的600?，600?是目前高温钛合金的最高使用温度，600?下使用的典型的高温钛合金有IMI834、Ti-1100、BT36和Ti-60等，如表1所示为各个国家部分600?下使用的高温钛合金[5-13]。随使用温度升高，合金的高温蠕变性能和热稳定性都迅速降低，高温强度和热稳定性就成为制约高温钛合金发展的障碍。而钛合金的高温性能受到各个因素的影响，如合金化元素、显微组织、热处理制度和第二相等均对合金的高温性能有一定影响。 2 影响高温钛合金性能的因素 2.1合金化元素 现在正在使用和研究开发的高温钛合金大部分属于近α型钛合金，所主要添加的合金化元素有Al、Sn、Zr、Mo、V、Nb和Si等。与β型钛合金相比，近α型钛合金的高温强度较高，热稳定性较好且具有优良的焊接性能等。此外，杂质元素C，N，H和O以及Nd等稀土元素对高温钛合金的性能也有重要影响。 2.1.1 Al元素 Al为高温钛合金中经常添加的元素，也是最重要的固溶强化元素之一。Al的加入可降低合金密度，提高再结晶温度、强度和(α+β)/β转变点，并改善合金抗氧化性能。Al还能够提高固溶体的原子结合力，增加合金高温强度。由于Al原子以置换方式存在于α相中，Al含量超过其在α相中的溶解极限，容易导致有序α2 (Ti3Al)相析出，引起合金脆化，当含量在6.0,7.0%时合金具有较高热稳定性和良好焊接性[14-15] 。 在高温钛合金中，当Al元素含量或者Al当量超过Al在α相中的固溶度时而形成α2(Ti3Al)相。α2相严重影响钛合金的塑性、强度和韧性[16]。Rosenberg的Al当量公式为，[Al]eq= Al%+(Sn/3)%+(Zr/6)%+10(O+C+2*N)%[17]，当Al当量低于9%时，组织中不 会形成脆性α2相，这样合金的热稳定性可以得到保证。经研究证实，析出α2有序相的特征电子浓度为2.12[17]，若合金的电子浓度大于2.12，组织中便开始析出α2相。IMI834、Ti-1100和BT25Y等典型的高温钛合金，都遵循Rosenberg原则，Al当量低于9%。α2相对钛合金的各项性能均有显著影响，细小均匀分布的硬脆α2相可提高合金强度，特别是高温强度。在变形过程中，位错迁移切过α2相粒子时，使得位错大量堆积，造成很大应力集中，极大损害了合金塑性及韧性[18]。 2.1.2 Sn和Zr元素 Sn和Zr均为中性元素，与其他合金元素一同加入到钛合金中，可起补充固溶强化作用。尤其是在高温钛合金中，为保证显微组织中以α相为主，除了添加主要元素Al之外，还需要添加Sn和Zr元素进一步来提高合金的高温强度。同时，Sn和Zr元素的添加对合金塑形的不利影响比添加Al元素时要小，这就使得钛合金具有良好的加工成型性能和焊接性能。 2.1.3 Mo元素 Mo加入到钛合金中可提高强度、改善耐热和耐蚀性，同时能细化合金铸态组织。在一些高温钛合金中含有大量Mo元素，Ti-6246高温钛合金[19]，其名义成分为Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo，Mo含量达6wt.%;但Mo含量过高，对合金性能有不利影响。在含有Cr和Fe等合金化元素的钛合金中加入Mo元素，可抑止Cr和Fe与Ti发生共析反应，从而提高钛合金的高温性能[20-22]。 2.1.4 V元素 V元素为在钛合金中是广泛应用的β相稳定元素，可起到显著固溶强化作用。提高强度的同时，依然能保持良好的塑形。除此之外，V还可以使钛合金的β相变点显著降低，从而增加淬透性，使热处理强化程度明显增强。对于高温钛合金而言，V元素还能够提高高温钛合金的热稳定性。 2.1.5 Nb元素 为了达到多元强化的效果，在高温钛合金中还可以考虑用Nb元素代替部分的Mo元素添加入钛合金中。IMI829合金为一个比较成功的例子，该合金中添加了质量分数为1%的Nb元素，而在IMI834合金中也加入了质量分数为0.7%的Nb元素[23]。Nb元素可提高高温钛合金抗氧化性能，主要是因为以下几个方面的原因:一是Nb元素可以保证在合金表面形成的氧化物的组成不变，同时可使得生成的氧化物更加致密均匀细小，从而有效地阻碍氧扩散;二是可提高基体与氧化膜界面之间的附着力，改善钛合金的表面稳定性;三是可显著降低表面氧化层的厚度。 2.1.6 Si元素 对于高温钛合金而言，Si是一种非常重要的合金化元素，几乎在所有高温钛合金中均会添加有质量分数为0.1,0.5wt%的Si元素。Si在钛合金中起固溶强化作用，可提高高温钛合金蠕变抗力。研究表明，添加质量分数大于0.35%的Si元素便可达到较好的高温蠕变性能[24]。当Si元素含量超过其在钛合金中的固溶极限时，便在组织中析出硅化物，所析出的硅化物主要起沉淀强化作用。但是当硅化物析出量过多，将会降低合金的蠕变抗力。硅化物析出还会对合金热稳定性产生不利影响，降低合金塑性的同时还可提高有序化程度、从而促进Ti3Al的析出[25]。在高温钛合金中Si元素含量较多时，可通过控制析出得到细小且弥散的硅化物，这样就可以起到第二相强化作用，强化晶界及相界，从而达到提高合金蠕变性能及其它综合性能的目的[26]。 2.1.7 C元素 在钛合金中加入质量分数小于0.09%的C元素时，C元素将完全固溶，具有固溶强化作用，可阻碍位错运动。于此同时合金组织中的晶粒依旧保持比较细小，从而显著提高钛合金的强度和高温蠕变性能。 但是当C元素含量在钛合金中过多时，会在组织中析出粗大的碳化物，形成的碳化物会 增大α片层的厚度。如果析出碳化物，合金在变形过程中在其附近产生较大应力集中。碳化物为脆性相，其主要析出处在晶界，对合金的塑性及高温蠕变性能有不利影响[27]。除此之外，元素C的加入对于提高钛合金的使用寿命是有利的[28-29]。 2.1.8 稀土元素 在高温钛合金中，稀土元素可以形成第二相弥散质点、细化晶粒、增加位错密度等， 从而产生强化作用， 但稀土元素会夺取固溶体中的间隙氧， 降低间隙固溶强化， 从而产生软化作用[30]。 稀土元素可使钛合金的热强性和热稳定性达到最佳匹配[31-32]，且能有效改善钛合金的高温蠕变性能。稀土元素与氧有着比较高的亲和力，它还可以转移合金中的部分Sn，以达到净化基体，抑制α2相的析出。但是，内氧化作用却使得间隙固溶强化作用降低，以致产生了软化作用。 Ti-60合金中添加了稀土元素Nd，Nd将会通过内氧化的形式形成富含Nd、Sn和O的稀土相，从而降低了基体中的氧，达到净化基体，提高合金热稳定性的作用[33];研究表明，只有当某些种类且含量适当的稀土元素添加入钛合金时，才能改善其热加工性能。例如，加入低于0.05%的稀土元素Y和Er可显著减少Ti-6Al-4V合金轧制时形成的边裂[34]。 稀土元素对高温钛合金组织和性能都有一定直接或间接的影响， 这些影响有些是有利的，有些是有害的。它跟稀土元素的种类、添加量、合金种类及合金化元素都有关系，其中稀土添加量最为关键， 因为它决定着稀土元素的存在状态、分布等。只有在钛合金中添加适量的稀土元素才能得到有利的效果。 2.2显微组织对高温钛合金性能的影响 显微组织的类型及相尺寸参数等对高温钛合金性能的影响很大，调整组织类型及参数是获得具有强度、塑性及其他使用性能良好匹配的重要途径。如图1所示为高温钛合金中最常见的几种显微组织，图1a、图1b、图1c和图1d分别为网篮组织、等轴组织、魏氏组织和双态组织。 网篮组织是两相钛合金在β相转变温度左右变形开始，或在β单相区开始变形，在两相区变形完成，且变形量达到50%,80%时得到，网篮组织的疲劳强度比较高[35]。 在钛合金中等轴组织和双态组织的组织及性能特点相近，所不同的仅是所含初生α相的数量不同。等轴组织和双态组织具有较高的塑性及疲劳性能。其缺点是高温性能和断裂韧性较低[36]。研究发现等轴组织中等轴α晶粒的最佳尺寸为2μm,4μm，此时可获得强度、塑性及疲劳性能的良好匹配的合金。片层α相界面可有效阻碍位错运动，提高合金断裂韧性、高温蠕变强度及抵抗裂纹扩展能力，但塑性和低周疲劳强度较低[37]。 魏氏组织是两相钛合金在β相区开始变形，同时在β相区终止变形，且变形量比较小，或是将钛合金加热到β单相区后以比较慢的冷却速度冷却时获得的。其特点是原始β晶粒较粗大，晶界α清晰的分布在原始β晶界上，原始β晶粒内部有片状的α束存在。魏氏组织具有较高的持久强度及断裂韧性，但疲劳性能及塑性偏低，尤其是断面收缩率[38]。 除此之外，组织特征参数对钛合金的性能的影响也很大，主要是考虑初生α相(αp)含量及原始β相晶粒的尺寸。细小的β相晶粒和片层α尺寸可使高温钛合金具有良好的塑性、持久性能、疲劳性能。一般情况下，为获得良好塑性，组织含有体积分数高于20%的等轴αp相;但持久性能及蠕变性能却随αp相的含量增加而降低。由此合理地控制αp相和片层次生α相的相对含量，可调整塑性、高温持久、蠕变性能及疲劳性能之间的匹配。有研究结果发现，当αp相的体积分数位于5,15%，原始β相晶粒尺寸在20,40μm范围内时，钛合金的室温性能较好，同时还具有优良的蠕变性能、热稳定性和疲劳性能[39-40]。 2.3热处理的影响 含有不同合金化元素的高温钛合金，经过不同热处理后，可获得不同组织状态和性能。 为使合金的组织和性能满足要求，可通过选用合适的热处理制度来改善。在高温钛合金中常用的热处理主要有退火、固溶和时效等[41]。 2.3.1 退火 退火可提高钛合金的室温塑性、热稳定性、断裂韧性和高温蠕变强度[42]。对于钛合金而言主要有等温退火和双重退火。 等温退火，是指将钛合金加热到再结晶温度以上，但在低于β相变点30,100?的范围内，接着转到另一热处理炉中进行炉冷处理，冷却至β相具有较高稳定性的温度范围内再进行保温，之后进行空冷。与普通退火相比，等温退火的第二阶段保温目的就是为了让β相充分发生分解，使其处于更稳定的状态，从而使合金的组织和性能稳定，达到提高钛合金的塑性、持久强度和热稳定性的目的[43]。因此，等温退火适于含有较高β稳定元素含量的α+β两相钛合金[44]。 双重退火是指进行两次加热、两次保温以及两次空冷的过程。第一次加热温度为低于β相变点20,160?;第二次加热温度为低于β相变点300,450?，且高于使用温度。双重退火的优点主要体现在第一次退火时，可使组织中保留部分的亚稳β相，使其在第二次退火时能够充分分解，达到强化目的。可改善α+β两相钛合金的塑性、热稳定性以及断裂韧性等。BT25钛合金采用双重退火后可获得理想的综合性能[45]，第一次热处理温度为950,970?，保温1h后空冷，第二次热处理温度为530,570?，保温6h后空冷。 2.3.2 固溶和时效 固溶和时效也是能够在较大的范围内改善钛合金的性能的两种热处理制度。α+β两相钛合金加热到固溶温度以上时，组织中的α相会转变成β相，通过快速冷却可将其保留至室温，之后在进行时效，组织中不稳定的β相会发生分解而产生次生α相，从而可以提高钛合金的强度。 当钛合金在固溶温度以下淬火时，冷却速率对组织和性能有着非常重要的影响。若冷却速度太慢，可能会产生扩散，从而影响时效强化作用。α+β两相钛合金进行水淬，可阻止不稳定β相的分解，以便达到时效时产生强化的目的。 3 结语 高温钛合金在航空领域的使用由来已久，随着社会经济和科技的快速发展，高温钛合金所使用的温度越来越高，对其性能要求也就越来越高，尤其是高温强度和热稳定性已经成为制约高温钛合金发展的障碍。要想提高高温钛合金的在高温使用时的性能，就要了解影响其性能的因素。因此本文对影响高温钛合金的一些因素进行了简单分析和总结，更多的因素和研究，还需科研工作者今后共同努力，相信在诸多科研工作者的共同努力下，高温钛合金的使用温度会越来越高。 【参考文献】 [1]C.莱因斯，M.皮特尔斯编，陈振华等编译。钛与钛合金。化学工业出版社，2005. 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