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影响航空用高温钛板 钛合金性能的因素

文字来源:深圳市恒溢钛业有限公司人气:232发布时间:2018-07-07

  钛及钛合金是极其重要的轻质结构材料,以其优异的物理机械性能,如耐热性高、比强度高、抗蚀性好等,广泛地应用在在航空航天、医疗器械、石油化工和生物医学工程等领域[1]。钛合金被应用在航空领域的驱动力主要有以下几个方面[2-3]:
  (1)降低航空设备重量,可替代钢等;
  (2)使用温度可在相对较高温度,可替代铝合金等;
  (3)良好的耐蚀性能,可替代铝合金部件等;
  (4)与聚合物基复合材料有良好的匹配性。对于应用在航空发动机的压气机盘、加力燃烧室筒体、叶片和机匣零部件的服役环境十分恶劣、温度高、压力大,要满足工况条件的要求,这就需要制备这些零部件的材料,需要有良好的性能匹配,如室温及高温性能、高温蠕变强度、疲劳强度、断裂性能和高温热稳定性等。在众多的结构材料中,能满足上述服役条件的材料不多,但高温钛合金是其中一种,且已经应用在航空设备上,如空中客车A320上配置的V2500发动机用钛量占其结构总重量的31%,装备F15战机的F100发动机的钛合金用量为36%。

  高温钛合金随高性能航空发动机的发展需求而发展,用量呈不断增长的趋势,尤其是在航空发动机上[4]。在其性能得到搜钛网保障的同时其使用温度从20世纪50年代的以Ti-6Al-4V合金为代表的350℃发展到如今以IMI834合金为代表的600℃,600℃是目前高温钛合金的最高使用温度,600℃下使用的典型的高温钛合金有IMI834、Ti-1100、BT36和Ti-60等,如表1所示为各个国家部分600℃下使用的高温钛合金[5-13]。随使用温度升高,合金的高温蠕变性能和热稳定性都迅速降低,高温强度和热稳定性就成为制约高温钛合金发展的障碍。而钛合金的高温性能受到各个因素的影响,如合金化元素、显微组织、热处理制度和第二相等均对合金的高温性能有一定影响。


  2 影响高温钛合金性能的因素
  2.1合金化元素
  现在正在使用和研究开发的高温钛合金大部分属于近α型钛合金,所主要添加的合金化元素有Al、Sn、Zr、Mo、V、Nb和Si等。与β型钛合金相比,近α型钛合金的高温强度较高,热稳定性较好且具有优良的焊接性能等。此外,杂质元素C,N,H和O以及Nd等稀土元素对高温钛合金的性能也有重要影响。
  2。1。1 Al元素
  Al为高温钛合金中经常添加的元素,也是最重要的固溶强化元素之一。Al的加入可降低合金密度,提高再结晶温度、强度和(α+β)/β转变点,并改善合金抗氧化性能。Al还能够提高固溶体的原子结合力,增加合金高温强度。由于Al原子以置换方式存在于α相中,Al含量超过其在α相中的溶解极限,容易导致有序α2 (Ti3Al)相析出,引起合金脆化,当含量在6.0~7.0%时合金具有较高热稳定性和良好焊接性[14-15] 。
  在高温钛合金中,当Al元素含量或者Al当量超过Al在α相中的固溶度时而形成α2(Ti3Al)相。α2相严重影响钛合金的塑性、强度和韧性[16]。Rosenberg的Al当量公式为,[Al]eq= Al%+(Sn/3)%+(Zr/6)%+10(O+C+2*N)%[17],当Al当量低于9%时,组织中不会形成脆性α2相,这样合金的热稳定性可以得到保证。经研究证实,析出α2有序相的特征电子浓度为2.12[17],若合金的电子浓度大于2.12,组织中便开始析出α2相。IMI834、Ti-1100和BT25Y等典型的高温钛合金,都遵循Rosenberg原则,Al当量低于9%。α2相对钛合金的各项性能均有显著影响,细小均匀分布的硬脆α2相可提高合金强度,特别是高温强度。在变形过程中,位错迁移切过α2相粒子时,使得位错大量堆积,造成很大应力集中,极大损害了合金塑性及韧性[18]。
  2.1.2 Sn和Zr元素
  Sn和Zr均为中性元素,与其他合金元素一同加入到钛合金中,可起补充固溶强化作用。尤其是在高温钛合金中,为保证显微组织中以α相为主,除了添加主要元素Al之外,还需要添加Sn和Zr元素进一步来提高合金的高温强度。同时,Sn和Zr元素的添加对合金塑形的不利影响比添加Al元素时要小,这就使得钛合金具有良好的加工成型性能和焊接性能。
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