內(nèi)容導(dǎo)讀

高溫鈦合金制造技術(shù)已成為******航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的核心與關(guān)鍵，近年來受到高度重視。在簡要回顧新型高溫鈦合金、阻燃鈦合金和Ti-Al系金屬間化合物合金發(fā)展的基礎(chǔ)上，從大規(guī)格鑄錠熔煉、擠壓開坯、整體葉盤模鍛、環(huán)件軋制及零件機(jī)加工等方面介紹這些高溫鈦合金制造技術(shù)研究所取得的重要進(jìn)展。***后，提出我國高溫鈦合金應(yīng)用研究中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題以及進(jìn)一步發(fā)展的建議。

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作者/單位

作者：曹京霞，弭光寶，蔡建明，高帆，周毅，黃旭，曹春曉

單位：中國航發(fā)北京航空材料研究院 ******鈦合金航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

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通信作者簡介

弭光寶（1981—），男，高級(jí)工程師，中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)******鈦合金重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室******中青年，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫鈦合金及其納米復(fù)合材料、阻燃性能試驗(yàn)技術(shù)等方面研究。2011年畢業(yè)于清華大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)獲得博士學(xué)位。負(fù)責(zé)和參與完成******973計(jì)劃課題、******自然基金和總裝瓶頸技術(shù)等項(xiàng)目10余項(xiàng)。曾獲部級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、部級(jí)技術(shù)發(fā)明三等獎(jiǎng)和中國有色金屬科技論文一等獎(jiǎng)等學(xué)術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)。獲授權(quán)發(fā)明專利6項(xiàng)；發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇，其中SCI收錄23篇、入選中國精品科技期刊******學(xué)術(shù)論文1篇。

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基金項(xiàng)目

******自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51471155）

預(yù)研基金項(xiàng)目

中國航發(fā)創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2014E62149R）

******自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（51501155）

科技部國際合作項(xiàng)目（2014DFR50450）

在多年的打拼中不斷完善，不斷改進(jìn)，不斷創(chuàng)新，在實(shí)踐中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)與掌握了特殊的加工工藝，無論從高精密機(jī)械樣機(jī)加工，高精密零件加工，高精密模型樣機(jī)加工，北京cnc數(shù)控加工，北京夾具工裝加工 ，尺寸精度還是外觀品質(zhì)都令客戶拍手。所做產(chǎn)品受到諸多國內(nèi)外知名企業(yè)的好評(píng)，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷東南亞。

精要概覽

高溫鈦合金制造技術(shù)研究

1.1新型高合金化合金鑄錠制備

真空自耗熔煉工藝是鈦合金鑄錠制備普遍采用的工藝，其主要工序包括電極塊制備、焊接和真空自耗2～4次熔煉。除了真空自耗電弧熔煉爐，******配套設(shè)備的應(yīng)用在鈦合金優(yōu)質(zhì)鑄錠制備中也起到了關(guān)鍵作用，如自動(dòng)稱重和混布料系統(tǒng)、真空等離子焊箱等。新型600 ℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金和Ti-3Al合金都已實(shí)現(xiàn)3 t級(jí)工業(yè)鑄錠的制備，突破了高合金化鑄錠成分均勻性控制的關(guān)鍵技術(shù)。

高合金化是新型高溫鈦合金和Ti-Al系金屬間化合物合金的顯著特點(diǎn)，例如：TA29、TA33鈦合金的合金化元素總量分別接近17%和16%，TD3、Ti2AlNb合金的合金化元素總量分別接近43%和54%，且合金化元素熔點(diǎn)、密度差異均較大，因此這些新材料鑄錠制備難度顯著高于普通的TC4、TC11等鈦合金。高熔點(diǎn)元素（如Ta、Nb、Mo等）一般以Al-X、Ti-X或Al-X-Y三元中間合金的形式加入。對(duì)于高溫鈦合金，其原料中海綿鈦占比超過80%，海綿鈦能夠很好地將中間合金粘結(jié)，電極塊強(qiáng)度基本有所保障。但對(duì)于Ti3Al合金，其原料中海綿鈦占比不到60%，Ti2AlNb合金原料中海綿鈦占比更低，電極塊強(qiáng)度控制問題非常突出，工藝不恰當(dāng)就會(huì)造成電極塊開裂，或電極塊強(qiáng)度偏低，在搬運(yùn)、焊接和熔煉時(shí)發(fā)生掉塊，影響鑄錠成分控制。目前的解決方法主要是優(yōu)選中間合金和優(yōu)化混布料工藝。

與高溫鈦合金不同，Ti-V-Cr系阻燃鈦合金不含Al元素，且合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過40%，同樣存在原料中海綿鈦占比少的問題，V、Cr元素的加入方式非常關(guān)鍵。在認(rèn)識(shí)阻燃合金化原理的基礎(chǔ)上，通過在合金元素加入方式以及電極結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了TB12和TF550鈦合金3 t級(jí)工業(yè)鑄錠（直徑620mm）的制備，從根本上解決了Ti-V-Cr系阻燃鈦合金工業(yè)鑄錠V、Cr元素偏析問題，對(duì)鍛件質(zhì)量提升起到了至關(guān)重要的作用。

1.2低工藝塑性合金的擠壓開坯

擠壓變形是在三向壓應(yīng)力作用下完成的，裂紋不易形成和擴(kuò)展，非常適合低工藝塑性合金鑄錠的開坯和棒材制造。長期以來，我國鈦合金擠壓技術(shù)主要應(yīng)用于管材和筒體結(jié)構(gòu)件的制備，近些年也開展了鈦合金型材的擠壓制備，但擠壓技術(shù)沒有在鈦合金工業(yè)級(jí)鑄錠開坯中應(yīng)用。造成這種局面有2方面的原因：一方面，國內(nèi)鈦合金加工企業(yè)缺乏大型的擠壓設(shè)備；另一方面，普通高溫鈦合金、高強(qiáng)鈦合金通過液壓機(jī)、快鍛機(jī)進(jìn)行鑄錠開坯、棒材鍛造能夠滿足研制與批量生產(chǎn)的需求。然而，新型高溫鈦合金及Ti-Al系金屬間化合物合金都一定程度上存在鑄造組織狀態(tài)下工藝塑性低的問題，其中，對(duì)擠壓開坯技術(shù)依賴性較強(qiáng)的2類材料分別是阻燃鈦合金和變形TiAl合金，而擠壓技術(shù)的應(yīng)用則為這2類合金棒材的制備提供了一條重要的工藝途徑，尤其是大型擠壓設(shè)備的建造，可以解決阻燃鈦合金工業(yè)鑄錠開坯的難題。

Ti-V-Cr系阻燃鈦合金的顯著特點(diǎn)是鑄造組織狀態(tài)下工藝塑性非常低，基本不能實(shí)現(xiàn)無約束條件下自由鍛造。2009—2010年，北京航空材料研究院與北方重工合作，在360MN擠壓機(jī)上實(shí)現(xiàn)了TB12和TF550鈦合金多個(gè)3 t級(jí)鑄錠的包套擠壓開坯。擠壓開坯不僅解決了阻燃鈦合金工業(yè)鑄錠拔長變形的難題，同時(shí)也提高了阻燃鈦合金的工藝塑性。

1.3整體葉盤鍛件研制與組織性能控制

輕量化、整體化是航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的重要發(fā)展方向，******航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件普遍采用了整體葉盤結(jié)構(gòu)。TC4、TC17、Ti6242和600 ℃高溫鈦合金的整體葉盤研制與應(yīng)用研究均取得了快速發(fā)展。高溫鈦合金整體葉盤鍛件大多采用熱模鍛或者近等溫模鍛成形，由于鍛件的對(duì)稱性比較好，若單純從鍛件成形角度考慮，完整充型難度不大，但是考慮到整體葉盤服役條件下對(duì)不同部位溫度和載荷要求的差異，對(duì)于均質(zhì)整體葉盤，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵性能的合理匹配是***主要的技術(shù)難點(diǎn)，涉及到鍛件微觀組織類型選擇以及組織參數(shù)控制。600 ℃高溫鈦合金作為一種近α型鈦合金，室溫拉伸塑性，特別是試樣熱暴露后的塑性（稱為熱穩(wěn)定性）與高溫蠕變性能之間的矛盾一直是比較突出的問題，單體盤和葉片可以通過采用不同的組織類型分別控制，例如葉片采用雙態(tài)組織以獲得良好的熱穩(wěn)定性能和高周疲勞性能；盤采用β鍛的網(wǎng)籃組織以獲得高的蠕變性能和損傷容限性能。目前，600 ℃高溫鈦合金主要采用α+β兩相區(qū)近等溫模鍛工藝制造整體葉盤鍛件，通過固溶和時(shí)效處理控制等軸初生α相的體積分?jǐn)?shù)在10%～30%之間，控制β轉(zhuǎn)變組織中次生α相的分布，以及更微觀尺度的α2相、硅化物相的析出和分布，實(shí)現(xiàn)整體葉盤鍛件熱穩(wěn)定性和蠕變性能的良好匹配。

鈦合金盤和葉片一體化制造在組織性能控制上做了一種工藝上的妥協(xié)，為了能夠充分發(fā)揮高溫鈦合金各種微觀組織形態(tài)或合金***優(yōu)勢(shì)的性能，近些年嘗試開展了雙合金整體葉盤以及雙性能整體葉盤的研制工作，主要包括：①線性摩擦焊工藝，理論上可以實(shí)現(xiàn)雙合金或是同一合金雙組織整體葉盤的連接，國內(nèi)外的研究工作主要集中于線性摩擦焊工藝和接頭組織性能的研究；②真空電子束焊接+近等溫鍛造+熱處理強(qiáng)化界面的復(fù)合工藝；③分區(qū)控溫鍛造和分區(qū)控溫?zé)崽幚砉に?/span>，理論上能夠?qū)⒄w葉盤鍛件中葉片與盤體控制為不同的組織類型，以更好地滿足整體葉盤不同部位實(shí)際服役條件的要求。

1.4整環(huán)和半環(huán)鍛件研制

以機(jī)匣、內(nèi)環(huán)、安裝邊等為代表的環(huán)形件結(jié)構(gòu)也是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中比較重要的結(jié)構(gòu)形式，環(huán)鍛件通常采用軋制工藝制造，主要工序?yàn)?/span>棒材坯料鐓粗、沖孔、擴(kuò)孔和***終的軋制成形。通常，坯料沖孔后得到的環(huán)坯進(jìn)一步擴(kuò)孔和***終的軋制成形都是在擴(kuò)孔機(jī)上完成的。高溫鈦合金以及Ti3Al、Ti2AlNb合金環(huán)鍛件制備都能夠采用這種工藝路線，在環(huán)鍛件制備的4個(gè)工序過程中，坯料的加熱溫度、擴(kuò)孔和***終軋制成形的變形量控制決定了環(huán)鍛件的組織類型，通過固溶、時(shí)效處理可以進(jìn)一步調(diào)控環(huán)鍛件的微觀組織，獲得所需的力學(xué)性能。

1.5典型零件加工技術(shù)

由于高溫鈦合金具有導(dǎo)熱差、硬度高、粘刀等特性，造成了這種材料車削、銑削和鉆削加工的難度比鋼要大很多，整體葉盤、機(jī)匣等零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與材料特性的耦合結(jié)果更增加了零件加工的難度。通過技術(shù)攻關(guān)，在阻燃鈦合金機(jī)匣、600 ℃高溫鈦合金整體葉盤、Ti3Al合金靜子內(nèi)環(huán)及TiAl合金葉片等零件的加工技術(shù)方面取得了重要進(jìn)展。

未來需要重點(diǎn)關(guān)注的幾個(gè)問題

2.1含W元素的高溫鈦合金鑄錠制備

從合金化的角度，應(yīng)重視高熔點(diǎn)元素的加入方式和中間合金的質(zhì)量。新型高溫鈦合金及Ti-Al系金屬間化合物合金的合金化程度較高，且含有Nb、Ta、W等高熔點(diǎn)元素，高熔點(diǎn)夾雜是需要嚴(yán)格控制的冶金缺陷，尤其對(duì)于熔點(diǎn)超過3 400 ℃的W元素，更應(yīng)引起重視。目前國內(nèi)針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)長期使用正在開展研究的含W高溫鈦合金主要有TC25G和Ti65鈦合金，同時(shí)針對(duì)航天產(chǎn)品高溫短時(shí)應(yīng)用的含W鈦合金一些專利中也有所報(bào)道，解決好W元素的添加問題，對(duì)于進(jìn)一步提升高溫鈦合金的熱強(qiáng)性能，突破600 ℃熱障溫度具有重要意義。

2.2高溫鈦合金鑄錠的純凈化制備

制備高純凈鈦合金鑄錠也是重要的發(fā)展方向。應(yīng)重視高溫鈦合金中Fe、O等雜質(zhì)元素含量的控制問題，尤其針對(duì)整體葉盤、離心葉輪等轉(zhuǎn)動(dòng)部件應(yīng)用的高溫鈦合金材料應(yīng)嚴(yán)格控制Fe元素含量。

2.3大規(guī)格棒材組織的精細(xì)化控制

新型高溫鈦合金典型件制備用棒材的技術(shù)要求與鍛件的技術(shù)要求基本相當(dāng)，以保證大規(guī)格棒材可以直接用于鍛件制坯，而不需要進(jìn)一步改鍛。目前對(duì)鈦合金棒材的組織控制主要是對(duì)組織類型提出要求，沒有細(xì)致到對(duì)宏觀和微觀織構(gòu)的控制，往往大規(guī)格棒材中α晶團(tuán)的明顯取向會(huì)遺傳到鍛件中。近α型高溫鈦合金的保載疲勞敏感性與微織構(gòu)有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，因此對(duì)于整體葉盤鍛件用高溫鈦合金大規(guī)格棒材在制備工藝控制上應(yīng)體現(xiàn)出對(duì)宏觀和微觀織構(gòu)的控制措施。

2.4大規(guī)格棒材擠壓

隨著我國大型擠壓設(shè)備配套工裝的完善和應(yīng)用技術(shù)的提升，阻燃鈦合金工業(yè)鑄錠包套擠壓開坯工藝仍有優(yōu)化的空間。前期研究工作中，為配合大規(guī)格擠壓筒所采用的厚壁包套結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化成薄壁包套結(jié)構(gòu)，也可嘗試無包套擠壓開坯技術(shù)，進(jìn)一步提高擠壓開坯的工藝可控性，提高擠壓棒材質(zhì)量并降低擠壓成本。

2.5低殘余應(yīng)力的大型鍛件制備技術(shù)

鍛件殘余應(yīng)力水平低，對(duì)保證大型復(fù)雜零件完整性加工和變形控制非常有意義，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)件的長壽命服役也很關(guān)鍵。在高溫鈦合金及Ti-Al系金屬間化合物合金大型鍛件制備技術(shù)研究中，重點(diǎn)開展了微觀組織與力學(xué)性能的關(guān)系以及工藝控制研究，而對(duì)鍛件的低殘余應(yīng)力制坯和成形技術(shù)也需要給予充分重視，逐步建立和完善鍛件殘余應(yīng)力監(jiān)控手段和技術(shù)。

2.6雙性能和雙合金整體葉盤的過渡區(qū)控制

采用分區(qū)控溫?zé)崽幚砘蚍謪^(qū)控溫鍛造制備雙性能整體葉盤在工藝上是能夠?qū)崿F(xiàn)的，但具體到雙性能整體葉盤鍛件綜合性能的控制還有很多細(xì)節(jié)需要關(guān)注，例如2種組織類型的選擇，過渡區(qū)設(shè)計(jì)在哪個(gè)部位，過渡區(qū)部位的******按需控制，過渡區(qū)組織對(duì)性能的影響等。雙合金整體葉盤制造過程同樣也面臨上述問題。

2.7Ti-Al系金屬間化合物合金鍛件強(qiáng)韌化

Ti-Al系金屬間化合物合金復(fù)雜的相變過程為鍛件組織性能調(diào)控提供了空間，需加強(qiáng)Ti3Al、Ti2AlNb合金大型結(jié)構(gòu)件強(qiáng)韌化熱機(jī)械處理技術(shù)研究。

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圖為北京航空材料研究院采用真空自耗熔煉工藝制備的TD3鈦合金3 t鑄錠（直徑600 mm）照片及鑄錠頭、中、尾外圓周取樣的成分分析結(jié)果，可見合金元素Al、Nb、Mo分布均比較均勻。

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圖為TF550鈦合金鑄態(tài)和擠壓態(tài)2種初始組織狀態(tài)的熱加工圖。從圖可以看出，無論是鑄態(tài)組織（圖a）還是擠壓態(tài)組織(圖b），熱加工圖中呈現(xiàn)的失穩(wěn)區(qū)域均分布于高應(yīng)變速率區(qū)域，并且明顯分為2個(gè)部分。結(jié)合顯微組織和碳化物形態(tài)分析，可以判定1 050 ℃以上的變形失穩(wěn)主要緣于碳化物溶解帶來的脆性，而1050 ℃以下的變形失穩(wěn)主要緣于局部塑性流動(dòng)引起的劇烈剪切變形所導(dǎo)致的開裂。與鑄態(tài)組織相比，擠壓態(tài)組織的局部塑性流動(dòng)失穩(wěn)區(qū)域明顯縮小，關(guān)鍵熱加工區(qū)域窗口擴(kuò)大，有利于擠壓棒材的進(jìn)一步鍛造加工。實(shí)際鍛造中也發(fā)現(xiàn)經(jīng)過擠壓開坯后，棒材的工藝塑性明顯改善，不用包套即可直接在快鍛機(jī)上完成鐓粗和拔長變形。已去除表面TiC層的鈦合金齒輪2個(gè)不同齒面滲層硬度沿滲層深度的變化曲線。此時(shí)，鈦合金齒輪的齒面硬度大體被控制在7~8 GPa范圍內(nèi)。

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TB12阻燃鈦合金機(jī)匣屬于薄壁類環(huán)形件，機(jī)匣外型面有帶孔的圓柱凸臺(tái)，為異形結(jié)構(gòu)，在粗車和粗銑時(shí)需要盡量多去余量，提高加工效率，同時(shí)還必須保證零件足夠的剛性；TB12鈦合金的機(jī)械加工性能較差，切削和銑削加工表面硬化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，需要大的切削加工力，大切削力加工與剛性保證需求也是一對(duì)矛盾，在制定機(jī)匣零件加工工藝時(shí)這些方面都是重點(diǎn)考慮的。

引用本文

曹京霞，弭光寶，蔡建明，等.高溫鈦合金制造技術(shù)研究進(jìn)展[J].2018,35（1）：1-8.

相關(guān)文獻(xiàn)

[1] Zhou Y, Cao J X, Huang X, et al. Effects of aging temperature on the microstructure and mechanical properties of a Ti2AlNb based alloy[J]. Materials Science Forum, 2016, 849: 368-375.

[2] 弭光寶, 黃旭, 曹京霞, 等. 摩擦點(diǎn)火Ti-V-Cr阻燃鈦合金燃燒產(chǎn)物的組織特征[J]. 物理學(xué)報(bào), 2016, 65(5): 056103.

[3] 弭光寶, 曹春曉, 黃旭, 等. Ti-V-Cr系阻燃鈦合金的非等溫氧化行為及阻燃性能預(yù)測(cè)[J]. 材料工程, 2016, 44(1): 1-10.