船舶海洋工程用新型高温钛合金Ti75的发展与性能

一、高温钛合金

1、 高温钛合金的发展与应用

上世纪四十年代，钛首次投入工业化生产，经过八十年来的发展，钛和钛合金成为了航空航天、化工等几十个工业领域必不可少的材料。钛是轻质结构材料，是最重的轻金属，钛合金比强度高，具有优秀的耐高低温性能，是航空领域主要应用材料之一[2]。目前，TC4钛合金在研究和应用中最为常见，其综合性能达到了大部分常规应用的要求，而一些特殊的情况对钛合金材料提出了更高的要求。

正如近年来随着飞行器速度的提升，不但要求钛合金可使用温度不断提高，还要保证在高温下的性能不减退，高温钛合金便逐渐出现。TC4 的使用温度在 350℃，已经不符合部分航空零件的要求，随后相继研究出使用温度能达到 400℃~450℃的 TC6、TC9 等钛合金，相较于 TC4 略有提高，紧接着使用温度达到 550℃~600℃的 BT18、Ti-1100 等钛合金的出现，拉开了高温钛合金的序幕。在 550℃温度下长时间使用的钛合金有例如美国的 Ti-6242S、我国的 Ti55和 Ti633G 等高温钛合金。上世纪 60 年代，美国研发团队在传统钛合金 Ti64 的基础材料中加入一定含量的 Mo 元素，提升了 Ti64 的高温蠕变强度，研制出Ti-6242 合金并成为航天器发动机转子的新材料[3]。美国活性金属公司又在Ti-6242 中加入了 Si 使其蠕变强度进一步提升，研制出 Ti-6242S，使用细化β晶粒的方法来实现控制针状组织的作用，从而使得高温性能提升。在 565℃高温实验中钛合金的强度、刚度和抗蠕变强度都能保持良好的状态。北京航空材料研究院研制出的近α钛合金 Ti55，合金中加入稀土元素 Nd 能有效改善钛合金抗高温氧化性，稀土的内氧化作用促使 REXOV 颗粒的形成，产生弥散强化。通过内氧化作用降低钛合金材料中的氧含量，促使锡元素向稀土氧化物中转移，以此抑制有序相 Ti3X 的析出[4]。因此，钛合金 Ti55 在 550℃的长期使用中能维持优秀的热稳定性。

20 世纪 90 年代，高温钛合金得到了进一步发展，高温钛合金耐热温度升至600℃~650℃，英国 IMI834、美国 Ti1100 以及我国 Ti600 相继问世。钛合金也从航天发动机的冷端（风扇）转向到发动机的热端（涡轮）应用，用途进一步推进。

英国研发的 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Si 系合金 IMI834 是世界上首个使用温度超过600℃的钛合金，其中合金成分 Mo 提高合金的高温性能，Zr 和 Nb 改善钛合金的抗高温氧化性及抗蠕变性能。美国对 Ti-6242S 进行元素调整，将 Mo、Al、Si和 Sn 等元素含量改变得到使用温度为 600℃的近α型 Ti1100，合金成分为Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si，Ti1100 在高温下疲劳裂纹扩展速率较大。我国的高温钛合金发展事业起步较晚，Ti600 由西北有色金属研究院在学习其他国家高温钛合金的基础上加入我国特有的设计元素研制而出，其特有设计元素就是稀土元素 Y，稀土元素在合金中既可以使氧含量降低，又能使合金抗氧化性能提高。

Ti600 的成分为 Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.5Mo-0.4Si-0.1Y，合金的强度以及高温抗蠕变性能显著提升，具有良好的屈服强度和抗拉强度，工作温度也到达了 600℃。

近年来，不断有新的高温钛合金出现，使用温度不断提升的同时也遇到难题，各国都采用不同的方法对高温钛合金更深入地研究。美国麦道公司研制出的Ti-21Nb-14Al高温钛合金，采用的是粉末冶金技术，在760℃合金强度不会削弱并且能进行工作，已应用于高压压气机闸等部位[5]。德国宇航中心将高温钛合金和特殊材料结合，研制出SiC/IMI834复合材料，其性能比基体钛合金IMI834得到了进一步提升并且将使用温度也提高至700℃，目前并未得到应用[6]。我国高温钛合金事业奋起直追，紧跟着国际潮流。北京航空材料研究院着力研究性能突出的Ti3Al基合金，以更好抗疲劳性和抗高温蠕变性的Ti3Al基合金，来满足更新加速的航空发动机的要求。西北有色金属研究院也利用TiC颗粒增强钛基，采用预

处理熔铸工艺（PTMP）研制用于650℃的复合材料 TP-650TiC和TiC/Ti-15S 钛基复合材料，高温性能相较于Ti600更优异并且已经应用于航空航天等领域[7]。

中国科学院金属研究所研制的Ti750是在传统钛合金基础上改进的近α钛合金，名义组成为Ti-6.36Al-4.14Sn-9.12Zr-0.85Nb-1.99W-0.34Si，短时使用温度为750℃，合金中Al元素含量较传统高温钛合金有所提升，增强了合金的高温强度和塑性，是我国使用温度最高的钛合金。一些常见的国内外高温钛合金如表1.1所示。

2、高温钛合金的性能

高温钛合金大多属于近α型钛合金，因为α相能给钛合金带来很好地高温抗氧化性以及强度，使钛合金在高温下能正常工作。高温钛合金为 Ti750新型高温钛合金，此合金在传统高温钛合金基础上调整了元素含量，最高短时使用温度能达到 750℃，比 Ti600 的使用温度提高了 150℃。此合金名义成分为Ti-Al-Sn-Zr-Nb-W-Si，也是近α型钛合金，经过 1020℃的固溶强化以及 750℃的时效处理，其力学性能和高温性能得到了显著的提升。该新型合金在热稳定性和抗高温蠕变强度上相较于传统高温钛合金也得到了一定的优化，因此，本文研究该新型合金的切削机理对Ti750切削加工具有重要的理论意义和实际工程应用价值。