国内高温钛合金研究概况

2019-09-18 00:56:40 changyuan 33
国内高温钛合金研究概况
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早期, 高温钛合金是指在航空发动机 350℃ 以上使用的无序固溶强化型钛合金。航空发动机部件在高温、复杂应力、气流冲刷、高速振动、环境应力腐蚀的苛刻环境下服役, 对其材料的性能要求非常严格。为满足使用需求, 高温钛合金需具有强度、塑性、韧性、蠕变和疲劳性能之间的良好匹配, 在服役温度下具有高的抗氧化性和组织稳定性。中高温长时蠕变和持久性能是高温钛合金的特征指标。 


目前 成 熟 高 温 钛 合 金 的 最 高 使 用 温 度 是600℃ ,代表合金有英国的 IMI834, 美国的 Ti-1100,俄罗斯的 ВТ18у 和 ВТ36, 合金体系均为 Ti-Al-SnZr-Mo-Si 系。 


国内 TC4 合金研究起步于 20 世纪 60 年代, 其余高温钛合金研究起步较晚, 从 20 世纪 80 年代初到现在历经 30 年的发展历史。早期以仿制为主,使用温 度 在 520℃ 以 下, 如 TC4, TC17, TC6, TA11,TA7,TC8, TC11, TA19 和 TC25, 分别相当于国外的Ti-6Al-4V,Ti17,ВТ3-1, Ti-8-1-1, Ti-5Al-2. 5Sn, ВТ8,ВТ9,Ti6242S 和 ВТ25,这些合金在国外研制较早且已相当成熟,对缓解我国航空发动机用钛合金的燃眉之急,促进型号发展及建立早期高温钛合金材料体系具有重要意义。20 世纪 80 年代中后期, 由于国外技术封锁以及国内对知识产权重视程度的提高等原因,开始走自主研制的发展道路,研制的合金主要是近 α 型,设计使用温度在 550 ~ 650℃ 之间。


至 20 世纪 90 年代末, 国内存在 Ti55( TA12),Ti633G 和 Ti53311S 三种牌号的 550℃ 高温钛合金,Ti55(TA12)是中科院金属所在电子浓度规律基础上自主设计、宝钛集团和北京航空材料研究院参与研制的一种 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si-Nd 系近 α 型高温钛合金( 后改进为 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si-Nb-Ta 系), 该合金在国内起步较早,经过试车考核并接近成熟,在航空和航天领域均得到应用。Ti633G 和 Ti53311S 是20 世纪末西北有色金属研究院在 IMI829 基础上研制的两种 550℃ 高温钛合金, 名义成分分别为 Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.3Mo-0.3Si-0.2Gd 和Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-1.0Mo-0.3Si。Ti633G 的特点是加入少量稀土元素 Gd,而 Ti53311S 合金在 IMI829成分基础上增加 Mo 含量到 1.0 % ( 质量分数) 左右,静强度高于 IMI829。这两种合金因未进行工程化应用研究而未在航空发动机上试车考核, 但据报道,Ti53311S 已在国内卫星姿态控制发动机喷注器及神舟飞船上应用。


国内 600℃ 钛合金研制开始于 20 世纪 80 年代末,至 2005 年, 国内有三种 600℃ 高温钛合金, 分别为中科院金属所设计的 Ti60、西北有色金属研究院研制的 Ti600 和北京航空材料研究院研制的 TG6。其中 Ti60 合金具有自主知识产权, 目前已接近成熟并通过试车考核,Ti600 是 20 世纪 90 年代西北有色金属研究院在 Ti1100 成分基础上研制的一种 600℃钛合金,特点是加入 0.1% 的 Y 细化 β 退火处理后的 β 晶粒;TG6 是北京航空材料研究院于 2000 年研制的一种 Ti-Al-Sn-Zr-Si-Nb-Ta-C 系合金, 该合金的特点是不含 Mo,但加入 1.5% 的弱 β 稳定元素 Ta。 


20 世纪 90 年代后, 中科院金属所、北京航空材料研究院和西北有色金属研究院等单位均开展了 650℃ 钛合金的探索性研究, 中科院金属所和北京航空材料研究院等单位研究以稀土相作为增强颗粒的 650℃ 钛合金, 中科院金属所采用快速凝固的办法, 将稀土相纳米化后作为增强颗粒对合金进行强化;西北有色金属研究院尝试采用 TiC作为增强颗粒使钛合金满足 650℃ 条件下的强度要求。但到目前为止, 上述研究工作尚未取得突破

 

2007 年以后, 中科院金属所、北京航空材料研究院和宝钛集团联合开展了 650℃ 钛合金的研究,确定了 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si-Nb-Ta-W-C 合金体系, 合金牌号暂定为 Ti65。该合金采用传统的熔炼-热加工-热处理工艺路线, 已完成实验室阶段研究、工业生产试制及典型件试制等研究工作, 取得了高于预期目标的研究成果。该合金目前尚未定型。 

 

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国内为5种600℃高温钛合金典型用途

 

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