先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)朝著高渦輪前溫度、高推重比、長壽命和低油耗方向發(fā)展,除了先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù),發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高強(qiáng)烈依賴于先進(jìn)材料及制造技術(shù)的發(fā)展,發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵件和重要件亟需耐高溫、高比強(qiáng)度、高比模量、抗氧化和阻燃的新材料。隨著使用溫度的升高,材料的高溫性能尤其是蠕變性能顯得越來越重要。先進(jìn)材料及制造技術(shù)保障了新材料制件及新型結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn),使發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量不斷減輕,發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率、使用壽命、穩(wěn)定性和可靠性不斷提高。鈦合金材料在發(fā)動(dòng)機(jī)400℃以下低溫段的應(yīng)用受到密度更小的樹脂基復(fù)合材料的競爭,而普通鈦合金材料600℃以上的蠕變、持久、組織穩(wěn)定性、抗氧化等性能已無法勝任發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求 。與鎳基高溫合金相比,600℃高溫鈦合金、Ti-Al系金屬間化合物、SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料(SiCf/Ti)在500~850℃溫度區(qū)間的比強(qiáng)度、比蠕變強(qiáng)度和比疲勞強(qiáng)度方面有明顯優(yōu)勢,在保持相同服役使用性能的情況下,以鈦代鎳可減重40%以上,這對提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比和使用性能效果顯著,這些新材料與整體葉盤、整體葉環(huán)等輕量化結(jié)構(gòu)相結(jié)合,有望應(yīng)用于新一代發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)和低壓渦輪部件。在Ti-Al系金屬間化合物家族中,與Ti3Al和Ti2AlNb合金相比,TiAl合金以其顯著的低密度、高比模量、高蠕變抗力、阻燃等優(yōu)勢,成為發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用最有潛力的材料之一。鈦火一直是影響發(fā)動(dòng)機(jī)安全可靠使用的重大隱患,其發(fā)生往往是無征兆的,且在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生,來不及采取有效控制措施。發(fā)動(dòng)機(jī)鈦火問題直接推動(dòng)了阻燃鈦合金的研究與發(fā)展。

隨著600℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金、TiAl合金、SiCf/Ti復(fù)合材料這類新材料研究工作的不斷深入,技術(shù)成熟度得以提升,逐步積累工程化生產(chǎn)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),研制的典型件在新型發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了強(qiáng)度考核和裝機(jī)試用,成為發(fā)動(dòng)機(jī)新材料應(yīng)用領(lǐng)域的新力軍。600℃高溫鈦合金適用于工作溫度為500~600℃的高壓壓氣機(jī)整體葉盤、機(jī)匣等;阻燃鈦合金適用于高壓壓氣機(jī)機(jī)匣、葉片等;TiAl合金適用于工作溫度在700~850℃的高壓壓氣機(jī)葉片、渦輪葉片等;SiCf/Ti鈦基復(fù)合材料適用于高壓壓氣機(jī)整體葉環(huán)。

雖然600℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金、TiAl合金、SiCf/Ti復(fù)合材料在某一項(xiàng)性能方面具有獨(dú)特優(yōu)勢,但并非十全十美,在某些方面還存在明顯不足,如TiAl合金低的室溫塑性和韌性、較差的制造加工工藝性能以及高昂的成本等。因此,在進(jìn)行選材和制定工藝時(shí),應(yīng)針對具體零部件的使用性能要求,綜合協(xié)調(diào)力學(xué)性能、工藝性能、生產(chǎn)成本等因素,遵循先進(jìn)科學(xué)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如損傷容限設(shè)計(jì)、可靠度設(shè)計(jì)、概率壽命設(shè)計(jì)等,改進(jìn)和提高材料性能,避免出現(xiàn)嚴(yán)重影響使用的短板,兼顧結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)、材料研究和部件制造工藝技術(shù),相互推動(dòng),促進(jìn)設(shè)計(jì)、材料、應(yīng)用三者的有機(jī)融合[4] 。本文綜述近年來我國在先進(jìn)高溫鈦合金材料及應(yīng)用技術(shù)等方面的研究進(jìn)展及取得的成果,并提出材料及構(gòu)件設(shè)計(jì)、加工和使用亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)及其工程應(yīng)用需要開展的研究工作。

根據(jù)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的設(shè)計(jì)使用特點(diǎn),先進(jìn)高溫鈦合金系列材料研究的目標(biāo)始終是致力于提高長時(shí)使用溫度,即提高熱強(qiáng)性,同時(shí)須具有良好的熱動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性,即保證部件在設(shè)計(jì)使用壽命期內(nèi)保持持續(xù)的物理和力學(xué)性能。發(fā)動(dòng)機(jī)高溫段工作的盤、葉片、整體葉盤、整體葉環(huán)等轉(zhuǎn)動(dòng)件,要求材料在高溫服役環(huán)境下具有足夠的蠕變抗力、高低周疲勞強(qiáng)度、組織穩(wěn)定性及抗氧化能力,防止過量的蠕變變形和足夠高的疲勞強(qiáng)度是設(shè)計(jì)關(guān)鍵。此外,對于整體葉盤和整體葉環(huán)零件,控制氣動(dòng)力誘發(fā)的葉片振動(dòng)很重要。在400℃以下,普通鈦合金具有足夠的蠕變抗力,使用過程中一般為疲勞破壞為主的失效模式;而在400℃以上,隨著使用溫度的提高,蠕變性能愈來愈成為制約鈦合金使用性能和使用壽命的關(guān)鍵因素。同時(shí),應(yīng)考慮高溫環(huán)境下材料的蠕變與疲勞、環(huán)境的交互作用,以及過量的蠕變變形會(huì)造成葉片與機(jī)匣間的非正常摩擦引起的鈦火問題。

我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)在役和在研的主要高溫鈦合金如表1所示。隨年代的推進(jìn),高溫鈦合金的使用溫度呈不斷提高的發(fā)展趨勢,現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)上使用的鈦合金主要有TC4,TC11,TC17和TA11等,用于發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)低溫段工作的葉片、盤、機(jī)匣等零件。20世紀(jì)90年代研制的550℃高溫鈦合金TA12,工程化時(shí)遇到較大的技術(shù)問題,后經(jīng)成分優(yōu)化,去除了稀土元素Nd,重新命名為TA32。Ti3Al基金屬間化合物合金TD2和TD3,其機(jī)匣典型件通過了強(qiáng)度考核試驗(yàn),尚未獲得實(shí)際工程應(yīng)用。近年來,隨著先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)對高溫鈦合金的迫切需求,600℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金、TiAl合金和SiCf/Ti復(fù)合材料成為新型高溫鈦合金的發(fā)展重點(diǎn)。

表1我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)在役和在研的主要高溫鈦合金

Table1Principalhightemperaturetitaniumalloysinserviceandindevelopingforaero-engineinChina

Note:TB12and TF550are fireproof titanium alloys;TD3is a Ti3Al-based intermetallic.

億沐鑫新材料有限公司產(chǎn)品：鈦棒、鈦管、鈦板、鈦陽極、鈦箔鈦帶、鈦法蘭、鈦絲、鈦靶材、鈦設(shè)備、鈦餅鈦環(huán)、鈦標(biāo)準(zhǔn)件、鈦加工件