影響航空用高溫鈦合金性能的因素

石 亭，陳富民

（1上海波音航空改裝維修工程有限公司，上海 201207；2 耀萊航空技術有限公司，山東 臨沂 276000）

影響航空用高溫鈦合金性能的因素

石 亭1，陳富民2

（1上海波音航空改裝維修工程有限公司，上海 201207；2 耀萊航空技術有限公司，山東 臨沂 276000）

鈦及鈦合金以其優異的綜合性能得到廣泛應用，尤其高溫鈦合金在航空領域的應用。隨著高溫鈦合金使用溫度的升高，其高溫性能越來越受到重視。因此本文概述了影響高溫鈦合金高溫性能的一些因素，合金化元素、合金的顯微組織狀態以及熱處理制度的選擇等對高溫鈦合金的高溫性能都有重要的影響。

高溫鈦合金；高溫性能；合金化元素；熱處理

1 前言

鈦及鈦合金是極其重要的輕質結構材料，以其優異的物理機械性能，如耐熱性高、比強度高、抗蝕性好等，廣泛地應用在在航空航天、醫療器械、石油化工和生物醫學工程等領域［1］。鈦合金被應用在航空領域的驅動力主要有以下幾個方面［2-3］：（1）降低航空設備重量，可替代鋼等；（2）使用溫度可在相對較高溫度，可替代鋁合金等；（3）良好的耐蝕性能，可替代鋁合金部件等；（4）與聚合物基復合材料有良好的匹配性。對于應用在航空發動機的壓氣機盤、加力燃燒室筒體、葉片和機匣零部件的服役環境十分惡劣、溫度高、壓力大，要滿足工況條件的要求，這就需要制備這些零部件的材料，需要有良好的性能匹配，如室溫及高溫性能、高溫蠕變強度、疲勞強度、斷裂性能和高溫熱穩定性等。在眾多的結構材料中，能滿足上述服役條件的材料不多，但高溫鈦合金是其中一種，且已經應用在航空設備上，如空中客車A320上配置的V2500發動機用鈦量占其結構總重量的31%，裝備F15戰機的F100發動機的鈦合金用量為36%。

高溫鈦合金隨高性能航空發動機的發展需求而發展，用量呈不斷增長的趨勢，尤其是在航空發動機上［4］。在其性能得到保障的同時其使用溫度從20世紀50年代的以Ti-6Al-4V合金為代表的350℃發展到如今以IMI834合金為代表的600℃，600℃是目前高溫鈦合金的最高使用溫度，600℃下使用的典型的高溫鈦合金有IMI834、Ti-1100、BT36和Ti-60等，如表1所示為各個國家部分600℃下使用的高溫鈦合金［5-13］。隨使用溫度升高，合金的高溫蠕變性能和熱穩定性都迅速降低，高溫強度和熱穩定性就成為制約高溫鈦合金發展的障礙。而鈦合金的高溫性能受到各個因素的影響，如合金化元素、顯微組織、熱處理制度和第二相等均對合金的高溫性能有一定影響。

表1 部分600℃下使用的高溫鈦合金7

2 影響高溫鈦合金性能的因素

2.1 合金化元素

現在正在使用和研究開發的高溫鈦合金大部分屬于近α型鈦合金，所主要添加的合金化元素有Al、Sn、Zr、Mo、V、Nb和Si等。與β型鈦合金相比，近α型鈦合金的高溫強度較高，熱穩定性較好且具有優良的焊接性能等。此外，雜質元素C，N，H和O以及Nd等稀土元素對高溫鈦合金的性能也有重要影響。

2.1.1 Al元素

Al為高溫鈦合金中經常添加的元素，也是最重要的固溶強化元素之一。Al的加入可降低合金密度，提高再結晶溫度、強度和（α+β）/β轉變點，并改善合金抗氧化性能。Al還能夠提高固溶體的原子結合力，增加合金高溫強度。由于Al原子以置換方式存在于α相中，Al含量超過其在α相中的溶解極限，容易導致有序α2（Ti3Al）相析出，引起合金脆化，當含量在6.0～7.0%時合金具有較高熱穩定性和良好焊接性［14-15］。

在高溫鈦合金中，當Al元素含量或者Al當量超過Al在α相中的固溶度時而形成α2（Ti3Al）相。α2相嚴重影響鈦合金的塑性、強度和韌性［16］。Rosenberg的Al當量公式為，［Al］eq=Al%+（Sn/3）%+（Zr/6）%+10（O+C+2*N）%［17］，當Al當量低于9%時，組織中不會形成脆性α2相，這樣合金的熱穩定性可以得到保證。經研究證實，析出α2有序相的特征電子濃度為2.12［17］，若合金的電子濃度大于2.12，組織中便開始析出α2相。IMI834、Ti-1100和BT25Y等典型的高溫鈦合金，都遵循Rosenberg原則，Al當量低于9%。α2相對鈦合金的各項性能均有顯著影響，細小均勻分布的硬脆α2相可提高合金強度，特別是高溫強度。在變形過程中，位錯遷移切過α2相粒子時，使得位錯大量堆積，造成很大應力集中，極大損害了合金塑性及韌性［18］。

2.1.2 Sn和Zr元素

Sn和Zr均為中性元素，與其他合金元素一同加入到鈦合金中，可起補充固溶強化作用。尤其是在高溫鈦合金中，為保證顯微組織中以α相為主，除了添加主要元素Al之外，還需要添加Sn和Zr元素進一步來提高合金的高溫強度。同時，Sn和Zr元素的添加對合金塑形的不利影響比添加Al元素時要小，這就使得鈦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加入到鈦合金中可提高強度、改善耐熱和耐蝕性，同時能細化合金鑄態組織。在一些高溫鈦合金中含有大量Mo元素，Ti-6246高溫鈦合金［19］，其名義成分為Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo，Mo含量達6wt.%；但Mo含量過高，對合金性能有不利影響。在含有Cr和Fe等合金化元素的鈦合金中加入Mo元素，可抑止Cr和Fe與Ti發生共析反應，從而提高鈦合金的高溫性能［20-22］。

2.1.4 V元素

V元素為在鈦合金中是廣泛應用的β相穩定元素，可起到顯著固溶強化作用。提高強度的同時，依然能保持良好的塑形。除此之外，V還可以使鈦合金的β相變點顯著降低，從而增加淬透性，使熱處理強化程度明顯增強。對于高溫鈦合金而言，V元素還能夠提高高溫鈦合金的熱穩定性。

2.1.5 Nb元素

為了達到多元強化的效果，在高溫鈦合金中還可以考慮用Nb元素代替部分的Mo元素添加入鈦合金中。IMI829合金為一個比較成功的例子，該合金中添加了質量分數為1%的Nb元素，而在IM I834合金中也加入了質量分數為0.7%的Nb元素［23］。Nb元素可提高高溫鈦合金抗氧化性能，主要是因為以下幾個方面的原因：一是Nb元素可以保證在合金表面形成的氧化物的組成不變，同時可使得生成的氧化物更加致密均勻細小，從而有效地阻礙氧擴散；二是可提高基體與氧化膜界面之間的附著力，改善鈦合金的表面穩定性；三是可顯著降低表面氧化層的厚度。

2.1.6 Si元素

對于高溫鈦合金而言，Si是一種非常重要的合金化元素，幾乎在所有高溫鈦合金中均會添加有質量分數為0.1～0.5wt%的Si元素。Si在鈦合金中起固溶強化作用，可提高高溫鈦合金蠕變抗力。研究表明，添加質量分數大于0.35%的Si元素便可達到較好的高溫蠕變性能［24］。當Si元素含量超過其在鈦合金中的固溶極限時，便在組織中析出硅化物，所析出的硅化物主要起沉淀強化作用。但是當硅化物析出量過多，將會降低合金的蠕變抗力。硅化物析出還會對合金熱穩定性產生不利影響，降低合金塑性的同時還可提高有序化程度、從而促進Ti3Al的析出［25］。在高溫鈦合金中Si元素含量較多時，可通過控制析出得到細小且彌散的硅化物，這樣就可以起到第二相強化作用，強化晶界及相界，從而達到提高合金蠕變性能及其它綜合性能的目的［26］。

2.1.7 C元素

在鈦合金中加入質量分數小于0.09%的C元素時，C元素將完全固溶，具有固溶強化作用，可阻礙位錯運動。于此同時合金組織中的晶粒依舊保持比較細小，從而顯著提高鈦合金的強度和高溫蠕變性能。

但是當C元素含量在鈦合金中過多時，會在組織中析出粗大的碳化物，形成的碳化物會增大α片層的厚度。如果析出碳化物，合金在變形過程中在其附近產生較大應力集中。碳化物為脆性相，其主要析出處在晶界，對合金的塑性及高溫蠕變性能有不利影響［27］。除此之外，元素C的加入對于提高鈦合金的使用壽命是有利的［28-29］。

2.1.8 稀土元素

在高溫鈦合金中，稀土元素可以形成第二相彌散質點、細化晶粒、增加位錯密度等，從而產生強化作用，但稀土元素會奪取固溶體中的間隙氧，降低間隙固溶強化，從而產生軟化作用［30］。

稀土元素可使鈦合金的熱強性和熱穩定性達到最佳匹配［31-32］，且能有效改善鈦合金的高溫蠕變性能。稀土元素與氧有著比較高的親和力，它還可以轉移合金中的部分Sn，以達到凈化基體，抑制α2相的析出。但是，內氧化作用卻使得間隙固溶強化作用降低，以致產生了軟化作用。

Ti-60合金中添加了稀土元素Nd，Nd將會通過內氧化的形式形成富含Nd、Sn和O的稀土相，從而降低了基體中的氧，達到凈化基體，提高合金熱穩定性的作用［33］；研究表明，只有當某些種類且含量適當的稀土元素添加入鈦合金時，才能改善其熱加工性能。例如，加入低于0.05%的稀土元素Y和Er可顯著減少Ti-6Al-4V合金軋制時形成的邊裂［34］。

稀土元素對高溫鈦合金組織和性能都有一定直接或間接的影響，這些影響有些是有利的，有些是有害的。它跟稀土元素的種類、添加量、合金種類及合金化元素都有關系，其中稀土添加量最為關鍵，因為它決定著稀土元素的存在狀態、分布等。只有在鈦合金中添加適量的稀土元素才能得到有利的效果。

2.2 顯微組織對高溫鈦合金性能的影響

顯微組織的類型及相尺寸參數等對高溫鈦合金性能的影響很大，調整組織類型及參數是獲得具有強度、塑性及其他使用性能良好匹配的重要途徑。如圖1所示為高溫鈦合金中最常見的幾種顯微組織，圖1a、圖1b、圖1c和圖1d分別為網籃組織、等軸組織、魏氏組織和雙態組織。

網籃組織是兩相鈦合金在β相轉變溫度左右變形開始，或在β單相區開始變形，在兩相區變形完成，且變形量達到50%～80%時得到，網籃組織的疲勞強度比較高［35］。

在鈦合金中等軸組織和雙態組織的組織及性能特點相近，所不同的僅是所含初生α相的數量不同。等軸組織和雙態組織具有較高的塑性及疲勞性能。其缺點是高溫性能和斷裂韌性較低［36］。研究發現等軸組織中等軸α晶粒的最佳尺寸為2μm～4μm，此時可獲得強度、塑性及疲勞性能的良好匹配的合金。片層α相界面可有效阻礙位錯運動，提高合金斷裂韌性、高溫蠕變強度及抵抗裂紋擴展能力，但塑性和低周疲勞強度較低［37］。

魏氏組織是兩相鈦合金在β相區開始變形，同時在β相區終止變形，且變形量比較小，或是將鈦合金加熱到β單相區后以比較慢的冷卻速度冷卻時獲得的。其特點是原始β晶粒較粗大，晶界α清晰的分布在原始β晶界上，原始β晶粒內部有片狀的α束存在。魏氏組織具有較高的持久強度及斷裂韌性，但疲勞性能及塑性偏低，尤其是斷面收縮率［38］。

除此之外，組織特征參數對鈦合金的性能的影響也很大，主要是考慮初生α相（αp）含量及原始β相晶粒的尺寸。細小的β相晶粒和片層α尺寸可使高溫鈦合金具有良好的塑性、持久性能、疲勞性能。一般情況下，為獲得良好塑性，組織含有體積分數高于20%的等軸αp相；但持久性能及蠕變性能卻隨αp相的含量增加而降低。由此合理地控制αp相和片層次生α相的相對含量，可調整塑性、高溫持久、蠕變性能及疲勞性能之間的匹配。有研究結果發現，當αp相的體積分數位于5～15%，原始β相晶粒尺寸在20～40μm范圍內時，鈦合金的室溫性能較好，同時還具有優良的蠕變性能、熱穩定性和疲勞性能［39-40］。

2.3 熱處理的影響

含有不同合金化元素的高溫鈦合金，經過不同熱處理后，可獲得不同組織狀態和性能。為使合金的組織和性能滿足要求，可通過選用合適的熱處理制度來改善。在高溫鈦合金中常用的熱處理主要有退火、固溶和時效等［41］。

2.3.1 退火

退火可提高鈦合金的室溫塑性、熱穩定性、斷裂韌性和高溫蠕變強度［42］。對于鈦合金而言主要有等溫退火和雙重退火。

等溫退火，是指將鈦合金加熱到再結晶溫度以上，但在低于β相變點30～100℃的范圍內，接著轉到另一熱處理爐中進行爐冷處理，冷卻至β相具有較高穩定性的溫度范圍內再進行保溫，之后進行空冷。與普通退火相比，等溫退火的第二階段保溫目的就是為了讓β相充分發生分解，使其處于更穩定的狀態，從而使合金的組織和性能穩定，達到提高鈦合金的塑性、持久強度和熱穩定性的目的［43］。因此，等溫退火適于含有較高β穩定元素含量的α+β兩相鈦合金［44］。

雙重退火是指進行兩次加熱、兩次保溫以及兩次空冷的過程。第一次加熱溫度為低于β相變點20～160℃；第二次加熱溫度為低于β相變點300～450℃，且高于使用溫度。雙重退火的優點主要體現在第一次退火時，可使組織中保留部分的亞穩β相，使其在第二次退火時能夠充分分解，達到強化目的?？筛纳痞?β兩相鈦合金的塑性、熱穩定性以及斷裂韌性等。BT25鈦合金采用雙重退火后可獲得理想的綜合性能［45］，第一次熱處理溫度為950～970℃，保溫1h后空冷，第二次熱處理溫度為530～570℃，保溫6h后空冷。

2.3.2 固溶和時效

固溶和時效也是能夠在較大的范圍內改善鈦合金的性能的兩種熱處理制度。α+β兩相鈦合金加熱到固溶溫度以上時，組織中的α相會轉變成β相，通過快速冷卻可將其保留至室溫，之后在進行時效，組織中不穩定的β相會發生分解而產生次生α相，從而可以提高鈦合金的強度。

圖1 鈦合金四種典型組織（a）網籃組織；（b）等軸組織；（c）魏氏組織；（d）雙態組織

當鈦合金在固溶溫度以下淬火時，冷卻速率對組織和性能有著非常重要的影響。若冷卻速度太慢，可能會產生擴散，從而影響時效強化作用。α+β兩相鈦合金進行水淬，可阻止不穩定β相的分解，以便達到時效時產生強化的目的。

3 結語

高溫鈦合金在航空領域的使用由來已久，隨著社會經濟和科技的快速發展，高溫鈦合金所使用的溫度越來越高，對其性能要求也就越來越高，尤其是高溫強度和熱穩定性已經成為制約高溫鈦合金發展的障礙。要想提高高溫鈦合金的在高溫使用時的性能，就要了解影響其性能的因素。因此本文對影響高溫鈦合金的一些因素進行了簡單分析和總結，更多的因素和研究，還需科研工作者今后共同努力，相信在諸多科研工作者的共同努力下，高溫鈦合金的使用溫度會越來越高。

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Som e influence factors for the properties of high-tem perature titanium alloys

Titanium and titanium alloys are wildly used，because of its excellent properties，especially the high-temperature titanium alloy.As the usage temperature increased，the high properties of titanium alloys are became the center of study.Hence，this paper introduce the factors，which are effect the properties of titanium alloys.The effects of alloying elements，the state of microstructures and heat treatments are considered in this article.

high-temperature titanium alloys； high temperature properties； alloying elements； heat treatment