TC4/TA15高温钛合金的特性及其在航空发动机中的应用

引言

钛合金具有耐腐蚀性好、密度低、强度高、耐热性高等诸多优点，高温钛合金指一般长时间使用温度高于400℃的钛合金，相较普通钛合金具有更好的比强度、高温蠕变抗力、疲劳强度、持久强度和组织稳定性。由于航空发动机中的零部件处于高温、高压、高转速的极端环境中，因而要求材料具有耐高温、重量轻及抗蠕变能力强等特点。高温钛合金凭借其优异的材料力学特性可以很好地满足航空发动机的这些要求，并且可以很好地提高发动机的推重比及燃油效率。随着航空发动机高推重比的要求越来越高，其内部的工作温度和压强越来越高，对高温钛合金特性提出了更加严苛的要求。目前工程上应用比较成熟的钛合金，比如英国的IMI834钛合金，最高使用温度已经达到600℃左右。目前高温钛合金 的使用已经成为衡量航空发动机先进程度的指标之一。本文重点阐述了高温钛合金的高温力学性能及其在航空发动机上的应用，并对我国如何发展高温钛合金提供一些思路。

1、高温钛合金的特性

1.1　高温钛合金的氧化行为

由于航空发动机是在高温下工作的，其中的高温钛合金部件会承受氧化腐蚀的作用，钛合金的高温力学性能也受其抗氧化腐蚀能力的制约。钛合金的氧化会在其表面形成一层氧化膜，使得金属内部与外界环境隔离，性质较稳定，不会被进一步氧化，但随着温度的升高，表面氧化膜的循环层状剥落。钛合金在高温应用时由于受到氧化腐蚀作用的影响，其高温力学性能会有所下降。李旭升等总结了使用温度在500℃~750℃的高温钛合金的氧化行为，研究表明温度对高温钛合金的氧化速率有很大的影响，在氧化初期氧化增重呈直线型变化，随着氧化层的增重，化学反应速率减小，呈抛物线形增重，并且氧化膜的组成除TiO₂外还有Al₂O₃。曾尚武等研究了TC4钛合金的高温氧化行为，研究发现TC4在650℃的氧化膜中能够在循环氧化时保持完整，但在更高温度时可能会开裂和剥落。目前有多种提高高温钛合金抗氧化能力的方法，如在纯钛加入其他合金元素，制成多种新型钛合金。如加入铝元素，形成一层致密的氧化膜，保护钛合金免受氧化腐蚀，从而提高钛合金的高温抗氧化能力，此外，硅元素及铬元素同样可以形成氧化膜。然而过度的合金化也会影响材料的物理性质，在提高高温钛合金抗氧化能力的同时，高温钛合金的其他高温力学性能可能也会受到影响，使其无法很好地应用在航空发动机中，因此如何合理地添加合金元素还需要继续进行研究。另外一种方法是在钛合金表面填涂具有抗高温氧化的材料，比如通过在TC4高温钛合金表面进行渗铝的形式可以很好地提高其高温抗氧化能力，此外还有预氧化等方法也可以提高抗氧化能力。但目前每种方法都有一定的局限性，需要综合运用多种抗氧化措施来保证高温钛合金的高温力学性能。

1.2　高温钛合金的疲劳特性

在航空发动机中结构或零件承受的主要是交变载荷，疲劳失效是主要的失效模式。张亚娟等通过试验研究了Ti-6Al-4V钛合金的疲劳裂纹扩展特性，研究表明随着应力比的增加，疲劳裂纹扩展门槛值会降低，并且在应力强度因子一定时，裂纹扩展速率与应力比成正相关。近年来随着对航空发动机高可靠、长寿命的要求，这使得结构或材料要能承受107次以上的载荷作用，也就是超高周疲劳作用。李久楷等对TC17钛合金的高温超高周疲劳行为研究表明，疲劳S-N曲线在1 0 7次左右时出现拐点，裂纹萌生于表面或亚表面，同时高温会促进裂纹的扩展。钛合金的疲劳失效时有发生，需要采用一些抗疲劳措施来提高其疲劳特性。喷丸强化技术是目前广泛使用的一种提高零件疲劳性能的方法，该方法的原理主要是在试件表面形成残余压应力来部分抵消外加载荷的作用，从而提高零件的疲劳性能。何杉等研究了喷丸强化处理对TC17钛合金疲劳性能的影响，研究表明经喷丸强化处理的材料的疲劳极限可以提高34%以上，喷丸强化处理对提高疲劳性能效果非常显著。除喷丸强化外，挤压强化及离子注入等也是提高钛合金疲劳性能的方法。钛合金的疲劳特性对航空发动机的安全服役有很大影响，虽然目前对钛合金的疲劳特性进行了大量的试验及理论研究，但是很多机理还没有揭示，需要综合运用抗疲劳措施来提高钛合金使用安全性。

1.3　高温钛合金的蠕变特性

由于航空发动机中零部件都在高温下工作，蠕变对航空发动机的使用寿命及安全性能有着极大的影响。蠕变通常是指在高温持久载荷作用下材料所发生的一种缓慢的不可恢复的变形。王琪等对TA15钛合金的高温蠕变行为进行研究，结果表明一定的温度和应力范围内TA15合金蠕变变形过程中位错的滑移和攀移起重要作用，在550℃以上时位错攀移起主要作用。应力、时间、温度、合金元素、微观组织等都对高温钛合金的蠕变行为起到一定作用。李荣等对TC4钛合金棒材蠕变特性进行了研究，结果表明随着试验应力的增加，其蠕变过程达到稳定状态所需要的时间会变短，而稳态时蠕变速率会变快。对于蠕变的研究要结合蠕变疲劳的交互作用开展，因为在发动机中零部件的失效常常是在两者的共同作用下发生的。

2、高温钛合金在航空发动机上的应用

航空发动机是整个飞行器中最重要的部位，是保障安全完成飞行任务的核心所在。钛合金已经广泛地应用于航空发动机的很多部件中，钛合金的应用可以进一步提高航空发动机的推重比，提高其经济性。钛合金在航空发动机中的应用比例也是衡量发动机先进程度的重要指标，目前最先进的航空发动机美国F22战机使用的F119发动机钛合金用量已经达到40%左右。航空发动机中的叶片、叶盘及机匣等很多都是用钛合金制造的，已经获得广泛应用和正在开发的钛合金关键部件包括钛合金风扇、钛合金整体叶盘、整体叶环、连续纤维增强钛基复合材料叶片和钛合金机匣等。

随着钛合金关键部件设计及制造水平的不断提高，会有越来越多的钛合金航空发动机关键部件。

3、总结与展望

高温钛合金由于其优异的物理化学特性被广泛应用在航空发动机上，随着对航空发动机推重比的要求越来越高，无论是钛合金的使用量还是其力学性能的要求都会越来越高。在国家“两机专项”大力发展航空发动机的背景下，研制高性能的高温钛合金材料是提升我国航空发动机性能的关键。美英等发达国家对高温钛合金的研究起步较早，其研制的钛合金凭借优异的性能已经广泛应用于先进航空发动机中，推动了航空发动机的升级换代。

我国由于钛合金的研究起步较晚，跟发达国家还有一定差距，为此要：①对高温钛合金的发展要有一个科学的规划，组建一批高水平的专家科研队伍，确定高温钛合金的科研方向，组建科研平台，完善高温钛合金的研发体系，注重研发与大规模生产应用间的关系；②积极探索研发新型高性能多用途的高温钛合金材料，特别是能在600℃以上稳定工作的钛合金，对于TiAl合金及SiCf/Ti复合材料等未来的高温钛合金材料，要积极投入人力物力进行前瞻性基础性研究；③注重对高温钛合金生产制造水平工艺的研究，很多时候零部件达不到性能要求主要是由于生产制造水平不过关引起的，因此在研发新型高温钛合金的同时也要注重生产工艺的研究。

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