【高温钛合金】
拼译：high tenaperature titanium alloys
1947年美国首先开创了世界钛工业化的道路，1950年又率先将钛合金用在F86歼敌机上，从此揭开了现代航空史上光辉的一页。今天由于钛合金尤其是高温钛合金的卓越贡献，使得现代涡轮喷气发动机的推力比由最初的3∶1增加到8∶1，压缩比由4∶1增加到25∶1，涡轮的进口温度已由最初的850C增加到现在的1100C，飞机的马赫数由1增加到3。钛合金在现代先进喷气发动机和飞机上的应用已高达33%和35%。为了减轻飞机的重量，提高飞机的作战性能和推重比，高温钛合金已成为现代和下一代先进民用和军用飞机必不可少的重要结构材料。高温钛合金主要用在涡轮喷气发动机上作压气机盘、叶片等。压气机是航空发动机的核心部位，工作温度一般在300～600C。从20世纪50年代开始，世界各钛工业国始终瞄准这个温度范围作为高温钛合金的发展目标，50年代初，英、美对高温钛合金的研究比较活跃。早期的研究偏重于通过添加某些共析型β稳定元素如Mn、Cr、Cu等，发展了一些简单的亚稳定β钛合金，比较典型的至今还在工业上应用的有Ti－8Mn等。大部分其他这类合金因热处理时容易形成共析化合物和脆性ω相，而且使用温度低(300℃以下)而放弃。后来转向α、超α和α+β合金的研究，其中超α钛合金如Ti－7Al－12Zr、Ti－5Al－5Sn－5Zr及Ti8M－8Zr－1Ta－1Nb等，由于在长期热暴露中沉淀出有序化合物Ti3A1降低了合金的热稳定性，因此这些合金均被淘汰。但某些简单的α、α+β合金如Ti5Al－2．5Sn、Ti－4Al－4Mn、Ti－6Al－4V及Ti－4Al－3Mo－1V等合金，由于具有良好的综合性能，使用温度可达350℃以下，而被工业上广泛采纳和普遍应用。尤其值得一提的是1954年美国研制的Ti－6Al－4V合金因具有很好的综合性能，使用温度可达350℃以下，后来在世界各钛工业国都得到广泛应用，用作发动机的风扇盘和叶片，而且用量占所有钛合金的50%～60%，素有“工作马”的美称。从50年代中期开始，前苏联、日本、中国、德国、法国陆续开展了对高温钛合金的研究。这段时间，高温钛合金的研究集中在相图、成分探索、组织和性能之间的关系等方面的基础研究。到60年代初世界各钛工业国在400～500℃长时间使用高温钛合金，基本上稳定在10多种成分，而且各有特色。英、美多以近α合金为主：如1M1679、1M1685、Hylill65、Ti8Al－1Mo－lV、Ti－6242、Ti5521s、Ti－11等，而前苏联则以α+β型钛合金为主，如BT3－1、BT8，BT9等。另外，前苏联和英国特别重视少量元素Si的作用，合金中普遍加入0．25～0．35的Si。
中国、日本等国在这一时期由于钛工业刚刚起步，对高温钛合金的研究尚停留在实验室的仿制和少量实验室新合金的研究发展阶段。60～70年代西方钛工业的发展已趋向成熟稳定。各钛工业国经过10多年的基础研究和成分探索，高温钛合金的研究由盲目“配方炒菜”转入有一定理论指导的系统深入研究。深入系统地研究了Ti-Al、Ti-Al-Mo、Ti-Al-Mo-V、Ti-AlMo-Sn(Zr)-Si等二元、三元、四元、五元相图和相结构，详细研究了各种合金元素包括α稳定元素A1、O、C、N等，β稳定元素Mo、Nb、Si及中性元素Zr、Sn等对钛合金高温性能的影响规律，并特别注重合金的综合性能尤其是热稳定性。这一时期活跃在高温钛合金研究领域颇有贡献的材料科学家有：前苏联的И．И．Корнцлоь等在研究高温钛合金相图和耐热钛合金理论研究方面很有造就。英国帝国理工学院的West和Flower等人揭示了Si对高温钛合金好变性能的重要作用。更值得一提的是美国的H．W．Rosenberg总结了已有高温钛合金成分和性能的匹配关系，在1968年5月英国伦敦召开的第1届国际钛会上提出了一个举世闻名的Al当量经验公式：
。这一公式揭示了合金元素(Al、Zr、Sn、O2等)成分配比对高温钛合金热稳定性的影响规律，给出了欲获得最佳高温性能允许合金元素的最大配比法则。从此人们都运用这一公式来指导高温钛合金的发展。因而在70年代，世界各钛工业国在高温钛合金的研究方面都有新的突破。许多新的高温钛合金纷纷问世。1976年英国又推出了550C长期使用的高温钛合金1M1829，前苏联推出了BT18y，BT25等，美国推出了Ti－11、Ti－6242s等。日本、西欧(德、法)在仿制英、美合金的同时也发展了少数自己的高温钛合金，但没得到广泛应用。在此同时建立了各自的工业牌号和标准。中国在这一时期已从实验室的仿制转入工业试制攻关。仿制生产了前苏联的BT3－1、BT8、BT9等，英国的1M1679，美国的Ti6Al4V，Ti－7Al－4M0等，并逐步建立完善自己的工业牌号和标准。与此同时西北有色金属研究院、上海钢研所、沈阳金属所等单位也发展了一些500～650℃下使用的高温钛合金，尤其是西北有色院配合某些重要工程发展了Ti665等新的高温钛合金，已进入工业试生产和试用阶段。进入80年代，世界高温钛合金又有新的发展，等温锻造、精密锻造、精密铸造、热等静压(H1P)及电子束冷炉床熔炼等新工艺在钛工业上得到了广泛的应用，促进了高温钛合金工艺的发展和应用。英国在1984年又推出了600℃长期使用高温钛合金1M1834，随后美国推出了Ti－1100，前苏联推出BT35。英、美在高温钛合金应用工艺研究方面始终走在世界前列，当一种新的高温钛合金问世时，生产、设计、使用部门通力合作，立即投入工业试制和应用工艺的研究，一般经历3～5年的开发应用即便能投入工艺生产中应用。这一点是其他钛工业国无法相比的。例如英国的1M1834合金，1984年问世后，1990年在美国召开的国际钛产品应用会上1M1公司便展出了1M1834合金的精密铸件、模锻盘、叶片等工业产品，目前1M1公司正在与Rolls-Royce和MTU公司合作，准备将这一合金用在新型的航空发动机上。因为中国的航空工业还不能与西方国家相比，所以相对高温钛合金的研究还比较落后。80年代初开始发展550℃下长期使用的高温钛合金。“六五”期间西北有色金属研究院、沈阳金属所及上海钢研所等单位相继发展了Ti633G、Ti5113s及Ti55等550℃下长期使用的高温钛合金。目前正在开展这些合金的应用工艺研究和开发应用。准备把这些合金用在航空、航天新型的发动机上。从80年代开始，英、美等西方国家一方面加速对550～600℃常规高温钛合金的应用开发；另一方面竞相发展800℃以上使用TixAly有序化合物基高温钛合金。由于西方国家竞相发展空间宇航工业的需要，尤其是美国的NASPX30航天飞机、现代高温发动机材料技术发展计划(HITEMP)，其目标是将现有发动机的推力提高一倍，飞机的马赫数增加到10以上。这便对高温钛合金的发展提出了更高的要求。因而给Ti3Al(α2)和TiAl(γ)化合物为基有序高温钛合金的发展提供了机遇。尤其是TiAl有序合金具有高的比强度和比刚度，在大约1000℃下仍能保持足够高的强度和刚度及良好的虶变性能，抗氧化和抗氢脆的能力，是一种最具有潜力的轻质高温结构材料。因此近年来已成为各国高温钛合金的研究热点。近年来美国已将Ti－14，Al－20Nb3．2v－2Mo－0．07O2、Ti－13．8Al－21．5Nb－0．07O2及Ti48A1－2(MnCr)几种成分(均为原子%)的TixAly合金投入工业生产，生产铸型达3t多重。并以铸件、锻件、薄板、箔材(0．07mm)的试验产品投放市场。还试制出一些喷气发动机的零部件如F404、GE29、CF6及T－700等发动机的压气机铸造机座、锻造叶片、轧制的支承环等，并进行了试验。在美国航空航天计划NASP中，TiAl合金已作为新一代航天飞机(x－30)发动机部件、机架、蒙皮最有希望的候选材料。日本1988年3月也报导了应用TiAl合金试制成实验发动机情况。中国1988年将TiAl及Ti3Al有序合金的研究列入国家863高技术新材料发展计划，北京钢铁学院、北京航空材料研究所、西北有色金属研究院、沈阳金属研究所、中南工业大学等单位承担了该项目的研究。经过几年的努力，在合金微观结构、变形特性、添加元素的影响及合金制备技术方面进行了卓有成效的研究。目前中南工大、西北有色院等单位在TiAl合金的室温塑性已达到2%～3%的水平，但这些研究还停留在实验室阶段，在应用工艺研究和应用开发方面与国外还存在着很大的差距。【参考文献】：1 索朗宇娜O П，格拉祖诺夫C T著．热强钛合金，北京：第三机械工业部六二一所，19792 Blenknsop P A．Proceedings of 5th World Conference on Titanium Germany，1984，2323～23383 Farthing T W．Proceedings of 6th World Conference on Titanium，France，1988，37～474 Neal D F．Proceeding of 6th World Conference on Tieanium，France，1988，253～258(西北有色金属研究院罗国珍教授撰)