航空航天用高温钛合金及钛基（Ti-Al） 材料研究概况及应用

1、 概述

1.1 高温钛合金发展历程

近年来，随着科技及军工水平的不断飞升，对航空发动机推重比性能以及压气机的工作状态要求更为苛刻，在依靠整体叶盘、叶环等新型结构件的同时，还要更多地依赖于具有高比强度、低密度和耐高温强的先进合金材料，而高温钛合金恰恰符合了这一要求。国外先进航空发动机中，高温钛合金用量已占到发动机结构中的 25%~40%，足以证明高温钛合金是不可或缺且具有研发性的金属材料 [1] 下面将系统性的介绍航空航天用高温钛合金的研究发展历程。从 20 世纪 50 年代以来，英国、美国、俄罗斯和中国等国家竞相研制出不同使用温度的 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 系高温钛合金，使得高温钛合金走过了快速发展的道路。1954 年，美国研发出了第一种实用型高温钛合金 TC4，高温长时使用温度为 300~350℃，被广泛利用 [2] 。至 20 世纪 60 年代，美国又成功开发出可以在 450℃条件下使用的 Ti-6246 和 Ti-6242 合金，随后其他各国相继研究出使用温度高达 400℃的 IMI550、BT3-1 等钛合金，450~500℃的 IMI679、IMI685、Ti-6246 等钛合金以及 500~550℃的Ti-6242S、IMI685、IMI829、BT2、BT18Ｙ等钛合金 [3] 。航空发动机性能的不断提升对高温钛合金的使用温度提出了更高的要求，自 20 世纪 80 年代以来，为满足发动机用材耐热轻质的需求，600℃高温钛合金相继问世 [4] 。1984 年，英国的 IMT 钛公司和 Rolls-Royce 公司联合开发出了国际上第一个使用温度达 600℃的高温钛合金 IMI834。1988 年，美国开发出实用温度 600℃的 Ti1100 高温钛合金。1992 年，俄罗斯在 BT18Y的基础上用 5%的高熔点 W 代替 1%Nb，开发出 600℃的高温钛合金 BT36 [5] 。经过 50 多年的研究探索，于21 世纪初，高温钛合金短时使用温度可稳定达到 600℃。在 600℃及 600℃以上的环境中，高温钛合金可代替钢或镍基合金用于制造航空发动机压气机轮盘、叶片、整体叶盘、机匣等，减轻结构 40%左右的质量，显著提高发动机的推重比和使用性能 [6] 。为突破高温钛合金 600℃的热障温度，美国麦道公司采用快速凝固/粉末冶金技术，成功研制出一种使用温度达到 650℃以上的高温钛合金，并且在 760 ℃下其强度与目前常温下使用的钛合金强度基本一致 [7] 。

我国高温钛合金研发工作起步较晚，从最初的仿制到国际合作以及现在的自主研发，得到了各具特色成分和性能的高温钛合金，如图 1 所示为我国航空发动机用高温钛合金发展历程 [8] 。其中 Ti-53311S 高温钛合金使用温度为 550℃，用作航空发动机的耐热部件，在航天工业领域中广泛应用。我国自主研发的 600℃高温钛合金有中科院的 Ti60 合金、西北有色金属研究院的 Ti600 合金、北航研究院的 TG6 合金以及航天所与上海钢铁研制所共同研制开发的 600℃短时 7715D 高温钛合金，后者于 1994 年成功用于通讯卫星 FY-25 发动机喷注器并圆满完成太空任务 [9] 。在 2007 年后，由中科院金属研究所、宝钛集团和北京航空材料研究院合作开发了一种十组元短时使用温度 750℃、长时使用温度 650℃的近 α 型高温钛合金—Ti65 合金 [10] 。2009年航天三院通过改进传统钛合金各元素含量配比得到了一种新型短时使用温度为750℃的近α高温钛合金—Ti75 合金 [11] 。近十几年来，我国没有研制出使用温度更高的新型高温钛合金。

图 1 我国航空发动机用高温钛合金发展历程

1.2 高温 Ti-Al 基材料发展历程

高温钛合金的发展受到 600℃热障温度的局限性影响，有序强化型 Ti-Al 系金属间化合物便成为科研学者们的研究重点。密度（3.9~4.0g/cm 3 ），不到镍基合金的 50%，具有较高弹性模量，良好的高温强度、抗蠕变性能和抗氧化力等优点，且高温稳定使用温度可以达到 700~900℃。从 20 世纪 50 年代开始，苏联和美国等国家热衷于 TiAl 合金的研究工作，并且发现二元铸造 TiAl 合金具有良好的高温力学性能和优异抗氧化性 [12] 。于 1975~1983 年，TiAl 合金主要研究方向为合金元素的调控。美国 Pratt&Whitney 实验室的M.Blackburn 等人基于塑性和抗蠕变性能研发出 Ti-48Al-1V-0.3C 合金，其室温塑性可达 2%，并称之为第一代 TiAl 合金。该合金的强度不能满足发动机部件的使用温度要求，从而最终只停留在实验室研究阶段 [13] 。

1986~1991 年间，由美国空军和 GE 公司共同开发的 Ti-48Al-2Cr-2Nb 铸造合金合金已成功得到应用，成为第二代 TiAl 合金中最具有代表性的合金，该合金具有良好的综合力学性能。基本上在同一时期，瑞典 ABB公司开发了 Ti-47Al-2W-0.5Si 合金。第二代 TiAl 合金平均稳定使用温度 650℃，于 1992 年，戴姆勒奔驰集团属下的发动机公司—希哈芬公司首次对合金发动机叶片进行了试验，在经过 1000 次循环后完好无损；1995年，国外某高超声速飞行器的蒙皮首次试用了 TiAl 合金板材，极大的促进了世界范围内对合金板材的研究与推广；1996 年，GE 公司用铸造的方法，生产制造了适用于航空发动机的 TiAl 合金叶片，并将其推广应用；1999 年，TiAl 基合金首次被商业应用于三菱赛车的涡轮增压机 [14] 。第三代 TiAl 合金是由我国北京科技大学陈国良教授首先研究并提出，其特点为 Nb 含量为 5%~10%（质量分数），又称为高 Nb-TiAl 基合金，可大幅度提高 TiAl 合金抗氧化性和高温强度 [15] 。在此基础上，国内外科学家共同努力，使 TiAl 合金的熔模铸造技术取得了巨大的突破，GEnx 航空的第六级和第七级镍基涡轮叶片已经被 Ti-48Al-2Cr-2Nb 叶片取代，多个该合金的零部件也已经成功进行发动机装机实验 [16] 。2004 年 4 月启动研究开发的“梦想客机”波音 787成功试飞，其使用的发动机 GEnx 上采用了 TiAl 合金的铸造叶片，这标志着合金应用正在不断走向成熟 [17]在汽车和其他重要应用领域，TiAl 合金也得到了长足的发展。著名航空发动机厂商、全球最顶级豪华汽车制造商 Rolls-Royce，在车型 courtesy F Appel 上使用了 Ti-45Al-8Nb-0.5（B,C）合金铸造的涡轮 [18] 。奥地利Plansee 公司研制了 γ-MET 系列合金，德国 GKSS 研究中心研制了 Ti-46Al-9Nb（TNB）系列合金，双方还合作开发了 Ti-48Al-2Cr 合金等 [12] 。TiAl 合金的研究已经有了几十年的历史，可以将其总结为典型的几种，如表 1 所示为典型几代 TiAl 合金。

2 、工艺制备及技术特点

2.1 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 系高温钛合金

高温钛合金应首先具有高的热强性，同时兼顾其他力学性能，因此常采用近 β 锻造以及 β 固溶处理等工艺手段来获得具有 α 片层和少量残余 β 相组织的高温钛合金 [19] 。因世界各国对高温钛合金的性能要求不同，故对高温钛合金制备工艺的选择也不尽相同。美国研发高温钛合金的思路主要是将多元合金化和组织调控相结合，通过调整合金元素的种类和含量以及热处理制度来兼顾合金高的疲劳强度和蠕变强度，使其在高温下能实现热强性与热稳定性的最佳匹配。有别于美国，英国更重视高温钛合金的蠕变强度，所开发的高温钛合金成分中基本都含有 Si 元素，研发思路主要是依靠 α 相的固溶强化来提高材料力学性能。早期俄罗斯研发的高温钛合金中除加入合金元素 Al、Mo、Si 外，还加入有共析型 β 稳定元素 Cr、Fe 来强化 α 和 β 相 [20] 。

但通过进一步研究发现，Fe 虽然是最强的 β 稳定元素之一，但它的加入会影响高温钛合金的热稳定性，且熔炼时易产生偏析，所以逐渐减少了对 Fe 的使用，后期至今俄罗斯对高温钛合金的研究越发成熟，现已形成了一套完整的钛合金体系 [21] 。目前，能稳定应用于航空发动机上的钛合金的长时使用温度仍不超过600℃，若高于 600℃，合金的蠕变抗力和高温抗氧化性则急剧下降，只能作为短时高温钛合金结构件材料。

2.2 TiAl 系高温钛基材料

在过去 10 年左右的时间里，人们研究的成分范围主要集中在 Al 含量为 44%~48%（原子数）之间的合金。高温航空零用部件的需求量越来越大，许多合金系列都是这些部件的备选材料，但均有其适当的使用温度。TiAl 系合金的目标是在 600~900℃范围内取代超合金。其性能对成分高度敏感，高含量 Nb 加入会加重其室温塑性和断裂韧性的损失；加工温区太窄，中低温强度低，几乎很难依赖加工硬化来提高合金的强度；无 Cr 的 TiAl 基金属间化合物在 500~900℃的耐腐蚀性能差，元素熔点差异大，制备高质量合金铸锭工艺繁琐复杂并且成本很高 [22] 。目前提高 TiAl 合金室温塑性的途径大体上有三种：通过合金化调整晶体结构，增加有序结构的对称性；强化晶界以抑制环境脆性；形成多相合金，利用具有较好塑性的第二相，界面效应和组织细化以减小位错滑移距离等 [23] 。

几十年来，美国、奥地利、德国、日本和俄罗斯在 TiAl 合金板材制备研究较为成熟。美国的 UES 的Kim 和 Chani、美国橡树岭国家实验室的 C.T.Liu、德国的 GKSS、中国的西北有色金属研究院、哈工大、北科大、中南大学等都对合金进行了细致的研究，并且已经有所收获 [24] 。美国的通用电气、霍梅特、普惠、英国的劳斯莱斯和日本的石川岛播磨重工业株式会社等多家世界一流的航空发动机制造商都对合金进行了相关研究，并且对其应用所需的综合指标进行了系统测试，有效提高了该合金的产品利用率。

3、 优势及应用局限性

3.1 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 系高温钛合金

在 600℃以下 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 系高温钛合金的比强度、比蠕变强度和比疲劳强度方面较结构钢、铝合金以及镍基高温合金优势明显。以钛代替镍，可在保持同等强度的条件下，减重 70%并具有较好的服役性能，在航空发动机的耐高温部位中有着相当大的应用潜力。然而，高温抗蠕变性能和高温抗氧化性能随温度的升高而急剧下降是目前新型高温钛合金及钛基材料研制所面对的主要问题。对近 α 钛合金的设计也逐渐趋向多元高合金化，比如在传统高温钛合金的基础上添加 0.1%~0.5%（质量分数）的 Si，通过生成硅化物能够显著提高合金的高温强度和抗蠕变性能；在高温钛合金中添加 Nb、Y、Nd 等稀土元素，通过稀土元素的内氧化形成高熔点化合物，降低基体氧含量，提高合金的高温抗氧化性能和蠕变性能。也可采用特殊加工工艺、耐高温涂层的方法来提高高温钛合金性能。而当使用温度高于 600℃时，合金的热强性与热稳定性难以匹配协调，合金的抗氧化性急剧下降，表面氧化严重，导致合金热稳定性以及疲劳性能下降，甚至可能使航空发动机高压压气机部位的零部件存在“钛火”风险。

从最初英国的 IMT 钛公司和 Rolls－Royce 公司研发的第一个 600℃高温钛合金 IMI834 到现今近 30 多年的时间里，国际上仍未有成熟稳定的 600℃以上高温钛合金出现。其主要原因有两点：（1）600℃以上的使用温度下高温钛合金难以实现有效强化及强韧性的匹配。（2）600℃以上的使用温度下，合金表面将发生严重氧化，使得合金表面不稳定，性能进一步恶化。热强性与热稳定性是限制高温钛合金发展的一对主要矛盾。

3.2 TiAl 系高温钛基材料

此类合金在 600~750℃时具有良好的抗蠕变性能，极限温度可达到 900℃，被认为是目前金属间化合物中最有希望作为高温环境下使用的发动机叶片的材料。兼具高导热系数，是 Ni 基合金的两倍，有望部分取代 Ni 基高温合金，广泛应用于航空发动机或汽车领域的高温结构部件。然而，TiAl 系高温钛基材料室温延展性欠缺、高温强度以及高温抗氧化性不足，室温塑性较差，高温强度较低。提高其工作温度会受到蠕变、持久、表面抗氧化、组织稳定性、热盐应力腐蚀等性能的限制，室温韧性差，易发生脆性断裂；而在 800℃以上的环境中，抗氧化能力较弱，变形加工性能较差，难以加工成结构部件；850℃以上抗氧化能力不足 [25] ，阻碍了高温钛基材料的应用发展。为此，探索改善 TiAl 基合金以上不足的途径和方法成为当务之急，很多学者为此展开了大量的研究，复合强韧化的思想被引入进来，用以改善 TiAl 基合金室温断裂韧性与高温强度 [26,27] 。针对 TiAl 合金而言，为实现其在 800℃～900℃温度下长期使用，可采用原位自生复合方法在 TiAl基体中同时引入多种增强相，可望通过不同特性的复合相达到提高或改善 TiAl 基体的多种性能，而在复合过程中要注意增强相的形态、体积分数、取向以及其分布状态等问题 [28] 。

4、 高温钛合金及 Ti-Al 基材料未来发展趋势

对于如何发展高温钛合金及 Ti-Al 基材料的问题，其基调无外乎是降低工艺生产成本的同时使产品产量化，扩大应用领域的同时更要满足工业需求，即量到质的转变。就目前而言，高温钛合金及 Ti-Al 基材料多应用于传统市场，航空航天部门是上述材料最大的消耗方，则需减少高温钛合金及 Ti-Al 基材料的生产工艺成本，从而保证开源节流的同时提高产品的应用性能，制备出具有耐高温、优异热稳定性和热强性的长时高温钛合金及 Ti-Al 基合金材料，为发动机、叶盘、飞机机身等结构材料提供优质货源；而在传统化学和能源

工业，兼具耐高温的同时则更应专注于产品的耐蚀度、高强度、抗疲劳及使用寿命。在多元化的工业领域中，不盲目开发，而是有针对性的公关材料的使用性能，拓宽材料的应用领域，研制出新的产品。我们可利用现有的行业标准及资源，基于现有技术开发水平，不断探索学习与创新，将国内外钛技术融合，进行大量的实验及材料评估，完善产品性能并建立一定的数据库，为开发出特定环境下使用的高温钛合金及 Ti-Al 基材料产品做好充足的准备。

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