影响航空用高温钛合金性能的因素

【摘 要】钛合金在使用中随使用温度升高，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。本文主要对影响航空用高温钛合金性能的主要因素进行探讨分析，以进一步提高航空高温钛合金整体性能。

【关键词】航空；高温钛合金；性能；影响因素

钛及钛合金是一种密度小、强度高、耐热性好、韧性高、导热性及抗疲劳性好、有着较宽的工作温度范围和优异的抗海水腐蚀性能及超低温性能等一系列优异性能的工程结构材料。因此，被广泛地应用于航空航天领域。钛及钛合金已经成为航空航天工业的支柱之一，相关资料表明，高性能钛及钛合金在航空航天工业中的应用占到了钛材总产量的70%左右。钛制设备虽然一次性投资较高，但全寿命费用较低，经济效益明显，目前高性能的飞机、坦克正在采用钛合金部件，先进发动机的压气机盘、压气机叶片、风扇叶片以及机匣等均由钛合金制造。

一、航空航天用钛合金的特点及应用

作为航空航天领域不断兴起的材料，钛合金有以下优势：

（1）比強度高。钛合金具有很高的强度，其抗拉强度为686-1176MPa，而密度仅为钢的60%左右，所以比强度很高。

（2）高温性能优良。钛合金在高温下仍能保持良好的机械性能，其耐热性远高于铝合金，且工作温度范围较宽。

（3）抗腐蚀性强。在550℃以下的空气中，钛表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜，其耐蚀性优于大多数不锈钢。

二、影响高温钛合金性能的因素

（一）合金化元素的影响

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。

（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。

（2）C元素

在钛合金中加入质量分数小于0.09%的C元素时，C元素将完全固溶，具有固溶强化作用，可阻碍位错运动。于此同时合金组织中的晶粒依旧保持比较细小，从而显著提高钛合金的强度和高温蠕变性能。

但是当C元素含量在钛合金中过多时，会在组织中析出粗大的碳化物，形成的碳化物会增大α片层的厚度。如果析出碳化物，合金在变形过程中在其附近产生较大应力集中。碳化物为脆性相，其主要析出处在晶界，对合金的塑性及高温蠕变性能有不利影响。除此之外，元素C的加入对于提高钛合金的使用寿命是有利的。

（3）稀土元素

在高温钛合金中，稀土元素可以形成第二相弥散质点、细化晶粒、增加位错密度等，从而产生强化作用，但稀土元素会夺取固溶体中的间隙氧，降低间隙固溶强化，从而产生软化作用。

稀土元素可使钛合金的热强性和热稳定性达到最佳匹配，且能有效改善钛合金的高温蠕变性能。稀土元素与氧有着比较高的亲和力，它还可以转移合金中的部分Sn，以达到净化基体，抑制α2相的析出。但是，内氧化作用却使得间隙固溶强化作用降低，以致产生了软化作用。

Ti-60合金中添加了稀土元素Nd，Nd将会通过内氧化的形式形成富含Nd、Sn和O的稀土相，从而降低了基体中的氧，达到净化基体，提高合金热稳定性的作用；研究表明，只有当某些种类且含量适当的稀土元素添加入钛合金时，才能改善其热加工性能。例如，加入低于0.05%的稀土元素Y和Er可显著减少Ti-6Al-4V合金轧制时形成的边裂。

稀土元素对高温钛合金组织和性能都有一定直接或间接的影响，这些影响有些是有利的，有些是有害的。它跟稀土元素的种类、添加量、合金种类及合金化元素都有关系，其中稀土添加量最为关键，因为它决定着稀土元素的存在状态、分布等。只有在钛合金中添加适量的稀土元素才能得到有利的效果。

（二）显微组织对高温钛合金性能的影响

显微组织的类型及相尺寸参数等对高温钛合金性能的影响很大，调整组织类型及参数是获得具有强度、塑性及其他使用性能良好匹配的重要途径。网篮组织是两相钛合金在β相转变温度左右变形开始，或在β单相区开始变形，在两相区变形完成，且变形量达到50%～80%时得到，网篮组织的疲劳强度比较高。

在钛合金中等轴组织和双态组织的组织及性能特点相近，所不同的仅是所含初生α相的数量不同。等轴组织和双态组织具有较高的塑性及疲劳性能。其缺点是高温性能和断裂韧性较低。研究发现等轴组织中等轴α晶粒的最佳尺寸为2μm～4μm，此时可获得强度、塑性及疲劳性能的良好匹配的合金。片层α相界面可有效阻碍位错运动，提高合金断裂韧性、高温蠕变强度及抵抗裂纹扩展能力，但塑性和低周疲劳强度较低。

（三）高温热处理的影响

含有不同合金化元素的高温钛合金，经过不同热处理后，可获得不同组织状态和性能。为使合金的组织和性能满足要求，可通过选用合适的热处理制度来改善。在高温钛合金中常用的热处理主要有退火、固溶和时效等。对高温钛合金长时间的深入研究，其生产工艺成熟，被广泛应用于航空、航天、医疗等领域，但是由于钛合金的抗冲击韧性较差严重限制了其更广泛应用。常温时钛合金由α和β两相组成，可对其进行退火、固溶和时效方式的热处理，不同的热处理工艺可以获得不同的相组成和显微组织，在普通退火状态下，片状组织的力学性能优于双态组织，但在高应力区，双态组织的力学性能优于片状组织。

三、结语

高温钛合金在航空领域的使用由来已久，随着社会经济和科技的快速发展，高温钛合金所使用的温度越来越高，对其性能要求也就越来越高，尤其是高温强度和热稳定性已经成为制约高温钛合金发展的障碍。要想提高高温钛合金的在高温使用时的性能，就要了解影响其性能的因素。因此本文对影响高温钛合金的一些因素进行了简单分析和总结，更多的因素和研究，还需科研工作者今后共同努力，相信在诸多科研工作者的共同努力下，高温钛合金的使用温度会越来越高。

【参考文献】

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