黃 旭，李臻熙，黃 浩

(北京航空材料研究院鈦合金研究室，北京100095)

高推重比航空發(fā)動機用新型高溫鈦合金研究進展

黃 旭，李臻熙，黃 浩

(北京航空材料研究院鈦合金研究室，北京100095)

綜述了我國航空發(fā)動機用高溫鈦合金材料體系的發(fā)展狀況。針對未來高推重比航空發(fā)動機對新型輕質耐高溫結構材料的需求，重點介紹了TiAl合金和SiC纖維增強鈦基復合材料2種關鍵的新型高溫鈦合金國外研究進展和應用情況。目前我國航空發(fā)動機主要應用的是α+β型鈦合金，工作溫度均在500℃以下，在更高溫度使用的近α型鈦合金(如600℃高溫鈦合金)尚處于研發(fā)階段。國外對TiAl合金的研究已近20年，在航空發(fā)動機領域已公開報導了10多種TiAl零部件，并且完成了地面裝機試驗，試驗結果非常理想。SiCf/Ti復合材料在航空發(fā)動機上的典型應用是葉環(huán)類和軸類零件，美、英等國均研制出了多個零部件，并進行了發(fā)動機考核試驗。TiAl和SiCf/Ti復合材料將是新一代高推重比航空發(fā)動機用的2種關鍵結構材料。

高溫鈦合金;TiAl合金;SiC纖維增強鈦基復合材料;阻燃鈦合金

1 前言

現(xiàn)代軍用戰(zhàn)斗機的戰(zhàn)術機動性、短距起飛、超音速巡航等優(yōu)異作戰(zhàn)性能在很大程度上依賴于先進的高推重比航空發(fā)動機的應用，而高推重比航空發(fā)動機的發(fā)展與高溫鈦合金的大量應用密切相關。國外先進航空發(fā)動機中，高溫鈦合金用量已占發(fā)動機總質量的25%～40%，如第3代發(fā)動機F100的鈦合金用量為25%，第4代發(fā)動機F119的鈦合金用量為40%。我國第2代航空發(fā)動機鈦合金用量約13%～15%，使用溫度一般不超過400℃。第3代航空發(fā)動機中鈦用量達到25%。高溫鈦合金主要用于制造航空發(fā)動機壓氣機葉片、盤和機匣等零部件，這些零件要求材料在高溫工作條件下(300～600℃)具有較高的比強度、高溫蠕變抗力、疲勞強度、持久強度和組織穩(wěn)定性。

新一代高推重比航空發(fā)動機研制需要更先進的材料與工藝支持。美國國防部在“綜合高性能渦輪發(fā)動機技術(IHPTET)”計劃中提出了高推重比、高性能發(fā)動機結構質量減輕50%，推重比提高100%的發(fā)展目標，材料和制造技術的貢獻率為50% ～70%［1］。隨著航空發(fā)動機推重比的不斷提高，壓氣機出口溫度不斷升高，對耐更高溫度的新型高溫鈦合金提出了迫切需求。本文介紹了我國航空發(fā)動機用高溫鈦合金材料體系的發(fā)展狀況，詳細闡述了TiAl合金、SiC纖維增強鈦基復合材料2種新型高溫鈦合金的國外研究現(xiàn)狀和應用情況。

2 我國航空發(fā)動機用高溫鈦合金材料的發(fā)展

航空發(fā)動機壓氣機葉片、盤和機匣等零件要求在室溫至較高的溫度范圍內(nèi)具有高的瞬時強度、持久強度、高溫蠕變抗力、組織穩(wěn)定性和高低周疲勞性能。α型和近α型鈦合金具有良好的蠕變、持久性能和焊接性，因此適合于在高溫環(huán)境下使用。近β型和β型鈦合金盡管在室溫至300℃左右具有高的拉伸強度，但在更高的溫度下，合金的蠕變抗力和持久性能急劇下降。α+β型鈦合金不僅具有良好的熱加工性能，而且在中溫環(huán)境下還有良好的綜合性能。按照發(fā)動機零件的使用環(huán)境和對材料的性能要求，α型、近α型和α+β型鈦合金更能滿足發(fā)動機的工作要求。經(jīng)過半個世紀世界各國鈦合金研究工作者的努力，目前固溶強化型航空發(fā)動機用高溫鈦合金的最高工作溫度已由350℃提高到了600℃，表1所示為世界各國研制的各溫度段使用的高溫鈦合金［2－5］。

表1 世界各國研制的高溫鈦合金Table 1 High-temperature titanium alloy developed by different countries

我國于20世紀70年代開始研制航空發(fā)動機用高溫鈦合金，其發(fā)展歷程見圖1所示。目前在我國航空發(fā)動機上獲得應用的主要是α+β型鈦合金，工作溫度均在500℃以下。更高溫度使用的近α型鈦合金(如600℃高溫鈦合金)尚處于研發(fā)階段，未獲得應用。

圖1 我國航空發(fā)動機用高溫鈦合金的發(fā)展歷程Fig.1 Development of high-temperature titanium alloy for aero-engine in China

我國在航空發(fā)動機上使用的工作溫度在400℃以下的高溫鈦合金主要有TC4，TC17，應用于發(fā)動機工作溫度較低的風扇葉片和壓氣機第1，2級葉片，TC6的用量較少，主要用于發(fā)動機緊固件。500℃左右工作的高溫鈦合金有TC11，TA15和TA7合金，其中TC11是我國目前航空發(fā)動機上用量最大的鈦合金，大量應用于我國WP13，WP14，WS11等第2代航空發(fā)動機的高壓壓氣機葉片和盤。當工作溫度達到500℃以上時，鈦合金的蠕變性能和熱穩(wěn)定性的重要性愈加突出，而這2種性能之間往往存在矛盾，需要通過優(yōu)化合金成分和控制顯微組織使這2個性能得以更好地匹配。目前，各國研制和使用的500℃以上高溫鈦合金均為Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系，最高使用溫度已達到600℃。已經(jīng)正式獲得應用的600℃高溫鈦合金是IMI834鈦合金，該合金已經(jīng)成功應用于EF2000戰(zhàn)斗機動力裝置EJ200發(fā)動機上，用于制造高壓壓氣機整體葉盤。我國的600℃高溫鈦合金Ti60還處于研制階段，尚未獲得正式應用。

單純采用固溶強化方法的鈦合金難以滿足使用溫度環(huán)境在600℃以上時對蠕變抗力和強度的要求。由于有序強化的Ti-Al系金屬間化合物具有高比強度、比剛度，高蠕變抗力，優(yōu)異的抗氧化和阻燃性能，因此成為使用溫度在600℃以上時的非常有潛力的候選材料，其中Ti3Al和Ti2AlNb合金長期工作溫度可達650～700℃左右，而TiAl基合金工作溫度則可達760～800℃。Ti3Al，Ti2AlNb和TiAl基合金低的室溫塑性和韌性是這類合金應用的最大障礙。除了進一步優(yōu)化合金的成分，改進加工工藝和控制組織，改善合金的塑性和韌性之外，還需要改變發(fā)動機結構設計理念，開展針對這類低塑性、韌性材料在航空發(fā)動機零部件上的應用的系統(tǒng)研究，才有可能將這些新材料應用于高推重比航空發(fā)動機。

3 TiAl合金

3.1 TiAl合金的發(fā)展歷史

TiAl基合金至今已經(jīng)發(fā)展了3代(見表2［9］)。早在50年代McAndrew和Kessler就發(fā)現(xiàn)二元TiAl鑄造合金具有良好的抗氧化性能和高溫性能。但因其室溫塑性和斷裂韌性太低，相當長一段時間內(nèi)發(fā)展比較緩慢。第1代TiAl基合金的代表是由美國空軍材料實驗室和P＆W公司于1975～1983年間共同開發(fā)的Ti-48Al-1V-0.3C合金［6－7］(文中除特別說明外，TiAl合金成分均為原子分數(shù))，該合金設計主要著眼于改善塑性和蠕變性能，但其綜合性能還不能滿足航空發(fā)動機零部件的性能要求，因而其發(fā)展只停留在了實驗室研究階段。第2代TiAl基合金中最具代表性的是由美國空軍和GE公司共同開發(fā)的Ti-48Al-2Cr-2Nb鑄造合金［8］。該合金的室溫塑性、強度和抗氧化性能均優(yōu)于Ti-48Al-1V-0.3C?，F(xiàn)已有多個該合金的零部件進行了發(fā)動機裝機試驗。此外第2代合金中較為著名的還有Howmet公司于1990年開始開發(fā)的2種XD鑄造合金:Ti-(45，47)Al-2Mn-2Nb-0.8(φ/%)TiB2。第2代 TiAl基合金在760℃時的大多數(shù)高溫性能(剛度、高溫強度、蠕變抗力、抗氧化性、耐腐蝕性等)按密度比均優(yōu)于或相當于有望被取代的鎳基高溫合金。

國外TiAl合金研制目前已經(jīng)發(fā)展到第3代，見表2所示［9］。目前發(fā)展的第3代TiAl合金有如下幾個特點:①與以鑄造合金為主的第2代TiAl合金不同，第3代TiAl合金主要發(fā)展鍛造合金;②合金成分設計上，不再以改善室溫塑性為主要設計目標，而是以提高高溫強度、高溫蠕變抗力等為合金設計目標;③合金中大量添加Nb，Ta，W等高熔點元素，通過置換固溶強化提高合金強度和蠕變性能;④合金中添加Si，C，N等間隙強化元素，通過間隙固溶強化和Ti5Si3，Ti2AlC，TiN等析出相彌散強化提高蠕變性能;⑤Al含量由第2代鑄造TiAl合金的47% ～48%(原子分數(shù))降低至了45% ～47%，以提高組織中的α2相含量，從而提高強度。

表2 TiAl合金的發(fā)展Table 2 Development of TiAl alloy

3.2 TiAl合金的特點

TiAl金屬間化合物合金密度僅3.8～4.0 g/cm3，是鎳基高溫合金的1/2，比鈦合金還低10%～15%;室溫彈性模量高達160～170 GPa，比鈦合金高33%，而且彈性模量在750℃高溫下還能保持150 GPa，與GH4169高溫合金相當;TiAl合金還具有高比強度，室溫至800℃強度保持率達80%，高蠕變抗力、優(yōu)異的抗氧化和阻燃性能，可在760～800℃長期工作，是非常有發(fā)展前途的航空發(fā)動機用輕質耐高溫結構材料。TiAl合金的主要特點［10－11］詳見表3。

圖2所示為鑄造TiAl合金與鍛造TiAl合金與其它金屬結構材料比強度的比較［12］。通過鍛造變形，可以大幅度提高TiAl合金的塑性、強度和疲勞性能。圖2所示，鍛造TiAl合金的比強度比鑄造TiAl合金大幅度提高，而兩者的工作溫度范圍相當，而且從室溫到1 000℃范圍內(nèi)鍛造TiAl合金的比強度是所有圖中所列金屬材料中最高的。國外報道，經(jīng)擠壓變形的TiAl合金最高斷裂強度可達 1 000 MPa［13］。

3.3 TiAl合金在航空發(fā)動機上的應用

國外對TiAl合金的研究已經(jīng)進行了近20年，截止目前，在航空發(fā)動機領域國外已公開報道了10多個TiAl零部件完成了地面裝機試驗，試驗結果非常理想。這些TiAl合金航空發(fā)動機零件的試驗成功極大地增強了發(fā)動機設計人員的信心，為TiAl合金在航空發(fā)動機上的應用奠定了技術基礎。

表3 TiAl合金的主要特點Table 3 Features of TiAl alloys

圖2 TiAl合金與其它金屬結構材料比強度比較Fig.2 Specific-yield-strength limits of structural alloys used today with TiAl alloys superimposed

由于TiAl合金具有高比模量、高蠕變抗力和抗燃燒的特點，其在航空發(fā)動機最佳的應用部位是高壓壓氣機葉片和低壓渦輪葉片(見圖3所示)，采用TiAl合金制造葉片不僅可直接降低葉片零件的質量，而且可以顯著降低輪盤的載荷，從而可實現(xiàn)系統(tǒng)的減質量效果。GE公司為波音787客機研制的GEnx發(fā)動機低壓渦輪第6，7級葉片采用了鑄造TiAl合金葉片，取代鎳基高溫合金實現(xiàn)減少質量達 72.5 kg［14－15］。這是 TiAl合金首次應用于航空發(fā)動機，而且是最新型的民用航空發(fā)動機，證明了TiAl合金在航空發(fā)動機上應用的良好前景。目前TiAl合金低壓渦輪葉片主要采用精密鑄造工藝制備。從2000年開始，國外開始采用鍛造工藝制造TiAl合金高壓壓氣機葉片。鍛造TiAl合金葉片性能比鑄造葉片力學性能大幅提高，可靠性也顯著提高，但成本昂貴。圖4所示為 Rolls-Royce公司研制的 TiAl鍛造葉片［16］。此外TiAl合金還可用于制造擴壓器、機匣和矢量噴口零件。

4 SiC纖維增強Ti基復合材料

4.1 SiC纖維及SiCf/Ti國外研究現(xiàn)狀

SiC連續(xù)纖維增強鈦基復合材料具有高比強度，高比剛度，良好的耐高溫及抗蠕變、疲勞性能，是理想的適用于700～900℃的航空發(fā)動機用輕質耐高溫結構材料［5，17］。在新一代高推重比航空發(fā)動機上，利用SiCf/Ti復合材料制造整體葉環(huán)代替壓氣機盤和葉片(如圖5所示)，可使減質量效果達70%，從而大幅度提高發(fā)動機的推重比［18］。

SiCf/Ti復合材料已成為新一代高推重比航空發(fā)動機研制的關鍵新型材料，美國、英國等航空發(fā)動機工業(yè)強國均大力開展相關技術的研究。美國在其“綜合高性能渦輪發(fā)動機技術(IHPTET)”計劃及NASP(National Aerospace Plane)計劃中均開展了大量的SiCf/Ti復合材料研究工作。美國空軍還發(fā)起了1項名為TMCTECC(Titanium Matrix Composite Turbine Engine Component Consortium)的SiCf/Ti復合材料的專項發(fā)展計劃，凸顯了該材料在未來高推重比航空發(fā)動機上的重要性［19］。

圖5 傳統(tǒng)的葉片－盤榫槽連接結構與SiCf/Ti復合材料整體葉環(huán)結構示意圖Fig.5 Illustration of SiCf/Ti composite Bling and traditional bladedisk structure

早在1972年，美國AVCO公司就開始了抗拉強度超過3 GPa的CVD SiC纖維的商品化生產(chǎn)［20］，這種早期的纖維利用直徑為12.5 μm的鎢絲作為基芯材料。但是由于鎢絲和SiC反應生成W2C和W5Si3，從而限制了纖維的熱穩(wěn)定性。當纖維加熱到1 000℃以上時，反應層隨纖維的加厚而增加，導致了其強度的劇烈下降。因此，后來采用碳芯作為芯材，不僅提供給SiC較好的熱機械穩(wěn)定性，而且具有更輕質、高強的特性。

目前國外已實現(xiàn)了CVD SiC商品化，美國Textron公司特種材料部獨家生產(chǎn)的品種分別為SCS-2，SCS-6，SCS-8的SiC(C 芯)纖維系列產(chǎn)品［21－22］。英國DRA 公司生產(chǎn)SiC(W芯)纖維SM1040，SM1140，SM1240系列產(chǎn)品［23］，以上纖維表面均涂敷有不同的保護涂層，分別用于制備樹脂、鋁、鈦、陶瓷基復合材料。這兩家公司所制備的SiC纖維強度均大于4 000 MPa，近年又制備出ultra-SCS及SM2156，強度超過6 000 MPa，SiC層均為細晶β-SiC。CVD法SiC纖維的研制屬于高技術領域，美國、德國、英國等西方國家給予了高度的重視。

國外針對不同鈦合金基體的SiCf/Ti復合材料性能進行了大量研究，表4為國外研制的幾種SiCf/Ti復合材料的典型性能。美國的SCS-6 SiC/Ti-15-3材料在室溫下最大載荷為1 241 MPa時，疲勞循環(huán)周次達到51 077次。德國研制的 SCS-6/IMI834的抗拉強度達2 300 MPa，模量達220 GPa，而且具有極為優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，在700℃溫度暴露2 000 h后力學性能不降低。

表4 國外研制的幾種SiCf/Ti復合材料典型性能Fig.4 Typical properties of SiCf/Ti composites

4.2 SiCf/Ti國外應用現(xiàn)狀

SiCf/Ti復合材料在航空發(fā)動機上的典型應用是葉環(huán)類和軸類零件，美、英等國均研制出了多個零部件，并進行了發(fā)動機考核試驗［1，3，24～25］。在“綜合高性能渦輪發(fā)動機技術(IHPTET)”計劃第2階段中新的核心機壓氣機上，采用高溫鈦合金Ti1100代替TC4制造SiCf/Ti整體葉環(huán)［1］，TiAl金屬間化合物制造壓氣機葉片，使壓氣機的耐熱性能將提高到700～800℃，結構質量將減輕50%，阻燃性能大幅提高，如圖6。Rolls-Royce公司制備的SiCf/Ti葉環(huán)質量減少37%，使用溫度提高10%，轉速提高15%，如圖7。SiCf/Ti復合材料軸類零件在航空發(fā)動機上的典型應用是低壓渦輪軸。圖8所示為GE公司研制的SiCf/Ti復合材料低壓渦輪軸［3］，通過SiC纖維沿軸向呈45°纏繞，可以使復合材料低壓渦輪軸承受非常高的扭矩，從而代替鋼制渦輪軸可以大幅度降低結構質量。

圖6 IHPTET計劃研制的TiAl葉片與SiCf/Ti基復合材料環(huán)組成的葉環(huán)組件Fig.6 TiAl blades and SiCf/Ti composite ring developed by IHPTET program

此外，美國ARC公司采用了SiC纖維/金屬絲編織條帶與Ti粉熱壓復合工藝制作了直徑17.8 cm的模擬葉環(huán)和F119發(fā)動機矢量噴管驅動器傳動活塞桿(長35.6 cm)。普惠公司制備了PW4084 SiCf/Ti風扇葉片典型件。

5 結語

TiAl和SiCf/Ti復合材料將是新一代高推重比航空發(fā)動機用的2種關鍵結構材料。國外已經(jīng)完成了此類材料研制、應用研究與零部件試驗考核等大量研究工作，將很快在下一代新型航空發(fā)動機上獲得應用。目前在TiAl合金工程化應用研究、典型零件研制與考核試驗等方面我國與國外尚存在較大差距。SiCf/Ti復合材料尚處于實驗室研究階段，高性能SiC纖維還不能實現(xiàn)批量生產(chǎn)，SiCf/Ti復合材料零件設計與制造經(jīng)驗欠缺。因此，亟需在這2種新材料領域開展零件設計—材料研制—應用技術研究三者相結合的系統(tǒng)性研究。

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Recent Development of New High-Temperature Titanium Alloys for High Thrust-Weight Ratio Aero-Engines

HUANG Xu，LI Zhenxi，HUANG Hao
(Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China)

Development status of high-temperature titanium alloys of aero-engine in China was reviewed.Aimed at demands of low density and heat resistant structure materials for high thrust-to-weight ratio aero-engine，recent developments and applications of TiAl alloys and SiC fiber reinforced titanium matrix composites were introduced.Currently the domestic main alloy of aero-engine application is α +β type of titanium alloy，the working temperature are less than 500 ℃，for using at higher temperatures near α titanium alloy(such as 600 ℃ high temperature titanium alloy)is still in developing stage.TiAl Alloy abroad for nearly 20 years，in the field of aero-engine has been public reports of a dozen TiAl components installed to complete the ground tests，test results are very satisfactory.Respecting SiCf/Ti composite materials in aero-engine typical applications on the blades，ring and shaft parts，US and UK have developed a number of parts，and made the engine assessment test.TiAl and SiCf/Ti composite materials are the two kinds of key structural materials for a new generation of aircraft engines with high thrust-weight ratio.

high-temperature titanium alloy;TiAl alloy;SiC fiber reinforced titanium matrix composite;burn resistant titanium alloy

TG146.2+3

A

1674－3962(2011)06－0021－07

2011－04－24

黃 旭，男，1968年生，研究員