【doc】高温钛合金的应用,组织和性能

【doc】高温钛合金的应用,组织和性能 高温钛合金的应用,组织和性能 一 高温钛合金的应用,组织和性能 韦泰23 摘要简要地介绍了高温钛合盎在航空与航天领域的应用特点,综述了高温钛合金 的种类 组织和性能. 关键词应用组织性能 大多数代来来时代潮流的航空与航天 用途(超级飞行器,高超音速飞行器和先进 的发动机),都强烈地需要将钛合金的使用温 度提高到600?以上,同时还要进一步增大 其剐度和韧性.近?钛合金,钛铅金属问化台 物柑钛台金基复合提供了解决这些问题 的可能性. 与其它金属系统不同,钛合盒与航空和 航天用途有着相当密切的关系.它的密度只 有各种锕或者超台金的5O%左右,并且比强 度(强度/重量)性能是特别优异的.因为把 钛矿石还原成为金属钛的工艺过程耗能大和 成本高,所以钛价昂贵.虽然一般的工业用 途在市场上所占的份额日益增加,但是大多 数钛合金目前还是用于航空与航天领域中. 钛合金可用在铝合盒不能满足要求的地方, ? 尤其集中在强度和高温性能方面.据称目 前钛台金在现代发动机中的用量约占重量的 三分之一}钛台金在波音一767等民航客机结 构件(机身骨架和蒙皮等)用的用量也相当 多. 1近0c钛合金 与Ti-6A1—4V等a+B型钛台金相比,近 ?钛合金含有少量的B稳定化元素,它们能够 在减少体心立方晶格日相的情况下增加密排 六方晶格相的体积份额.由于借移系统的 数量有限,密排六方晶格内的组织弥散此体 心立方晶格内的组织弥散更慢,变形亦更加 困难. 典型的近?钛台金和钛铝金属间化台物 合宝如下表. 可以看出,近a钛台金中主要的台垒化 元素含有大约5,6wt%的铝和一些中性元 素(诸如锡和钙之类>,但是,为了保持强度 和可变形性,只添加了例如铝或铌那样的部 -48? 分稳定剂}硅在这类合金中发挥了至关重要 的作用.早在1975年,s.R.西格尔及其同 事的研究就表明,往Ti一6242台垒中添加大 约9.1(wt)%的少量硅能够有效地改善其抗 - 乱 薹 蠕变应变能力,其原之一是硅固溶强化了 n相}并且,因为硅原予比钛原子小20嘧左右, 它们能够促使位错分离,从而阻止位错精移, 乃至有效地降低蠕变应变能力.虽然目前尚 未查明这种现象的机制,然而硅会提高Ti一 6242合盒蠕变强度却是毫无疑问的. 另外,英国人的研究结果表明,将钛台 金中的硅含量进一步提高到O.5(wt)嘶左右 不会对机械性能产生消极影响.因此,硅是 现有全部新型高温钛合金中重要的台金化元 素.据报道,高温钛合金的使用温度在如年 内大约从300cc提高到了60(Fc左右. 两种最新的近口钛合金是英国的IMI834 和美国的TIMETAL1100,前者是由英国帝 国金属工业公司(IMI)钛公司与罗尔斯?罗 依斯公司联台开发的,后者当初是由美国钛 金属公司(Timet)为普拉特一惠特尼公司研 制的. 事实表明,发展近a钛合金显微组织的 关键是热形变处理,实际上,它把变形过程 和热处理过程结台起来了.大致地说来,它 包括变形,固溶热处理和时效三个步骤,由 此而基本上决定了钛合金的组织状态.从卧目 区开始冷却导致形成层状组织,而等轴组织 则是再结晶过程的结果.接近日转变温度的 固溶热处理导致形成双重类型的显微组织, 它由处在d+p基体内的主要等轴?相组成. 对于TIMETAL1100钛合金来说,一个 特殊的变化是发展了晶粒比较细小的B组织. 因为硅化物在高于B转变温度约50?时才溶 解,所以允许在单一的B相区内固溶热法理, 没有广泛的品粒长大.初步的结果表明,这 些p组织的塑性能够提高一倍,同时又不牺牲 其蠕变性能. 2钛铝金属问化合物 在过去几年里,人们把提高钍合金使用 温度的希望寄托在钛铝金属间化合物上,国 内,外的科技工作者为此付出了巨大的努力, 发表的论着连篇累牍.以金属化台物TidAl 和TiA1为基体的一些合垒能够把使用温度极 限分别提高到650?和800?.这些相的有序 组织对于改善蠕斐性能来说是主要鲧因}不 过,它也使合金变脆.为了提高塑性和变形 能力,采用铌,钼或者钒之类鸿B稳定)索 进行台盘化,十通热形变过程来使其显 微翔织最佳化,业已取得了成功. 对于像超a那样的Tj3Al台金来说,改进 工艺过程能够获得相当高的延伸率和强度性 能,强鹿的提高能够通过显做组织的细化来 实现.加工和热处理的适当结合能够使显微 组织中特别细小的斜方晶系层状组织所占的 体积份额很大. 在不超过650?的温度下,屈服强度随着 温度的升高而缓慢地降低j然后,不论其显 微组织如何,屈服强度都随着温度的继续上 升而急剧地下降.具有球形显微组织的超dz 合金在600~C左右呈现最低的屈服强度和最 高的断裂延伸率.业已发现,这一效应与环 境影响无关,因此是这种材科固有的现象. TiA1台垒是a:+Y两相合金,能够保证 相当好的使用性能.双相组织比层状组织塑 性更好一些,具有优异的抗蠕变能力.在高 周疲劳状态下,双桐台金显示出更好的低温 疲劳性能}但是,具有层状组织的台鱼呈现 较长的高温使用期限. 3钛基复合材料 铙合金的主要缺点是它们的弹性模量都 卜匕较低.为了增大其刚度,开发了主要以碳 化硅(SIC)陶瓷纤维为基础的纤维增强剂, 这时,利用Ti-6A1一,tV合金作为基体.目前, 国内,外都在致力于研制先进的高温钛合金 和钛铝化合物及其复合村利. 纤维增强钛合盎的大部分工作集中在 SiC单纤维上面.受到人们注意的纤维只有 两种.应用最广泛的是美国特克断特朗(Te_ xtron)公司生产的,直径为l40m的SCS一6 ?49? 纤维,另一剥一是由美国BP金属纤维公司生产 的,直径为1001Zm的.纤维.在使用过程中, 尤其在金属基体复合材科加工温度下,纤维 和基体之间的反应是中H当严重的.因此,必 须利用涂屠来保护SiC纤维.在这里,沫层 充当了表面防护和扩散阻挡层.所以,借助 化学气辐沉积方法将SCS-6纤维涂以热解石 墨,其厚度为4D-m,而BP纤维则涂以两层大 约1"m厚的碳层来保护纤维,再施~[1TIB涂 层来充当扩散阻挡层. 不倪在最终部件高温使用过程中,尤其 是在更高温度下进行的金属基体复台材料加 工和处理过程中,纤维上的棘崖都必须能够 避免在增强纤维和基体之间发生无法控制的 反应.粉末冶金,箔片和基体沉积是制造纤 维增强剂的三种基本速径.粉末冶金是人们 所熟知的,无需说明.在箔片技术中,把铙 合盒薄箔层与增强纤维层交替地堆叠起来, 然后通过真空热压和热等静压把它们固结在 一 起,其温度应该使钛台金产生超塑性变形. 在基体沉积技术中,每一根单独的纤维都涂 以钛台金基体材料,其工艺包括热喷涂和物 理气相沉积等. 据认为,箔片技术和基体沉积披术各有 优点和块点.在大多数情况下,箔片技术是 成本比较低廉的,而且能使内部空隙降低到 最小程度一般说来,气相沉积技术不能够 严格地控制台金的成分,因为每一种台囊化 元素的蒸汽压力可能是完全不同的.但是, 对于生产纤维增强的钛台金来说,基体沉积 又是可行的一种途径.在这里,生产薄箔材 很困难或者不可能,尤其是以TI3AI,特4 是以TiAI为基体的钛铝化台物台金.基体沉 积工艺过程能够形成更加均匀分布的纤维, 其体积份额能够高达80%,并且没有任何的 纤维与纤维接触.如果在致甜化过程中纤维 相互接触,它们势必断裂,从而降低复合材 料的性能. 纤维增强剂在复合材料中的主要作用是 提高强度,尤其刚性.与不增强的基体材料 相比,在Ti-6A1-4V合金被大约35(vo1)% SiC纤维增强的时候,抗拉强度和弹性模量 都能够提高一倍以上.提高使用温度是开发 钛合金基体复台材料的另一个主要目标.在 这里,IMI834或者TIMETAL1100,钛铝 金属间化台物是优先选用的基体材料. (责任编辑言文)