1、高溫鈦合金概況

國內(nèi)外高溫鈦合金的研究一直極為活躍，極為重要，但其發(fā)展歷程卻極為艱辛，這主要是因?yàn)楦邷剽伜辖鹬饕糜陲w機(jī)發(fā)動機(jī)的壓氣盤、葉片和機(jī)匣等[1]。因發(fā)動機(jī)對高溫鈦合金的要求苛刻：它要求材料具有良好的室溫性能、高溫強(qiáng)度、蠕變性能、熱穩(wěn)定性、疲勞性能和斷裂韌性等的匹配，而這些性能對材料的成分和組織的要求是矛盾的，典型高溫鈦合金的性能特點(diǎn)如表1 所示。

目前已成功地應(yīng)用在軍用和民用飛機(jī)發(fā)動機(jī)中的新型高溫鈦合金有：英國的IMI829、IMI834合金，美國的Ti1100 合金，俄羅斯的BT18Y、BT36合金等，使用溫度達(dá)550～600℃。國外在傳統(tǒng)高溫鈦合金的基礎(chǔ)上仍在進(jìn)行深化研究。我國研制出了Ti55、Ti633G、Ti53311S、Ti-65Nd、Ti60、7715D 及Ti600 等7 種高溫鈦合金，比美、英、俄三國的總和還多兩個。表2 為部分國家高溫鈦合金的使用溫度及化學(xué)成分。但我國研制的高溫鈦合金在航空上并沒有得到真正應(yīng)用[2]，Ti533llS 和7715D550高溫鈦合金反而在航天上得到很好應(yīng)用。作者對美國、俄羅斯、歐洲和中國等國家高溫鈦合金的發(fā)展、現(xiàn)狀及趨勢進(jìn)行了介紹，評述了高溫鈦合金的發(fā)展趨勢，為我國高性能鈦合金的研發(fā)及應(yīng)用提供一定的思路和啟示。

2、國外高溫鈦合金研究現(xiàn)狀

高溫鈦合金以其優(yōu)良的熱強(qiáng)性和高的比強(qiáng)度，在航空發(fā)動機(jī)中獲得了廣泛的應(yīng)用，以其為材料生產(chǎn)的零件包括風(fēng)扇盤、葉片、壓氣機(jī)盤等。美國、英國、俄羅斯等航空工業(yè)發(fā)達(dá)國家先后研制出了在350～600℃環(huán)境中使用的高溫鈦合金。高溫鈦合金的使用溫度逐步提高，目前在研發(fā)中的高溫鈦合金使用溫度覆蓋了550~850℃的范圍。

2.1 美國高溫鈦合金的發(fā)展

美國是世界上最先研制出鈦合金的國家，美國在鈦合金研究領(lǐng)域，取得了舉世矚目的成果，這可從美國刊登在歷屆國際鈦合金學(xué)術(shù)論文集的研究論文中看出，無論從數(shù)量還是質(zhì)量上都居首位，美國研制的一系列實(shí)用性高溫和高強(qiáng)鈦合金，為其軍事工業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的動力。

1954 年，美國人成功研制出世界上第一個實(shí)用的鈦合金Ti-6Al-4V，奠定了耐熱鈦合金發(fā)展的基礎(chǔ)，其工作溫度僅300℃，但是由于其具有良好的綜合性能和較低的成本，至今仍是使用量最多的鈦合金。但隨著使用條件的提高，Ti - 64 合金也逐漸暴露出了一些不足，主要有:冷加工性較差、淬透性不理想、耐熱性不夠好、制備工藝復(fù)雜等。上世紀(jì)60 年代，開發(fā)了Mo含量較高的Ti - 6246和Ti - 6242 合金，將使用溫度提高到450℃左右。Ti - 6246 合金的β穩(wěn)定化程度進(jìn)一步提高，固溶時效和雙重退火后的低周疲勞強(qiáng)度明顯高于相應(yīng)的Ti - 64 合金，同時具有較高高溫蠕變強(qiáng)度和瞬時強(qiáng)度。70 年代，美國活性金屬公司通過添加Si元素，開發(fā)了使用溫度超過500℃的Ti - 6242S合金，該合金的最高使用溫度為540℃，室溫的σb=930MPa[3]，特點(diǎn)是具有強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度、韌性和熱穩(wěn)定性的良好結(jié)合，并具有良好的焊接性能，主要應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)零件、發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)板材零件、 飛機(jī)機(jī)體熱端零件[4]。

80 年代初，發(fā)動機(jī)制造商對高溫鈦合金的抗蠕變性能提出了更高的要求，于是美國研究開發(fā)了鉬含量較低的Ti-1100 合金。該合金是Ti-6242S 的改進(jìn)型合金，是以其使用溫度為1100OF 而命名的。Ti-1100(Ti - 6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si)合金是近α型鈦合金，使用溫度達(dá)到600℃，特點(diǎn)是具有較低的韌性和較大的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。該合金已用于制造萊康明公司T55-712 改型發(fā)動機(jī)的高壓壓氣機(jī)輪盤和低壓渦輪葉片等零件[5]。

進(jìn)一步提高合金的工作溫度往往受到蠕變溫度、組織穩(wěn)定性和表面抗氧化能力的限制。美國冶金學(xué)家用0.5%~1% Ta (質(zhì)量分?jǐn)?shù))代替IMI834 合金中的Nb，稱為IMI834-Ta。IMI834-Ta 合金的高溫性能與IMI834 幾乎相同，600℃時屈服強(qiáng)度達(dá)580MPa、蠕變性能高于IMI834[6]。

近幾年國外把采用快速凝固/粉末冶金技術(shù)研制鈦合金作為高溫鈦合金的發(fā)展方向，使鈦合金的使用溫度可提高到650℃以上。美國麥道公司采用這種技術(shù)成功地研制出一種高純度、高致密性鈦合金，在760℃下其強(qiáng)度相當(dāng)于目前室溫下使用的鈦合金強(qiáng)度[7]。

2.2 俄羅斯（含前蘇聯(lián)）高溫鈦合金的發(fā)展

高溫鈦合金以其優(yōu)良的熱強(qiáng)性和高比強(qiáng)度，在航空發(fā)動機(jī)上獲得了廣泛的應(yīng)用。為了滿足設(shè)計(jì)高性能航空發(fā)動機(jī)的需求，多年來，俄羅斯十分重視對高溫鈦合金的研制與開發(fā)。早在20 世紀(jì)50年代末期就開發(fā)出了BT6、BT3-1、BT8、BT9 等牌號的鈦合金，六七十年代又研制和開發(fā)了BT18、BT25合金。為了提高高溫鈦合金的性能和工作壽命，在原有合金的基礎(chǔ)上改進(jìn)研制了BT18y、BT25y、BT8M、BT8-1 和BT8M-1 等牌號的高溫鈦合金。此外，綜合性能優(yōu)良的BT22(Ti -5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr)、BT6 合金也被列入航空發(fā)動機(jī)選用材料系列中。如BT22 合金既可用于制造在350~400℃下長期工作的機(jī)身、機(jī)翼受力件及操作系統(tǒng)等的緊固件，也可用于制造工作溫度不高于350℃的發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇盤和葉片等。這些合金的熱強(qiáng)性能由低到高的順序依次為BT22、BT6、BT8、BT8M-1、BT9、BT25y、BT18y、BT36，為此，俄羅斯新型發(fā)動機(jī)多采用綜合性能優(yōu)良的鈦合金。

當(dāng)工作溫度不大于350℃時使用BT22 和BT6 合金；而在400~500℃范圍使用BT8-1、BT8M-1合金，在500~550℃范圍使用BT25y合金；在550~600℃范圍使用BT18y合金。而BT3-1、BT9、BT25等合金僅在老式發(fā)動機(jī)上使用。這些經(jīng)驗(yàn)可為中國高溫鈦合的研制、開發(fā)和選用上述合金提供參考[8]。

全俄材料研究院在BT36 合金研究方面投入了很大的力量，高溫鈦合金B(yǎng)T36 是一種含W 的8元復(fù)雜鈦合金[9]，并用其制造了壓氣機(jī)盤[10]。BT36 合金是俄羅斯目前耐熱溫度最高的高溫鈦合金，可在600℃工作。與BT18Y 合金在成分上的差別在于用5%W 代替了1%Nb，鎢的熔點(diǎn)(3410℃)和蠕變極限(95MPa)都比鈮要高得多(2000℃，43 MPa)，W的加入有利于提高合金的室溫強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和抗蠕變性能，尤其在550~600℃時更加明顯。因此，該合金比BT18Y（其使用溫度在500~550℃之間）更具競爭力，已在某發(fā)動機(jī)上得到了應(yīng)用。在多元合金系基礎(chǔ)上添加W 元素(0.7%~5.0%)是俄羅斯高溫鈦合金發(fā)展的新趨勢[11]。

此外，由于大型航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)對工作溫度在300～350℃用材的需要，俄羅斯全俄輕合金研究院研究了同時增添錫和鋯的BT22 合金的強(qiáng)度和高溫蠕變性能，研制出了性能優(yōu)于BT22的一種新的航空用鈦合金。新合金的名義化學(xué)成分為：Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr-1.7Sn-2.5Zr，被賦予正式牌號BT37。用該合金來取代傳統(tǒng)的BT3-1，BT6 熱強(qiáng)鈦合金來制造在300～350℃工作的壓氣機(jī)大尺寸盤和葉片，可使質(zhì)量減輕20%～25%[9]。

高溫鈦合金今后的發(fā)展方向?qū)⑹峭黄?00～650℃使用溫度，有報(bào)道說俄羅斯已研制出650℃使用的高溫鈦合金[13]。

2.3 歐洲

70 年代以來，在美國和日本技術(shù)沖擊下，歐洲各國感到發(fā)展高技術(shù)已成為同美日競爭中決定勝負(fù)的關(guān)鍵因素。促進(jìn)了以軍事為背景的鈦合金應(yīng)用研究的迅速發(fā)展。例如，用于高性能航空發(fā)動機(jī)的高溫鈦合金IMI829、IMI834 合金已領(lǐng)先于美國，高溫鈦合金和TiAl 金屬間化合物及其制備技術(shù)已取得了很大進(jìn)展；鈦合金和TiAl化合物的霧化制粉和沉積成形技術(shù)研究也屬世界先進(jìn)水平[10]。

2.3.1 法國

法國在新合金開發(fā)方面，使用Ti-17 合金制造了GE90 和M88 發(fā)動機(jī)零件，其工作溫度為350~400℃。用Ti-6242 和Ti-6246 合金制造了MTR390 發(fā)動機(jī)零件。法國人還利用Ti-6246 合金制造了阿里亞娜-5 發(fā)射器的結(jié)構(gòu)零件；將β-CEZ 鈦合金用于M88-X 未來型發(fā)動機(jī)中，其工作溫度為400~450℃[10]。

2.3.2 英國

英國是最早研究高溫鈦合金的國家之一，但在開發(fā)鈦合金的指導(dǎo)思想上與美國不同，以α相固溶強(qiáng)化作為提高蠕變強(qiáng)度的主要手段，側(cè)重于研究以提高蠕變強(qiáng)度為目標(biāo)的近α型鈦合金。由于認(rèn)識到Si元素對合金蠕變性能的重大影響，所以英國的高溫鈦合金幾乎都是含Si的[7]。

IMI 550 合金是英國于20世紀(jì)50年代中期研制成功的，與同期的美國合金Ti - 64 相比，抗拉強(qiáng)度提高了10%，使用溫度提高到400℃，Si 元素的加入有效地提高了蠕變強(qiáng)度。至此，英國確立了開發(fā)高溫鈦合金的基礎(chǔ)技術(shù)。60 年代，為進(jìn)一步提高蠕變強(qiáng)度，研制開發(fā)了IMI 679 和IMI 685合金。兩者均具有較低的Mo 含量，IMI 679 含有11%Sn 元素，這在高溫鈦合金中是不多見的，其使用溫度為450℃，抗拉強(qiáng)度與Ti - 6242 合金相當(dāng)，蠕變強(qiáng)度優(yōu)于美國的Ti - 64 和Ti - 811 合金。IMI685 合金是高Al、低Mo、中Zr 的近α型鈦合金，合金通過控制針狀組織來提高高溫蠕變強(qiáng)度，使用溫度在500℃以上，是一個專門為航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)的、同時具有良好蠕變性能、加工性能和焊接性能的合金[7]。

20 世紀(jì)70~80 年代，英國研究開發(fā)了以改善疲勞強(qiáng)度為主的IMI 829 和IMI 834 合金，屬于Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Si合金系，IMI834(Ti-5.8A l - 4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si)合金是英國在1984年研制成功的一種近α型鈦合金。IMI 834 還含有0.06%C。這樣的成分使合金的抗氧化能力和蠕變性能大大提高，而且有效地細(xì)化了宏觀和微觀組織，工作溫度可望達(dá)到近600℃。IMI 834 合金是α+β處理的近α合金，其組織是針狀轉(zhuǎn)變β+少量的初生α；IMI 829 合金經(jīng)β處理的組織是針狀α+少量轉(zhuǎn)變β，使合金具有最好的抗蠕變性能和斷裂韌性。試驗(yàn)證明：當(dāng)組織為5%α相+95%針狀轉(zhuǎn)變β時，合金具有高溫蠕變性能和疲勞性能的最佳結(jié)合。兩合金已分別在RB211 535E4 和Trent600-800，EJ200 和PW350 等發(fā)動機(jī)上得到了應(yīng)用。另外，進(jìn)一步提高這些合金的工作溫度往往受到蠕變溫度、組織穩(wěn)定性和表面抗氧化能力的限制[12]。

英國的鈦公司主要是帝國金屬工業(yè)公司(IMI)，它雖然也被美國的Timet 兼并，但在鈦合金研究方面也取得了一定的成績。如IMI 834 鈦合金就廣泛用于羅爾斯-羅依斯Trent700 發(fā)動機(jī)中，其工作溫度可達(dá)600℃，重量比鎳基超合金同等部件減輕了50kg。在Trent800 高壓壓氣機(jī)中，前3 級使用的也是IMI834 鈦合金。

但 IMI834 合金本身的穩(wěn)定性、表面易氧化缺點(diǎn)及高溫性能使其在使用溫度上受到了限制。據(jù)英刊報(bào)道，在合金中添加硅和鐵是至關(guān)重要的間題，硅能有效地改變?nèi)渥儚?qiáng)度；相反，增加鐵含量對蠕變強(qiáng)度卻有致命影響，鐵含量必須控制在0.015%以下。減少偏析程度和夾雜物，對提高高溫合金的性能有明顯的作用。要保證疲勞強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度，在α+β區(qū)固溶處理后的初生α相量一定要控制在7%~15%，這已是實(shí)驗(yàn)所證明的[13]。

2.3.3 德國

德國目前研究了Ti-6Al-4V 霧化球形粉末注射成形并經(jīng)燒結(jié)和熱等靜壓處理后，其性能明顯優(yōu)于鍛造件的情況。德國宇航中心對SiC/IMI834、SiC/Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo(原子分?jǐn)?shù))和SiC/Ti-22Al-25Nb(原子分?jǐn)?shù))復(fù)合材料進(jìn)行了詳細(xì)的研究。研究結(jié)果表明，這些復(fù)合材料具有良好的性能和應(yīng)用前景，其使用溫度可達(dá)700℃以上，將是宇航發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)部件的優(yōu)選材料。

3、中國高溫鈦合金的發(fā)展

高溫鈦合金研究一直是鈦領(lǐng)域的主導(dǎo)課題。但我國高溫鈦合金在開發(fā)和應(yīng)用方面落后于工業(yè)發(fā)達(dá)國家，英國的600℃高溫鈦合金IMI834 已正式應(yīng)用于多種航空發(fā)動機(jī)，美國的Ti-1100 也開始用于T55-712 改型發(fā)動機(jī)，而我國在20 世紀(jì)80 年代以前一直走仿制的道路[14]。近20 年來，我國鈦及鈦合金研制走的是仿制與自主研發(fā)相結(jié)合的道路。70 年代末到80 年代初主要完成400～450℃高溫鈦合金研究，‘九五’期間主要從事600～620℃高溫鈦合金研究。隨著研究進(jìn)展，高溫鈦合金的使用溫度會不斷提高。我國高溫鈦合金研制的初期大多是仿制俄羅斯和英國的，爾后逐步走上自己創(chuàng)制的道路。如西北有色金屬研究院在英國IMI829 合金基礎(chǔ)上，研制的550℃高溫鈦合金Ti633G(Ti-6.5Al-3Sn-3Zr-1Nb- 0.3Mo-0.3Si-0.2Gd)通過稀土元素Gd的內(nèi)氧化粒子Gd2O3獲得了熱強(qiáng)性與熱穩(wěn)定的良好匹配。與此同時研制的Ti-53311S(Ti-5Al-3Sn-3 Zr-1Nb -1Mo -0.25 Si)通

過增加抗氧化性元素鈮含量，550℃的熱穩(wěn)定性提高了。上海鋼鐵研究所研制的540℃使用的高溫鈦合金7715C(Ti-6.5Al-2.2Sn-1.2 Zr- 2Mo-2.2Nb-0.2 Si- B-Ce)通過硼與稀土元素Ce的交互作用，增強(qiáng)了相界及α 和β 相的強(qiáng)化效果，獲得良好的抗蠕變性能，538℃/315MPa/100h 條件下殘余變形量為0.157%，σb(540℃/510MPa)持久152h。該合金制成的盤件和葉片已在等型發(fā)動機(jī)上通過了長期工藝試車[5]。自主研制了在550℃使用高溫鈦合金TA12( Ti- 55) [15]。該合金中加入了稀土元素Nd， 通過熔煉過程內(nèi)氧化，形成與基體非共格的彌散分布的富Nd 第二相顆粒，降低了基體中的氧含量，從而提高了合金的熱穩(wěn)定性。隨后， 在 TA12 合金的基礎(chǔ)上， 研制了Ti- 60 合金。該合金適當(dāng)增加了Al、Sn、Si 的含量， 進(jìn)一步提高了合金的高溫蠕變性能和強(qiáng)度， 使合金的使用溫度達(dá)到了600 ℃。最近又在美國Ti- 1100 合金的基礎(chǔ)上， 添加約0.1% Y， 研制出Ti- 600 合金。該合金在600～650 ℃均具有良好的力學(xué)性能， 尤其是蠕變性能更好。700～1000℃ 下使用的鈦合金主要有Ti3Al 金屬間化合物、TiAl 基合金、高Nb-TiAl 基合金( 研究表明，TiAl 中加入Nb 是提高TiAl 合金高溫性能最有效的手段之一) 等。它們均具有低的密度，高的彈性模量，優(yōu)良的高溫強(qiáng)度以及良好的抗氧化性和抗燃燒性。但這類合金的室溫塑性和斷裂韌性較低，阻礙了它們的實(shí)際應(yīng)用［16］。表3 列出了我國自主研發(fā)的部分高溫鈦合金。

值得一提的是我國550～600℃使用的高溫鈦合金都含有少量稀土元素(如Gd、Nd、Y、Er、Ce等)，稀土的加入有兩種途徑:一是稀土的加入量嚴(yán)格控制在基體合金的固溶范圍內(nèi)，使其在凝固后保留在過飽和固溶體內(nèi)，隨后熱機(jī)械加工和熱處理、熱暴露后可能有少量細(xì)小彌散的稀土氧化物析出，大部分保留在基體合金固溶體內(nèi)，起固溶強(qiáng)化作用，對細(xì)化晶粒和抗蠕變性能有明顯的改善，根據(jù)這一原則西北有色金屬研究院和上海鋼鐵研究所發(fā)展了Ti633G、Ti600 和Ti7715D 合金；另一種途徑是加入0.4%～1.0%的稀土 (如Nd)，這大大超過了基體合金的固溶度，因此在合金凝固中形成粗大的稀土氧化物粒子和稀土金屬間化合物，通過對基體的凈化可以顯著增加合金Al當(dāng)量裕度，同時明顯細(xì)化晶粒和改善合金的抗蠕變和熱穩(wěn)定性，為此沈陽金屬研究所和北京有色金屬研究總院發(fā)展了Ti55， Ti60 及Ti65-Nd一系列含Nd高溫鈦合金[17]。

在實(shí)用的航空材料方面，近年研究開發(fā)的重點(diǎn)是Ti-55、Ti-17、Ti-6242、Ti-811、Ti-15-3、Ti-10-2-3及B21S等合金，并取得了較大進(jìn)展。例如，由550℃用的高溫鈦合金Ti-55 制成的高壓壓氣機(jī)盤、鼓筒和葉片通過了超轉(zhuǎn)、破裂、疲勞試驗(yàn)，并經(jīng)受了長期試車考驗(yàn)[18]。

目前我國正在開展600℃和600℃以上使用的高溫鈦合金研究，表4 為600℃ 鈦合金的主要性能。近年來，高溫鈦合金研究主要集中在600℃高溫和650℃高溫的復(fù)合材料。600℃高溫鈦合金研究主要是Ti60 和Ti600，包括合金設(shè)計(jì)、加工工藝、合金的相結(jié)構(gòu)、第二相及稀土元素釹的作用、焊接性能、熱穩(wěn)定性、蠕變形為、高溫氧化行為、疲勞行為等的研究[19]。

總體上來說，我國600℃及其以上高溫鈦合金還處于研究階段，在國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)上還沒有得到應(yīng)用。

4、結(jié)束語

高溫鈦合金的研制與應(yīng)用一直受到各國研究者的高度重視和政府的大力支持，在中國亦是如此，但國內(nèi)研制高溫鈦合金與國外有較大差距，這種差距不僅是在研究水平上，更是在工業(yè)化生產(chǎn)水平和應(yīng)用上，尤其是應(yīng)用上。國內(nèi)500℃以上高溫鈦合金雖眾多，但目前得到實(shí)際應(yīng)用的只有Ti53311S合金，多數(shù)是實(shí)驗(yàn)室或半工業(yè)試制性的成果。盡管如此，高溫鈦合金研究仍是一個熱門領(lǐng)域，材料研制部門研制高溫用鈦合金己從仿制走向創(chuàng)新。根據(jù)國際研制現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為高溫鈦合金的發(fā)展趨勢是：

（1）已在航空發(fā)動機(jī)上應(yīng)用的傳統(tǒng)高溫鈦合金的最高使用溫度仍為600℃。在600℃以上，蠕變抗力和高溫抗氧化性的急劇下降是限制鈦合金向更高溫度發(fā)展的兩大主要障礙，研制600℃的新型高性能的高溫鈦合金，即在保持良好抗蠕變強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗氧化性能和熱穩(wěn)定性的前提下，提高鈦合金使用溫度迫在眉睫[20]。

(2)合金朝著多元強(qiáng)化的方向發(fā)展。合金成分的優(yōu)化越來越重要， Ti - Al - Sn-Zr-Mo-S i - (Re)系近α鈦合金占主導(dǎo)地位；Si元素是高溫鈦合金中必不可少的重要元素[19]。

(3)稀土元素是高溫鈦合金中具有應(yīng)用前景的重要元素，稀土元素在高溫鈦合金中的作用尚待進(jìn)一步研究。稀土元素在合金中的機(jī)制作用需進(jìn)一步研究，為含稀土元素的高溫鈦合金的發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。

(4)繼續(xù)研制開發(fā)具有特殊用途的高溫鈦合金。

(5)目前金屬間化合物型耐熱鈦合金成為研究熱點(diǎn)， 為適應(yīng)航空航天工業(yè)發(fā)展的需求， 研究開發(fā)了Ti- Al 系金屬間化合物為基的合金。

(6)國內(nèi)在老合金挖潛方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外，如針對典型的TC4合金，國外開展了深層次的加工工藝與組織性能關(guān)系的研究，改善了TC4合金的性能，擴(kuò)大了合金的應(yīng)用，而國內(nèi)較少開展老合金的挖潛研究工作[21]。

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