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        影響航空用高溫鈦合金性能的因素

        2018-09-03 03:47:26易義鳳王素華馮瑋
        智富時(shí)代 2018年7期
        關(guān)鍵詞:航空影響因素性能

        易義鳳 王素華 馮瑋

        【摘 要】鈦合金在使用中隨使用溫度升高,合金的高溫蠕變性能和熱穩(wěn)定性都迅速降低,高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性就成為制約高溫鈦合金發(fā)展的障礙。而鈦合金的高溫性能受到各個(gè)因素的影響,如合金化元素、顯微組織、熱處理制度和第二相等均對(duì)合金的高溫性能有一定影響。本文主要對(duì)影響航空用高溫鈦合金性能的主要因素進(jìn)行探討分析,以進(jìn)一步提高航空高溫鈦合金整體性能。

        【關(guān)鍵詞】航空;高溫鈦合金;性能;影響因素

        鈦及鈦合金是一種密度小、強(qiáng)度高、耐熱性好、韌性高、導(dǎo)熱性及抗疲勞性好、有著較寬的工作溫度范圍和優(yōu)異的抗海水腐蝕性能及超低溫性能等一系列優(yōu)異性能的工程結(jié)構(gòu)材料。因此,被廣泛地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。鈦及鈦合金已經(jīng)成為航空航天工業(yè)的支柱之一,相關(guān)資料表明,高性能鈦及鈦合金在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用占到了鈦材總產(chǎn)量的70%左右。鈦制設(shè)備雖然一次性投資較高,但全壽命費(fèi)用較低,經(jīng)濟(jì)效益明顯,目前高性能的飛機(jī)、坦克正在采用鈦合金部件,先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤、壓氣機(jī)葉片、風(fēng)扇葉片以及機(jī)匣等均由鈦合金制造。

        一、航空航天用鈦合金的特點(diǎn)及應(yīng)用

        作為航空航天領(lǐng)域不斷興起的材料,鈦合金有以下優(yōu)勢(shì):

        (1)比強(qiáng)度高。鈦合金具有很高的強(qiáng)度,其抗拉強(qiáng)度為686-1176MPa,而密度僅為鋼的60%左右,所以比強(qiáng)度很高。

        (2)高溫性能優(yōu)良。鈦合金在高溫下仍能保持良好的機(jī)械性能,其耐熱性遠(yuǎn)高于鋁合金,且工作溫度范圍較寬。

        (3)抗腐蝕性強(qiáng)。在550℃以下的空氣中,鈦表面會(huì)迅速形成薄而致密的氧化鈦膜,其耐蝕性優(yōu)于大多數(shù)不銹鋼。

        二、影響高溫鈦合金性能的因素

        (一)合金化元素的影響

        現(xiàn)在正在使用和研究開(kāi)發(fā)的高溫鈦合金大部分屬于近α型鈦合金,所主要添加的合金化元素有Al、Sn、Zr、Mo、V、Nb和Si等。與β型鈦合金相比,近α型鈦合金的高溫強(qiáng)度較高,熱穩(wěn)定性較好且具有優(yōu)良的焊接性能等。此外,雜質(zhì)元素C,N,H和O以及Nd等稀土元素對(duì)高溫鈦合金的性能也有重要影響。

        (1)Al元素

        Al為高溫鈦合金中經(jīng)常添加的元素,也是最重要的固溶強(qiáng)化元素之一。Al的加入可降低合金密度,提高再結(jié)晶溫度、強(qiáng)度和(α+β)/β轉(zhuǎn)變點(diǎn),并改善合金抗氧化性能。Al還能夠提高固溶體的原子結(jié)合力,增加合金高溫強(qiáng)度。由于Al原子以置換方式存在于α相中,Al含量超過(guò)其在α相中的溶解極限,容易導(dǎo)致有序α2(Ti3Al)相析出,引起合金脆化,當(dāng)含量在6.0~7.0%時(shí)合金具有較高熱穩(wěn)定性和良好焊接性。

        (2)C元素

        在鈦合金中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.09%的C元素時(shí),C元素將完全固溶,具有固溶強(qiáng)化作用,可阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。于此同時(shí)合金組織中的晶粒依舊保持比較細(xì)小,從而顯著提高鈦合金的強(qiáng)度和高溫蠕變性能。

        但是當(dāng)C元素含量在鈦合金中過(guò)多時(shí),會(huì)在組織中析出粗大的碳化物,形成的碳化物會(huì)增大α片層的厚度。如果析出碳化物,合金在變形過(guò)程中在其附近產(chǎn)生較大應(yīng)力集中。碳化物為脆性相,其主要析出處在晶界,對(duì)合金的塑性及高溫蠕變性能有不利影響。除此之外,元素C的加入對(duì)于提高鈦合金的使用壽命是有利的。

        (3)稀土元素

        在高溫鈦合金中,稀土元素可以形成第二相彌散質(zhì)點(diǎn)、細(xì)化晶粒、增加位錯(cuò)密度等,從而產(chǎn)生強(qiáng)化作用,但稀土元素會(huì)奪取固溶體中的間隙氧,降低間隙固溶強(qiáng)化,從而產(chǎn)生軟化作用。

        稀土元素可使鈦合金的熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性達(dá)到最佳匹配,且能有效改善鈦合金的高溫蠕變性能。稀土元素與氧有著比較高的親和力,它還可以轉(zhuǎn)移合金中的部分Sn,以達(dá)到凈化基體,抑制α2相的析出。但是,內(nèi)氧化作用卻使得間隙固溶強(qiáng)化作用降低,以致產(chǎn)生了軟化作用。

        Ti-60合金中添加了稀土元素Nd,Nd將會(huì)通過(guò)內(nèi)氧化的形式形成富含Nd、Sn和O的稀土相,從而降低了基體中的氧,達(dá)到凈化基體,提高合金熱穩(wěn)定性的作用;研究表明,只有當(dāng)某些種類且含量適當(dāng)?shù)南⊥猎靥砑尤脞伜辖饡r(shí),才能改善其熱加工性能。例如,加入低于0.05%的稀土元素Y和Er可顯著減少Ti-6Al-4V合金軋制時(shí)形成的邊裂。

        稀土元素對(duì)高溫鈦合金組織和性能都有一定直接或間接的影響,這些影響有些是有利的,有些是有害的。它跟稀土元素的種類、添加量、合金種類及合金化元素都有關(guān)系,其中稀土添加量最為關(guān)鍵,因?yàn)樗鼪Q定著稀土元素的存在狀態(tài)、分布等。只有在鈦合金中添加適量的稀土元素才能得到有利的效果。

        (二)顯微組織對(duì)高溫鈦合金性能的影響

        顯微組織的類型及相尺寸參數(shù)等對(duì)高溫鈦合金性能的影響很大,調(diào)整組織類型及參數(shù)是獲得具有強(qiáng)度、塑性及其他使用性能良好匹配的重要途徑。網(wǎng)籃組織是兩相鈦合金在β相轉(zhuǎn)變溫度左右變形開(kāi)始,或在β單相區(qū)開(kāi)始變形,在兩相區(qū)變形完成,且變形量達(dá)到50%~80%時(shí)得到,網(wǎng)籃組織的疲勞強(qiáng)度比較高。

        在鈦合金中等軸組織和雙態(tài)組織的組織及性能特點(diǎn)相近,所不同的僅是所含初生α相的數(shù)量不同。等軸組織和雙態(tài)組織具有較高的塑性及疲勞性能。其缺點(diǎn)是高溫性能和斷裂韌性較低。研究發(fā)現(xiàn)等軸組織中等軸α晶粒的最佳尺寸為2μm~4μm,此時(shí)可獲得強(qiáng)度、塑性及疲勞性能的良好匹配的合金。片層α相界面可有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),提高合金斷裂韌性、高溫蠕變強(qiáng)度及抵抗裂紋擴(kuò)展能力,但塑性和低周疲勞強(qiáng)度較低。

        (三)高溫?zé)崽幚淼挠绊?/p>

        含有不同合金化元素的高溫鈦合金,經(jīng)過(guò)不同熱處理后,可獲得不同組織狀態(tài)和性能。為使合金的組織和性能滿足要求,可通過(guò)選用合適的熱處理制度來(lái)改善。在高溫鈦合金中常用的熱處理主要有退火、固溶和時(shí)效等。對(duì)高溫鈦合金長(zhǎng)時(shí)間的深入研究,其生產(chǎn)工藝成熟,被廣泛應(yīng)用于航空、航天、醫(yī)療等領(lǐng)域,但是由于鈦合金的抗沖擊韌性較差嚴(yán)重限制了其更廣泛應(yīng)用。常溫時(shí)鈦合金由α和β兩相組成,可對(duì)其進(jìn)行退火、固溶和時(shí)效方式的熱處理,不同的熱處理工藝可以獲得不同的相組成和顯微組織,在普通退火狀態(tài)下,片狀組織的力學(xué)性能優(yōu)于雙態(tài)組織,但在高應(yīng)力區(qū),雙態(tài)組織的力學(xué)性能優(yōu)于片狀組織。

        三、結(jié)語(yǔ)

        高溫鈦合金在航空領(lǐng)域的使用由來(lái)已久,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展,高溫鈦合金所使用的溫度越來(lái)越高,對(duì)其性能要求也就越來(lái)越高,尤其是高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性已經(jīng)成為制約高溫鈦合金發(fā)展的障礙。要想提高高溫鈦合金的在高溫使用時(shí)的性能,就要了解影響其性能的因素。因此本文對(duì)影響高溫鈦合金的一些因素進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析和總結(jié),更多的因素和研究,還需科研工作者今后共同努力,相信在諸多科研工作者的共同努力下,高溫鈦合金的使用溫度會(huì)越來(lái)越高。

        【參考文獻(xiàn)】

        [1]駱雨萌,劉金旭,李樹(shù)奎,等.熱軋TC4鈦合金力學(xué)性能各向異性及影響因素分析[J].稀有金屬材料與工程,2014,43(11):2692-2696.

        [2]童路,朱知壽,俞漢清,等.TC4-DT鈦合金自由鍛件組織與性能的影響因素[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2010,20(s1):87-90.

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