先進航空發動機朝著高渦輪前溫度、高推重比、長壽命和低油耗方向發展,除了先進的設計技術,發動機性能的提高強烈依賴于先進材料及制造技術的發展,發動機的關鍵件和重要件亟需耐高溫、高比強度、高比模量、抗氧化和阻燃的新材料。隨著使用溫度的升高,材料的高溫性能尤其是蠕變性能顯得越來越重要。先進材料及制造技術保障了新材料制件及新型結構的實現,使發動機的質量不斷減輕,發動機的工作效率、使用壽命、穩定性和可靠性不斷提高。鈦合金材料在發動機400℃以下低溫段的應用受到密度更小的樹脂基復合材料的競爭,而普通鈦合金材料600℃以上的蠕變、持久、組織穩定性、抗氧化等性能已無法勝任發動機的使用要求[1] 。與鎳基高溫合金相比,600℃高溫鈦合金、Ti-Al系金屬間化合物、SiC纖維增強鈦基復合材料(SiCf/Ti)在500~850℃溫度區間的比強度、比蠕變強度和比疲勞強度方面有明顯優勢,在保持相同服役使用性能的情況下,以鈦代鎳可減重40%以上,這對提高發動機的推重比和使用性能效果顯著,這些新材料與整體葉盤、整體葉環等輕量化結構相結合,有望應用于新一代發動機高壓壓氣機和低壓渦輪部件[2] 。在Ti-Al系金屬間化合物家族中,與Ti3Al和Ti2AlNb合金相比,TiAl合金以其顯著的低密度、高比模量、高蠕變抗力、阻燃等優勢,成為發動機高溫結構應用最有潛力的材料之一。鈦火一直是影響發動機安全可靠使用的重大隱患,其發生往往是無征兆的,且在短時間內發生,來不及采取有效控制措施。發動機鈦火問題直接推動了阻燃鈦合金的研究與發展[3] 。
隨著600℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金、TiAl合金、SiCf/Ti復合材料這類新材料研究工作的不斷深入,技術成熟度得以提升,逐步積累工程化生產和應用經驗,研制的典型件在新型發動機上進行了強度考核和裝機試用,成為發動機新材料應用領域的新力軍。600℃高溫鈦合金適用于工作溫度為500~600℃的高壓壓氣機整體葉盤、機匣等;阻燃鈦合金適用于高壓壓氣機機匣、葉片等;TiAl合金適用于工作溫度在700~850℃的高壓壓氣機葉片、渦輪葉片等;SiCf/Ti鈦基復合材料適用于高壓壓氣機整體葉環。
雖然600℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金、TiAl合金、SiCf/Ti復合材料在某一項性能方面具有獨特優勢,但并非十全十美,在某些方面還存在明顯不足,如TiAl合金低的室溫塑性和韌性、較差的制造加工工藝性能以及高昂的成本等。因此,在進行選材和制定工藝時,應針對具體零部件的使用性能要求,綜合協調力學性能、工藝性能、生產成本等因素,遵循先進科學的設計準則如損傷容限設計、可靠度設計、概率壽命設計等,改進和提高材料性能,避免出現嚴重影響使用的短板,兼顧結構強度設計、材料研究和部件制造工藝技術,相互推動,促進設計、材料、應用三者的有機融合[4] 。本文綜述近年來我國在先進高溫鈦合金材料及應用技術等方面的研究進展及取得的成果,并提出材料及構件設計、加工和使用亟待突破的關鍵技術及其工程應用需要開展的研究工作。
1.先進高溫鈦合金材料及構件制造技術研究進展
根據在發動機上的設計使用特點,先進高溫鈦合金系列材料研究的目標始終是致力于提高長時使用溫度,即提高熱強性,同時須具有良好的熱動力學穩定性,即保證部件在設計使用壽命期內保持持續的物理和力學性能。發動機高溫段工作的盤、葉片、整體葉盤、整體葉環等轉動件,要求材料在高溫服役環境下具有足夠的蠕變抗力、高低周疲勞強度、組織穩定性及抗氧化能力,防止過量的蠕變變形和足夠高的疲勞強度是設計關鍵。此外,對于整體葉盤和整體葉環零件,控制氣動力誘發的葉片振動很重要。在400℃以下,普通鈦合金具有足夠的蠕變抗力,使用過程中一般為疲勞破壞為主的失效模式;而在400℃以上,隨著使用溫度的提高,蠕變性能愈來愈成為制約鈦合金使用性能和使用壽命的關鍵因素。同時,應考慮高溫環境下材料的蠕變與疲勞、環境的交互作用,以及過量的蠕變變形會造成葉片與機匣間的非正常摩擦引起的鈦火問題。
我國航空發動機在役和在研的主要高溫鈦合金如表1所示。隨年代的推進,高溫鈦合金的使用溫度呈不斷提高的發展趨勢,現役發動機上使用的鈦合金主要有TC4,TC11,TC17和TA11等,用于發動機風扇和壓氣機低溫段工作的葉片、盤、機匣等零件。20世紀90年代研制的550℃高溫鈦合金TA12,工程化時遇到較大的技術問題,后經成分優化,去除了稀土元素Nd,重新命名為TA32。Ti3Al基金屬間化合物合金TD2和TD3,其機匣典型件通過了強度考核試驗,尚未獲得實際工程應用。近年來,隨著先進發動機對高溫鈦合金的迫切需求,600℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金、TiAl合金和SiCf/Ti復合材料成為新型高溫鈦合金的發展重點。
表1我國航空發動機在役和在研的主要高溫鈦合金
Table1Principalhightemperaturetitaniumalloysinserviceandindevelopingforaero-engineinChina
Note:TB12and TF550are fireproof titanium alloys;TD3is a Ti3Al-based intermetallic.
1.1.600℃高溫鈦合金
600℃被認為是普通鈦合金的“熱障”溫度,進一步提高工作溫度受到蠕變、持久、組織穩定性、表面抗氧化等性能的限制[1] 。在500~600℃范圍內,與GH4169高溫合金相比,600℃高溫鈦合金在比強度、低周疲勞性能、抵抗疲勞裂紋擴展性能等方面有明顯優勢[5,6] ,因此,基于減重和提高推重比的目的,新型先進發動機對600℃高溫鈦合金有迫切需求。
國外典型的600℃高溫鈦合金有英國的IMI834、美國的Ti-1100、俄羅斯的BT36和BT41,其中IMI834在EJ200、TRENT系列、PW305、PW150等發動機上成功獲得批量應用[7] 。這些合金均以Ti-AlSn-Zr-Mo-Si作為主成分系,差異之處在于合金化含量以及加入其他β穩定化元素,如IMI834加Nb,BT36加W。十幾年來,國內幾家科研院所在600℃高溫鈦合金方面開展了大量研究[8,9,10,11] ,如北京航空材料研究院研制的新一代600℃高溫鈦合金TA29[8] 、中科院金屬所研制的TA33[9] 。
TA29鈦合金名義成分為Ti-5.8Al-4Sn-4Zr-0.7Nb-1.5Ta-0.4Si-0.06C,成分主要特點是采用Nb和Ta兩個弱β穩定化元素進行合金化,它們在α-Ti中具有較大的固溶度,可增強α相的固溶強化作用,有助于改善高溫抗氧化能力,提高熱穩定性。采用低Fe、低O的高純化控制方式,保證了合金優異的高溫蠕變性能。通過加入微量C,擴大了α+β區上部的工藝窗口,使合金具有更好的工藝適應性,滿足工業批產的工藝控制要求。從2000年開始至今,歷經成分探索、實驗室小錠熔煉到工業化鑄錠熔煉的漸進式研究,通過合金成分、熔煉、鍛造、熱機械處理、機加工等工藝參數的不斷優化,在工業條件下,實現了從3t型工業鑄錠熔煉、Ф300mm大規格棒材制備、大尺寸整體葉盤鍛件制備到整體葉盤零件機加工、檢測檢驗、表面處理等全程制造,工藝穩定、性能優越。TA29鈦合金典型整體葉盤鍛件如圖1所示。其中,第I類整體葉盤鍛件的外徑尺寸為Ф630mm,質量為112kg,截面厚薄差異大,軸向截面最大厚度為150mm。TA29鈦合金的拉伸性能與IMI834合金相當,但在高溫蠕變、斷裂韌度等方面有優勢,在600℃/160MPa/100h測試條件下,蠕變應變εp穩定在≤0.1%,在620℃/160MPa/100h測試條件下,εp≤0.15%,而IMI834鍛件(最大截面厚度≤80mm)的蠕變性能指標為:在600℃/150MPa/100h測試條件下,εp≤0.2%。TA29鈦合金拉伸試樣經過600℃長時熱暴露后,室溫拉伸塑性顯著降低,即熱穩定性下降,在120℃以上,毛坯熱暴露試樣的拉伸塑性與未暴露狀態試樣的拉伸塑性相當,而試樣熱暴露后拉伸塑性是未暴露狀態拉伸塑性的50%左右,且隨著溫度的升高,拉伸塑性差距逐步縮小。在300~600℃范圍內,試樣熱暴露與毛坯熱暴露的拉伸塑性相當,說明表面氧化層對熱穩定性的降低作用隨著溫度的升高逐步減弱[12] 。因此,對于在高溫環境下使用的TA29鈦合金,在設計選材和熱穩定性評估時,應考慮熱穩定性在高溫下會發生部分恢復的這一特性,而且在300~600℃范圍內,試樣熱暴露后的拉伸塑性仍能保持較高的數值。TA29鈦合金α+β區熱處理的整體葉盤鍛件的室溫斷裂韌度KIC為45MPa·m1/2,400℃及以上溫度KIC≥70MPa·m1/2,采用β模鍛的TA29鈦合金盤鍛件的室溫KIC值達65MPa·m1/2,可見TA29鈦合金具有良好的損傷容限性能。
圖1 TA29鈦合金整體葉盤鍛件
Fig.1 TA29titanium alloy compressor blisk forging
(a)I型[8];(b)II型(a)the I type[8];(b)the II type
圖2為TA29鈦合金典型整體葉盤零件。整體葉盤結構消除了盤、片分離結構存在的零件連接、裝配而引起的 零件之間的應力、變形和漏氣損失,使發動機的工作效率、質量可靠性有所提高。采用五坐標數控加工技術生產的TA29鈦合金整體葉盤零件,其外形尺寸、靜平衡、熒光檢測、表面殘余應力等均符合設計要求,TA29鈦合金整體葉盤零件通過了高溫超轉破裂、低循環疲勞、葉片振動疲勞強度考核。TA29鈦合金大規格棒材、整體葉盤鍛件和零件已具備小批生產能力。
圖2 TA29鈦合金整體葉盤零件
Fig.2 TA29titanium alloy compressor blisk parts
(a)I型;(b)II型(a)the I type;(b)the II type
TA29鈦合金因在620℃仍具有良好的蠕變抗力,在其他性能滿足設計要求時,可延伸至620℃左右長期使用。除在發動機領域具有很好的應用潛力外,TA29鈦合金在750~800℃仍能保持較高的抗拉強度,可在此溫度區間短時使用,應用于超高聲速導彈、火箭、飛行器、空天飛機等裝備的機體構件、蒙皮,以及所用發動機的高溫部件。
1.2 阻燃鈦合金
發動機壓氣機鈦合金零部件承受著高溫、高壓和高載荷的作用,當葉片與機匣發生摩擦,在較短的時間內引發鈦的燃燒,即產生鈦火。一旦發生鈦火,鈦的燃燒是以裂變方式發展的,在短時間內造成葉片燒損、機匣燒穿,甚至整個發動機燒毀。從1962年鷂式飛機所裝的飛馬發動機壓氣機工作葉片與機匣摩擦引起鈦著火起,國內外軍民用發動機發生過一百余起鈦火故障,涉及的發動機主要有F100,F404,CF6,PW4000等,嚴重影響了鈦合金在發動機上的安全可靠使用[3] 。據觀測,在高壓壓氣機中,鈦合金著火后約5~10s即能將機匣燒穿[13] 。從減輕發動機質量考慮,只要工作溫度允許,轉子葉片都采用鈦合金,為了防止鈦火,應避免鈦合金轉子葉片與機匣、轉子葉片與靜子葉片等的成對使用,在少數采用鈦合金機匣的發動機上,在機匣內徑與轉子葉片相對應的位置上嵌有防火隔層及易磨層,后來改用了合金鋼機匣,但增加了結構質量。使用阻燃鈦合金是最主要的鈦火防控技術途徑,為此專門研制了阻燃鈦合金用于壓氣機葉片、機匣等零件?？紤]到鈦火的巨大危害性,研制新的鈦基材料時,要充分重視和評估新合金的阻燃性能。
俄羅斯阻燃鈦合金采用Ti-Cu-Al系,美國采用Ti-V-Cr系。由于Ti-Cu-Al系阻燃鈦合金的高溫力學性能沒有達到設計要求而未進入工程化生產階段。我國在阻燃鈦合金領域的研究開展了二十余載,Ti-V-Cr系阻燃鈦合金是我國新型鈦合金的研究重點和發展方向之一[14] 。以Alloy C(Ti-35V-15Cr)合金的成分為基礎,研制了能在500℃長期使用的TB12(Ti-25V-15Cr-0.2Si)和在550℃長期使用的TF550(Ti-35V-15Cr-0.3Si-0.1C)合金[13,15] 。目前已突破鑄錠成分均勻性控制、棒材擠壓開坯、環鍛件軋制和阻燃性能評價等關鍵技術,并在阻燃機理研究方面取得重要進展[16,17,18] 。
TB12及TF550合金是典型的高合金化β型鈦合金,V,Cr元素含量總和高達40%和50%。制備阻燃鈦合金工業鑄錠要解決成分的精確控制和均勻性,以及微區V,Cr元素偏析問題。通過改進合金元素添加方式、電極結構、布料方式以及優化真空自耗熔煉工藝參數,成功制備了錠型為Ф620mm的TB12合金和TF550合金工業鑄錠。
TB12和TF550合金變形抗力大、工藝塑性低,傳統的鍛造設備和工藝方法不適于阻燃鈦合金的變形。我國大型擠壓設備的建設與投產為阻燃鈦合金工業鑄錠的開坯提供了可行的技術途徑。利用北方重工360MN擠壓機,嘗試了阻燃鈦合金工業鑄錠的包套熱擠壓開坯,由Ф620mm的鑄錠一次擠壓成Ф300mm棒材,如圖3所示,變形量大,晶粒顯著細化,工藝塑性得到明顯提高,后續坯料的改鍛可直接在快鍛機上進行,為機匣用TB12合金環鍛件及TF550合金厚板的制備提供坯料。通過軋制和等溫模鍛,分別獲得了尺寸為Ф742mm×Ф604mm×320mm的環鍛件及半環鍛件,如圖4所示。
圖3 TB12阻燃鈦合金包套擠壓棒材
Fig.3 Canned extruded bar of TB12fireproof titanium alloy
圖4 阻燃鈦合金壓氣機機匣鍛件
Fig.4 Fireproof titanium alloy compressor case forging
(a)TB12合金環鍛件;(b)TF550合金半環鍛件(a)TB12alloy ring forging;(b)TF550alloy half ring forging
阻燃性能即材料所具有的預防、終止或減慢燃燒的特性,是衡量發動機用鈦合金使用安全性的關鍵性能指標之一。合金元素對Ti-V-Cr阻燃鈦合金阻燃性能的影響、機理與評價方法等一直是困擾發動機設計選材和用材的技術難題[17] ?；谀Σ辽鸁嵩砗椭馃崂碚?提出通過局部摩擦升溫與氧分壓精確控制來實現塊體金屬材料點火燃燒的思路,將摩擦接觸壓力Pfric與預混氣流氧濃度c0作為控制參數,發明了摩擦氧濃度法(Friction Oxygen Concentration,FOC)鈦合金燃燒試驗技術與裝置,首次實現了阻燃鈦合金的阻燃性能定量表征[19] 。通過設備改造、調試及幾百次試驗,規范了試驗參數、初始試驗條件及試樣等,使表征參數的控制精度優于0.9%。采用FOC方法測試與評價了TB12及TF550合金的阻燃性能,如圖5所示[17] 。結果表明,TF550合金的阻燃性能略優于TB12,二者差異小于5%。
圖5 采用摩擦氧濃度法測定TB12和TF550合金阻燃性能[17]
Fig.5 Fireproof property of TB12and TF550alloys by friction oxygen concentration method[17]
