耐熱鈦合金

在高溫環(huán)境中長期工作的鈦合金

耐熱鈦合金（high temperature titanium alloy），又稱高溫鈦合金。在400～600℃具有較高強(qiáng)度的鈦合金。按組織分為 α+β 型和近 α 型鈦合金。典型馬氏體型 α+β 鈦合金有BT9，成分為Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si，使用溫度500℃。實(shí)用的多數(shù)為近 α 合金，Ti-6242合金成分為Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo，使用溫度540℃；IMl-834合金成分為Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si，使用溫度可達(dá)600℃。主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤和轉(zhuǎn)子葉片。制造壓氣機(jī)盤件要求有高的抗蠕變強(qiáng)度，適于采用雙態(tài)組織或網(wǎng)籃狀組織。制造壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片要求室溫和高溫下有高的疲勞強(qiáng)度，宜采用等軸組織。

中文名

耐熱鈦合金

外文名

high temperature titanium alloy

別名

高溫鈦合金

定義

在高溫環(huán)境中長期工作的鈦合金

分類

α、α+β、β鈦合金

簡(jiǎn)介發(fā)展過程一般分類工作條件和成分應(yīng)用TA說參考資料

簡(jiǎn)介

耐熱鈦合金（high temperature titanium alloy），以在高溫環(huán)境中長期應(yīng)用為目的的鈦合金。它在工作溫度范圍內(nèi)具有較高的瞬時(shí)和持久強(qiáng)度，較好的蠕變抗力和良好的熱穩(wěn)定性能。能在500℃以下長期工作的主要是高鋁當(dāng)量的馬氏體 α+β 型耐熱鈦臺(tái)金。它們邪含有較多的。穩(wěn)定元素，鋁當(dāng)量都在6%以上，通過固溶強(qiáng)化。相獲得相應(yīng)的高溫持久和蠕變強(qiáng)度；加入適當(dāng)?shù)?beta; 穩(wěn)定元素（如鉬）提高瞬時(shí)強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。典型的合金有：Ti-6Al-2.5Mo-2Cr-0.3Si-0.5Fe、Ti-6.5Al-3.3Mo-1.5Zr-0.25Si和Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo等。在500℃以上長期工作的主要是近α 型耐熱鈦合金。它們既含有鋁、錫、鋯等多種α 穩(wěn)定元素，又含有少量的鉬、鈮等β 同晶穩(wěn)定元素，而且鋁當(dāng)量幾乎都在7%以上。較之馬氏體α+β 型耐熱鈦合金、近 α型耐熱鈦合金在500℃以上具有更高的蠕變抗力和更好的抗疲勞裂紋擴(kuò)展和斷裂韌度。典型的合金有Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-5.5Al-2.5Sn-3Zr-1Nb-0.3Mo-0.3Si和Ti-6.5Al-2.5Sn-4Zr-1Nb-0.7Mo-0.15Si等。所有耐熱汰合金的鋁當(dāng)量一股都小于8%，以保證優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。主要用來制造氣機(jī)中的盤、葉片、導(dǎo)向器、隔圈、進(jìn)氣機(jī)匣及其他零件。[1]

發(fā)展過程

耐熱鈦合金是適合于在較高溫度下長期工作的鈦合金。它在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)具有較高的瞬時(shí)和持久強(qiáng)度。室溫下有較好的塑性、較好的蠕變抗力和良好的熱穩(wěn)定性。在室溫與高溫下均有好的抗疲勞性能。主要用來制造壓氣機(jī)中的盤、葉片、進(jìn)氣機(jī)匣以及飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。已得到應(yīng)用的耐熱鈦合金有固溶強(qiáng)化的α+β 型和近α 型鈦合金。能在500℃以下長期工作的α+β 型耐熱鈦合金，它們都含有較多的α 穩(wěn)定元素，鋁當(dāng)量都在6以上。加入適當(dāng)?shù)?beta; 穩(wěn)定元素，使合金在高溫下不僅顯示高的瞬時(shí)強(qiáng)度，而且具有足夠的塑性。典型的合金有TC4（Ti-6Al-4V），TC6（Ti-6Al-2.5Mo-2Cr-0.5Fe-0.3Si）和TC11（Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si）。在500℃以下長期工作的α 型耐熱鈦合金，它們都含有少量α 穩(wěn)定元素。鋁當(dāng)量幾乎都在7以上，在平衡狀態(tài)下合金有更多的α 相，因此這些合金在500℃以上具有更高的蠕變抗力和更好的抗疲勞性和斷裂韌度。由于近α 型合金具有這些優(yōu)良的綜合性能，而使其成為耐熱合金的主要體系。典型的合金有Ti-8Al-1Mo-1V（美國Ti-811）、Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V（俄羅斯BT-20）、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo（美國Ti-6242）和Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.3Mo-0.3Si（英國IMI-829）。

發(fā)展使用溫度高于500℃的耐熱合金，主要是解決合金熱強(qiáng)性與熱穩(wěn)定性之間的矛盾。目前國外在500～600℃使用的耐熱鈦合金有英國的IMI-834（Ti-6Al-4.5Sn-4Zr-1Nb-0.5Mo-0.4Si-0.02Fe），其最高使用溫度可達(dá)600℃，正在進(jìn)行評(píng)價(jià)的有美國的Ti-1100（Ti-6Al-2.7Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si-0.02Fe）。用于溫度為600℃的耐熱鈦合金，是Timet公司1988年研制的近僅鈦合金。

人們期望采用具有高損傷容限性能Ti3Al、TiAl為基體的金屬間化合物新型耐熱鈦合金。Ti3Al合金室溫塑性低，有代表性的合金為Ti-14Al-21Nb、Ti-14Al-21Nb-3V-2Mo合金和Ti-24Al-10Nb、Ti-25Al-8Nb-2Mo-2Ta、Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo以及Ti-22Al-27Nb合金。[2]

一般分類

鈦合金的分類方法有多種。按組織結(jié)構(gòu)可分為α 鈦合金、α+β 鈦合金及 β 鈦合金；按使用溫度可分為飛機(jī)結(jié)構(gòu)鈦合金和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)鈦合金；按用途與特性又可分為低強(qiáng)度鈦合金、中強(qiáng)度鈦合金、高強(qiáng)度鈦合金、超高強(qiáng)度鈦合金、損傷容限型鈦合金、低成本高性能鈦合金等。

（1）α 型鈦合金

工業(yè)純鈦以及Ti中加入α 穩(wěn)定元素如Al或中性元素Sn、Zr等，而且退火后的顯微組織為單一 α 相的合金稱為僅型合金。這類合金通過加入 α 穩(wěn)定元素固溶于 α 相中，以保證合金的熱強(qiáng)性和組織穩(wěn)定性。這類合金一般不能熱處理強(qiáng)化，具有中低強(qiáng)度、良好的缺口韌性和高溫蠕變性能，以及高的塑性、可焊性和熱穩(wěn)定性，但加工性能較差。

這類合金有工業(yè)純鈦（如TA1、TA2、TA3等）以及Ti-AI、Ti-Al-Sn、Ti-Zr、Ti-Sn -Zr等系列如TA6（Ti-5Al）、TA7（Ti-5Al-2.5Sn）、TA16(Ti-2Al-2.5Zr）、TA19（Ti-6Al-2Sn-42r-2Mo-0.1Si）等。其合金牌號(hào)用TA表示，如TA1～TA28。

（2）近 α 型鈦合金

在儀型合金中加入少量的 β 穩(wěn)定元素（≤2%）或Mo當(dāng)量≤2%，如Mn、Mo、V、Nb、Cr等，使合金的平衡顯微組織中除了以 α 相為主外，尚有少量的 β 相（≤15%）。這類合金具有僅型合金的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又因 β 相而改善了加工性能，可以通過熱處理達(dá)到一定的強(qiáng)化效果，在高溫下保持較好的熱強(qiáng)性和組織穩(wěn)定性及良好的綜合性能。目前熱強(qiáng)鈦合金大都屬于這一類，如IMI-834、Ti-1100、BT36、Ti-6242S等。此外，由于該類合金不易發(fā)生塑脆轉(zhuǎn)變，具有良好的低溫性能，可在極低溫度下使用，如Ti-5Al-2.5Sn。

這類合金的牌號(hào)多用TA表示。如TA12（Ti-5.5Al-4Sn-2Zr-1Nb-1Mo-0.25Si）、TA15（Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V）等。有的亦用TC表示，如TC1（Ti-2AI-1.5Mn）、TC2（Ti-4AI-1.5Mn）等。

（3）α+β 鈦合金

當(dāng)鈦中含有a穩(wěn)定性元素和有2%～8%的B穩(wěn)定元素V、Mo、Cr、Nb、Fe等（或Mo當(dāng)量為2%～10%）時(shí)，平衡態(tài)的組織一般是以僅相為主并含有10%～30%β 相，這類合金即為α+β 合金，通常稱為兩相鈦合金。當(dāng)合金中β 相含量為30%～50%時(shí)，又稱為富β 合金。合金中 β 相含量的增加，不僅改善了合金的加工性能，而且增加了熱處理強(qiáng)化的效果，所以該類型鈦合金具有較高的高溫拉伸強(qiáng)度和室溫拉伸塑性、較好的室溫低周疲勞強(qiáng)度等性能，而且還具有較寬的組織可變性，可通過熱處理對(duì)性能進(jìn)行調(diào)整，使之既可用于低溫使用環(huán)境（如Ti-6Al-4V ELI），也可用于中等溫度區(qū)間，如Ti-6Al-4V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo是目前應(yīng)用最廣泛的該類鈦合金。α+β 型合金的牌號(hào)一般用TC表示，如TC4（Ti-6Al-4V）、TC4 ELI（Ti-6Al-4V ELI）、TC4-DT（Ti-6Al-4V βELI）、TC11（Ti-6.5A1 -3.SMo -1.52r -0.3Si）、TC21（Ti-6Al-2Zr-2Sn-3Mo-1Cr-2Nb-0.1Si）、TC17（Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr）等。

（4）β 型鈦合金

該類鈦合金加入的元素主要有Mo、V、Cr等，β 鈦合金有較高的強(qiáng)度和優(yōu)良的沖壓性能，可通過淬火和時(shí)效進(jìn)一步強(qiáng)化。在時(shí)效狀態(tài)下，合金的組織為 β 相中彌散分布細(xì)小的 α 相顆粒。

典型合金的牌號(hào)是TB2，其成分為Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al，適用于制造壓氣機(jī)葉片、軸、輪盤等重載荷零件。[3]

工作條件和成分

高溫鈦合金主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)部件，如盤、葉片、導(dǎo)向器、隔圈、進(jìn)氣機(jī)匣等零件，這些零件要求材料在高溫工作條件下（300～600℃）具有較高的比強(qiáng)度、高溫蠕變抗力、疲勞強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高，高壓壓氣機(jī)出口溫度升高導(dǎo)致高溫鈦合金葉片和盤的工作溫度不斷升高。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，固溶強(qiáng)化型高溫鈦合金最高工作溫度由350℃提高到了600℃。

美國于20世紀(jì)50年代初成功研制出了世界上第一種鈦合金Ti-64（Ti-6Al-4V），使用溫度為300~ 350℃，隨后各國相繼研制出使用溫度可達(dá)400℃左右的IMI-550、BT31等合金；使用溫度在450℃以上的IMI-679、IMI-685、Ti-6246，Ti-6242（Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo）等合金；使用溫度達(dá)550～600℃的IMI-829、IMI-834、Ti-6242S、Ti-1100、BT18Y、BT36等合金。其中，應(yīng)用最廣的是Ti-64和Ti-6242兩種鈦合金牌號(hào)材料。我國研制的新型鈦合金總數(shù)達(dá)70多種，正在研制之中的600℃高溫鈦合金主要有Ti-60、Ti-600等合金，但600℃環(huán)境中長期使用的各項(xiàng)性能指標(biāo)還有待驗(yàn)證。

應(yīng)用

鈦及鈦合金是質(zhì)輕、高強(qiáng)、耐腐蝕的結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、艦船、兵器、化工、石化、冶金、電力、輕工、制鹽、建筑、海洋工程、醫(yī)藥、體育用品和日常生活器具等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是鈦合金應(yīng)用最早同時(shí)也是最有應(yīng)用前景的領(lǐng)域之一，早在19世紀(jì)70年代，鈦合金在俄羅斯航空發(fā)動(dòng)機(jī)的用量就達(dá)到了金屬零部件產(chǎn)品的50%。近些年來，值得注意的是鈦合金在軍用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品中的用量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，相反，鈦合金在大型民用發(fā)動(dòng)機(jī)中的用量卻呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

這種增加的趨勢(shì)，主要是由于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在大型客機(jī)上的應(yīng)用比較廣泛，鈦合金生產(chǎn)與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，以及鈦合金性能和可靠性的提高等因索。目前，在大型客機(jī)和運(yùn)輸機(jī)中使用的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)是最先進(jìn)的。鈦合金在新型燃?xì)獾溳嗭L(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，僅從減重的觀點(diǎn)來看，其效益是非常明顯的。近些年來，這種發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)量明顯增加，并且已經(jīng)顯現(xiàn)出進(jìn)一步增加的趨勢(shì)。

相對(duì)新型燃渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)來說，鈦合金對(duì)軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的用量則呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，軍用發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦量相對(duì)減少的主要原因，既可解釋為生產(chǎn)的批量較小，也可以解釋為軍用飛機(jī)所希望使用的發(fā)動(dòng)機(jī)是超聲速發(fā)動(dòng)機(jī)一渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)， 因此，鈦的用量則相對(duì)少了一些。

鈦合金主要用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇和壓氣機(jī)的盤、葉片和隔離裝置，以及發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣機(jī)匣、集氣器及其他零件。耐熱鈦合金一般可在溫度500～550℃下工作，甚至在600℃時(shí)也可正常工作，而結(jié)構(gòu)鈦合金只能工作在300～350℃。

結(jié)構(gòu)鈦合金比耐熱鈦合金具有更好的比強(qiáng)度、塑性和抗斷裂性，因此，結(jié)構(gòu)鈦合金特別適合于制造大尺寸渦輪風(fēng)扇的葉盤和葉片。

多種資料和數(shù)據(jù)表明，飛機(jī)發(fā) 動(dòng)機(jī)用鈦合金取代鋼材料，可減輕發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)重量的30%～40%。減輕重量的經(jīng)濟(jì)性，主要取決于結(jié)構(gòu)鈦合金的用量和設(shè)計(jì)

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