影響航空用高溫鈦板 鈦合金性能的因素
文字來源：深圳市恒溢鈦業有限公司人氣：1419發布時間：2018-07-07【小中大】
鈦及鈦合金是極其重要的輕質結構材料，以其優異的物理機械性能，如耐熱性高、比強度高、抗蝕性好等，廣泛地應用在在航空航天、醫療器械、石油化工和生物醫學工程等領域[1]。鈦合金被應用在航空領域的驅動力主要有以下幾個方面[2-3]：
（1）降低航空設備重量，可替代鋼等；
（2）使用溫度可在相對較高溫度，可替代鋁合金等；
（3）良好的耐蝕性能，可替代鋁合金部件等；
（4）與聚合物基復合材料有良好的匹配性。對于應用在航空發動機的壓氣機盤、加力燃燒室筒體、葉片和機匣零部件的服役環境十分惡劣、溫度高、壓力大，要滿足工況條件的要求，這就需要制備這些零部件的材料，需要有良好的性能匹配，如室溫及高溫性能、高溫蠕變強度、疲勞強度、斷裂性能和高溫熱穩定性等。在眾多的結構材料中，能滿足上述服役條件的材料不多，但高溫鈦合金是其中一種，且已經應用在航空設備上，如空中客車A320上配置的V2500發動機用鈦量占其結構總重量的31%，裝備F15戰機的F100發動機的鈦合金用量為36%。
高溫鈦合金隨高性能航空發動機的發展需求而發展，用量呈不斷增長的趨勢，尤其是在航空發動機上[4]。在其性能得到搜鈦網保障的同時其使用溫度從20世紀50年代的以Ti-6Al-4V合金為代表的350℃發展到如今以IMI834合金為代表的600℃，600℃是目前高溫鈦合金的最高使用溫度，600℃下使用的典型的高溫鈦合金有IMI834、Ti-1100、BT36和Ti-60等，如表1所示為各個國家部分600℃下使用的高溫鈦合金[5-13]。隨使用溫度升高，合金的高溫蠕變性能和熱穩定性都迅速降低，高溫強度和熱穩定性就成為制約高溫鈦合金發展的障礙。而鈦合金的高溫性能受到各個因素的影響，如合金化元素、顯微組織、熱處理制度和第二相等均對合金的高溫性能有一定影響。
2 影響高溫鈦合金性能的因素
2.1合金化元素
現在正在使用和研究開發的高溫鈦合金大部分屬于近α型鈦合金，所主要添加的合金化元素有Al、Sn、Zr、Mo、V、Nb和Si等。與β型鈦合金相比，近α型鈦合金的高溫強度較高，熱穩定性較好且具有優良的焊接性能等。此外，雜質元素C，N，H和O以及Nd等稀土元素對高溫鈦合金的性能也有重要影響。
2.1.1 Al元素
Al為高溫鈦合金中經常添加的元素，也是最重要的固溶強化元素之一。Al的加入可降低合金密度，提高再結晶溫度、強度和（α+β）/β轉變點，并改善合金抗氧化性能。Al還能夠提高固溶體的原子結合力，增加合金高溫強度。由于Al原子以置換方式存在于α相中，Al含量超過其在α相中的溶解極限，容易導致有序α2 （Ti3Al）相析出，引起合金脆化，當含量在6.0～7.0%時合金具有較高熱穩定性和良好焊接性[14-15] 。
在高溫鈦合金中，當Al元素含量或者Al當量超過Al在α相中的固溶度時而形成α2（Ti3Al）相。α2相嚴重影響鈦合金的塑性、強度和韌性[16]。Rosenberg的Al當量公式為，[Al]eq= Al%+（Sn/3）%+（Zr/6）%+10（O+C+2*N）%[17]，當Al當量低于9%時，組織中不會形成脆性α2相，這樣合金的熱穩定性可以得到保證。經研究證實，析出α2有序相的特征電子濃度為2.12[17]，若合金的電子濃度大于2.12，組織中便開始析出α2相。IMI834、Ti-1100和BT25Y等典型的高溫鈦合金，都遵循Rosenberg原則，Al當量低于9%。α2相對鈦合金的各項性能均有顯著影響，細小均勻分布的硬脆α2相可提高合金強度，特別是高溫強度。在變形過程中，位錯遷移切過α2相粒子時，使得位錯大量堆積，造成很大應力集中，極大損害了合金塑性及韌性[18]。
2.1.2 Sn和Zr元素
Sn和Zr均為中性元素，與其他合金元素一同加入到鈦合金中，可起補充固溶強化作用。尤其是在高溫鈦合金中，為保證顯微組織中以α相為主，除了添加主要元素Al之外，還需要添加Sn和Zr元素進一步來提高合金的高溫強度。同時，Sn和Zr元素的添加對合金塑形的不利影響比添加Al元素時要小，這就使得鈦合金具有良好的加工成型性能和焊接性能。
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