国内600℃高温钛合金发展现状

2020-08-06 13:48:01 全国能源信息平台

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国内高温钛合金的发展相对落后于发达国家,如美国、英国和俄罗斯,前期主要以仿制国外成熟牌号为主。经过科研工作者长时间大量的摸索探究,逐步形成了以添加稀土元素为特色的高温钛合金体系。其中最为典型的是 600℃ 航空发动机用高温钛合金 Ti60、Ti600 和 TG6,600℃ 以 上 短 时 应 用 高温 钛 合 金Ti65 和 Ti750。
为保证高温钛合金较高的热强性,Ti60 合金化程度较高,添加了更高含量的 Al、Sn、Si 等元素,成分为 Ti–5.6Al–4.8Sn–2.0Zr–1.0Mo–1.0Nd–0.35Si。微量稀土元素 Nd 的引入,不仅显著细化了 Ti60 合金的原始组织,抗氧化能力也得到了提升。添加稀土元素一方面可以内氧化形成稀土氧化物,净化基体,提高热稳定性;另一方面,弥散析出的稀土氧化物粒子的热膨胀系数有别于基体,冷却时易在其周围形成位错环可进一步强化基体。目前,Ti60 已进入小规模半成品生产试制阶段。
Ti600 的 典 型 特 点 是 添 加 了0.1% 稀土元素 Y,成分为Ti–6.0Al–2.8Sn–4.0Zr–0.4Mo–0.45Si–0.1Y。相比于国外 600℃ 高温钛合金,Ti600在保证同等室温、高温力学性能的前提下,其蠕变性能优势明显,同等应力加载条件下,残余变形更低,且焊接性能良好。目前已完成中试,进入产业化阶段,产品主要包括板材、棒材及小规格阀件、锻件等。
TG6 典型特点为用弱 β 稳定元素 Ta 代替 Mo,提升 Si 含量,且加入 0.06% C 扩大两相区加工窗口,成分为 Ti–5.8Al–4.0Sn–4.0Zr–0.4Si–0.7Nb–1.5Ta–0.06C。高 Si 含量明显提升了合金蠕变抗力,一定量的元素Ta 作为 β 稳定元素在提升强度的同时有效地改善了其加工性能。目前该合金已用于航空发动机 600℃以下压气机零部件的制造。
短时应用 600℃ 以上高温钛合金 Ti65 成分为 Ti–5.9Al–4Sn–3.5Zr–0.3Mo–0.3Nb–2.0Ta–0.4Si–1.0W–0.05C。长时使用温度为 650℃,短时使用温度可达 750℃。相比于 600℃高温钛合金,弱 β 稳定元素 Ta 以及高熔点元素 W 的加入不仅有效弥补了因中性元素 Sn、Zr 下降所造成的合金强度损失,同时也改善了蠕变抗性和持久性能,微量元素 C的引入同样有效地改善了两相区上部热处理时初生 α 相对温度的敏感性,扩大了两相区加工窗口,实现了强度、韧性、蠕变和疲劳性能的最佳匹配。目前该合金仍处于研发阶段。
Ti750 是目前国内使用温度最高的高温钛合金,成分为 Ti–6Al–4Sn–9Zr–1.21Nb–1.6W–0.3Si,短时使用温度可达750℃。典型特点为利用元素 W 来提升高温性能,元素 Si 提升合金蠕变抗性,但 Ti750 中 Al 含量相对较高,长时间时效或热暴露后会析出一定有序相 Ti3X(X 为 Al,Sn 等),从而导致合金室温塑性、韧性严重下降。
总结来看,目前世界各国高温钛合金的长时使用温度很难突破600℃,主要原因在于使用温度高于600℃,一方面合金热强性与热稳定性难以匹配协调;另一方面合金抗氧化性急剧下降,导致热稳定性和疲劳性能降低,对应用于航空发动机压气机部位的零部件也存在有钛火风险。可能的解决途径有:
(1)寻求新的添加元素。
(2)依靠稀土元素的作用:内氧化形成稀土氧化物净化基体、利用稀土氧化与基体热膨胀系数的差异在冷却过程中形成位错环强化基体、细化铸态晶粒,提高热稳定性。因此,要充分发掘稀土元素的作用。
(3)合理调控热加工工艺和热处理制度。通过对热加工过程的精确控制,包括热加工温度、应变速率、变形量以及后续冷却速率的控制来实现组织的精准预判。组织对应性能、精确的组织调控对寻求合金最佳综合性能匹配模式至关重要。对某些有指定方向上性能要求的合金也可通过控制变形工艺使其形成沿该方向上的择优取向,从而改善其某一方向上的性能。
(4)大量开展有关合金抗氧化涂层的研究。


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