1、 概述

1.1 高温钛合金发展过程

近年来，，随着科技及军工水平的不休飞升，，对航空发起机推重比机能以及压气机的工作状态要求更为刻薄，，在依附整体叶盘、叶环等新型结构件的同时，，还要更多地依赖于拥有高比强度、低密度和耐高温强的先进合金资料，，而高温钛合金刚好切合了这一要求。！９庀冉娇辗⑵鸹，，高温钛合金用量已占到发起机结构中的 25%~40%，，足以证明高温钛合金是不成或缺且拥有研发性的金属资料 [1] 下面将系统性的介绍航空航天用高温钛合金的钻研发展过程。！４ 20 世纪 50 年代以来，，英国、美国、俄罗斯和中国等国度竞相研制出分歧使用温度的 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 系高温钛合金，，使得高温钛合金走过了急剧发展的路线。！1954 年，，美国研发出了第一种实用型高温钛合金 TC4，，高温长时使用温度为 300~350℃，，被宽泛利用 [2] 。！Ｖ 20 世纪 60 年代，，美国又成功开发出能够在 450℃前提下使用的 Ti-6246 和 Ti-6242 合金，，随后其他列国相继钻研出使用温度高达 400℃的 IMI550、BT3-1 等钛合金，，450~500℃的 IMI679、IMI685、Ti-6246 等钛合金以及 500~550℃的Ti-6242S、IMI685、IMI829、BT2、BT18Ｙ等钛合金 [3] 。！：：：娇辗⑵鸹艿牟恍萏嵘愿呶骂押辖鸬氖褂梦露忍岢隽烁叩囊，，自 20 世纪 80 年代以来，，为满足发起机用材耐热轻质的需要，，600℃高温钛合金相继问世 [4] 。！1984 年，，英国的 IMT 钛公司和 Rolls-Royce 公司结合开发出了国际上第一个使用温度达 600℃的高温钛合金 IMI834。！1988 年，，美国开发出实用温度 600℃的 Ti1100 高温钛合金。！1992 年，，俄罗斯在 BT18Y的基础上用 5%的高熔点 W 包办 1%Nb，，开发出 600℃的高温钛合金 BT36 [5] 。！＞ 50 多年的钻研索求，，于21 世纪初，，高温钛合金短时使用温度可不变达到 600℃。！Ｔ 600℃及 600℃以上的环境中，，高温钛合金可包办钢或镍基合金用于制作航空发起机压气机轮盘、叶片、整体叶盘、机匣等，，减轻结构 40%左右的质量，，显著提高发起机的推重比和使用机能 [6] 。！Ｎ黄聘呶骂押辖 600℃的热障温度，，美国麦道公司选取急剧凝固/粉末冶金技术，，成功研制出一种使用温度达到 650℃以上的高温钛合金，，并且在 760 ℃下其强度与目前常温下使用的钛合金强度根基一致 [7] 。！

我国高温钛合金研发工作起步较晚，，从最初的仿制到国际合作以及此刻的自主研发，，得到了各具特色成分和机能的高温钛合金，，如图 1 所示为我国航空发起机用高温钛合金发展过程 [8] 。！Ｆ渲 Ti-53311S 高温钛合金使用温度为 550℃，，用作航空发起机的耐热部件，，在航天工业领域中宽泛利用。！Ｎ夜灾餮蟹⒌ 600℃高温钛合金有中科院的 Ti60 合金、西北有色金属钻研院的 Ti600 合金、北航钻研院的 TG6 合金以及航天所与上海钢铁研制所共同研制开发的 600℃短时 7715D 高温钛合金，，后者于 1994 年成功能于通讯卫星 FY-25 发起机喷注器并圆满实现太空工作 [9] 。！Ｔ 2007 年后，，由中科院金属钻研所、宝钛集团和北京航空资料钻研院合作开发了一种十组元短时使用温度 750℃、长时使用温度 650℃的近 α 型高温钛合金—Ti65 合金 [10] 。！2009年航天三院通过改进传统钛合金各元素含量配比得到了一种新型短时使用温度为750℃的近α高温钛合金—Ti75 合金 [11] 。！＝改昀，，我国没有研制出使用温度更高的新型高温钛合金。！

图 1 我国航空发起机用高温钛合金发展过程

1.2 高温 Ti-Al 基资料发展过程

高温钛合金的发展受到 600℃热障温度的局限性影响，，有序强化型 Ti-Al 系金属间化合物便成为科研学者们的钻研重点。！Ｃ芏龋3.9~4.0g/cm 3 ），，不到镍基合金的 50%，，拥有较高弹性模量，，优良的高温强度、抗蠕变机能和抗氧化力等利益，，且高温不变使用温度能够达到 700~900℃。！４ 20 世纪 50 年代起头，，苏联和美国等国度热衷于 TiAl 合金的钻研工作，，并且发现二元铸造 TiAl 合金拥有优良的高温力学机能和优异抗氧化性 [12] 。！Ｓ 1975~1983 年，，TiAl 合金重要钻研方向为合金元素的调控。！Ｃ拦 Pratt&Whitney 尝试室的M.Blackburn 等人基于塑性和抗蠕变机能研发出 Ti-48Al-1V-0.3C 合金，，其室温塑性可达 2%，，并称之为第一代 TiAl 合金。！８煤辖鸬那慷炔荒苈惴⑵鸹考的使用温度要求，，从而最终只停顿在尝试室钻研阶段 [13] 。！

1986~1991 年间，，由美国空军和 GE 公司共同开发的 Ti-48Al-2Cr-2Nb 铸造合金合金已成功得到利用，，成为第二代 TiAl 合金中最拥有代表性的合金，，该合金拥有优良的综合力学机能。！；；
８显谕骋皇逼，，瑞典 ABB公司开发了 Ti-47Al-2W-0.5Si 合金。！５诙代 TiAl 合金均匀不变使用温度 650℃，，于 1992 年，，戴姆勒奔腾集团属下的发起机公司—希哈芬公司初次对合金发起机叶片进行了试验，，在经过 1000 次循环后无缺无损；；
；1995年，，国外某高明声速飞行器的蒙皮初次试用了 TiAl 合金板材，，极大的推进了世界领域内对合金板材的钻研与推广；；
；1996 年，，GE 公司用铸造的步骤，，出产制作了合用于航空发起机的 TiAl 合金叶片，，并将其推广利用；；
；1999 年，，TiAl 基合金初次被贸易利用于三菱赛车的涡轮增压机 [14] 。！５谌 TiAl 合金是由我国北京科技大学陈国良教授首先钻研并提出，，其特点为 Nb 含量为 5%~10%（质量分数），，又称为高 Nb-TiAl 基合金，，可大幅度提高 TiAl 合金抗氧化性和高温强度 [15] 。！Ｔ诖嘶∩，，国内外科学家共同致力，，使 TiAl 合金的熔模铸造技术获得了巨大的突破，，GEnx 航空的第六级和第七级镍基涡轮叶片已经被 Ti-48Al-2Cr-2Nb 叶片取代，，多个该合金的零部件也已经成功进行发起机装机尝试 [16] 。！2004 年 4 月启动钻研开发的“妄想客机”波音 787成功试飞，，其使用的发起机 GEnx 上选取了 TiAl 合金的铸造叶片，，这标志取合金利用正在不休走向成熟 [17]在汽车和其他重要利用领域，，TiAl 合金也得到了长足的发展。！３勖娇辗⑵鸹、全球最顶级豪华汽车制作商 Rolls-Royce，，在车型 courtesy F Appel 上使用了 Ti-45Al-8Nb-0.5（B,C）合金铸造的涡轮 [18] 。！０碌乩鸓lansee 公司研制了 γ-MET 系列合金，，德国 GKSS 钻研中心研制了 Ti-46Al-9Nb（TNB）系列合金，，双方还合作开发了 Ti-48Al-2Cr 合金等 [12] 。！iAl 合金的钻研已经有了几十年的汗青，，能够将其总结为典型的几种，，如表 1 所示为典型几代 TiAl 合金。！

2 、工艺制备及技术特点

2.1 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 系高温钛合金

高温钛合金应首先拥有高的热强性，，同时两全其他力学机能，，因而常选取近 β 铸造以及 β 固溶处置等工艺伎俩来获得拥有 α 片层和少量残存 β 相组织的高温钛合金 [19] 。！Ｒ蚴澜缌泄愿呶骂押辖鸬幕芤蠓制，，故对高温钛合金制备工艺的选择也不尽一样。！Ｃ拦蟹⒏呶骂押辖鸬乃悸分匾墙嘣辖鸹妥橹骺叵嘟岷，，通过调整合金元素的种类和含量以及热处置制度来两全合金高的委顿强度和蠕变强度，，使其在高温下能实现热强性与热不变性的最佳匹配。！Ｓ斜鹩诿拦，，英国更器重高温钛合金的蠕变强度，，所开发的高温钛合金成分中根基都含有 Si 元素，，研发思路重要是依附 α 相的固溶强化来提高资料力学机能。！Ｔ缙诙砺匏寡蟹⒌母呶骂押辖鹬谐斡胨鹪 Al、Mo、Si 外，，还参与有共析型 β 不变元素 Cr、Fe 来强化 α 和 β 相 [20] 。！

但通过进一步钻研发现，，Fe 固然是最强的 β 不变元素之一，，但它的参与会影响高温钛合金的热不变性，，且熔炼时易产生偏析，，所以逐步削减了对 Fe 的使用，，后期至今俄罗斯对高温钛合金的钻研越发成熟，，现已形成了一套齐全的钛合金系统 [21] 。！Ｄ壳，，能不变利用于航空发起机上的钛合金的长时使用温度仍不超过600℃，，若高于 600℃，，合金的蠕变抗力和高温抗氧化性则急剧降落，，只能作为短时高温钛合金结构件资料。！

2.2 TiAl 系高温钛基资料

在从前 10 年左右的功夫里，，人们钻研的成分领域重要集中在 Al 含量为 44%~48%（原子数）之间的合金。！８呶潞娇樟阌貌考的需要量越来越大，，很多合金系列都是这些部件的备选资料，，但均有其适当的使用温度。！iAl 系合金的指标是在 600~900℃领域内取代超合金。！Ｆ浠芏猿煞指叨让舾，，高含量 Nb 参与会加重其室温塑性和断裂韧性的损失；；
；加工温区太窄，，中低温强度低，，险些很难依赖加工硬化来提高合金的强度；；
；无 Cr 的 TiAl 基金属间化合物在 500~900℃的耐侵蚀机能差，，元素熔点差距大，，制备高质量合金铸锭工艺繁琐复杂并且成本很高 [22] 。！Ｄ壳疤岣 TiAl 合金室温塑性的蹊径大体上有三种：：：通过合金化调整晶体结构，，增长有序结构的对称性；；
；强化晶界以克制环境脆性；；
；形成多相合金，，利器拥有较好塑性的第二相，，界面效应和组织细化以减小位错滑移距离等 [23] 。！

几十年来，，美国、奥地利、德国、日本和俄罗斯在 TiAl 合金板材制备钻研较为成熟。！Ｃ拦 UES 的Kim 和 Chani、美国橡树岭国度尝试室的 C.T.Liu、德国的 GKSS、中国的西北有色金属钻研院、哈工大、北科大、中南大学等都对合金进行了详细的钻研，，并且已经有所收成 [24] 。！Ｃ拦耐ㄓ玫缙、霍梅特、普惠、英国的劳斯莱斯和日本的石川岛播磨重工业株式会社等多家世界一流的航空发起机制作商都对合金进行了有关钻研，，并且对其利用所需的综合指标进行了系统测试，，有效提高了该合金的产品利用率。！

3、 优势及利用局限性

3.1 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 系高温钛合金

在 600℃以下 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 系高温钛合金的比强度、比蠕变强度和比委顿强度方面较结构钢、铝合金以及镍基高温合金优势显著。！Ｒ灶寻炷，，可在维持一致强度的前提下，，减重 70%并拥有较好的服役机能，，在航空发起机的耐高温部位中有着相当大的利用潜力。！Ｈ欢，，高温抗蠕变机能和高温抗氧化机能随温度的升高而急剧降落是目前新型高温钛合金及钛基资料研制所面对的重要问题。！６越 α 钛合金的设计也逐步趋向多元高合金化，，好比在传统高温钛合金的基础上增长 0.1%~0.5%（质量分数）的 Si，，通过天生硅化物可能显著提高合金的高温强度和抗蠕变机能；；
；在高温钛合金中增长 Nb、Y、Nd 等稀土元素，，通过稀土元素的内氧化形成高熔点化合物，，降低基体氧含量，，提高合金的高温抗氧化机能和蠕变机能。！Ｒ部裳∪√厥饧庸すひ、耐高温涂层的步骤来提高高温钛合金机能。！６笔褂梦露雀哂 600℃时，，合金的热强性与热不变性难以匹配协调，，合金的抗氧化性急剧降落，，理论氧化严重，，导致合金热不变性以及委顿机能降落，，甚至可能使航空发起机高压压气机部位的零部件存在“钛火”风险。！

从最初英国的 IMT 钛公司和 Rolls－Royce 公司研发的第一个 600℃高温钛合金 IMI834 到现今近 30 多年的功夫里，，国际上仍未有成熟不变的 600℃以上高温钛合金出现。！Ｆ渲匾蛴辛降悖：：（1）600℃以上的使用温度下高温钛合金难以实现有效强化及强韧性的匹配。！＃2）600℃以上的使用温度下，，合金理论将产生严重氧化，，使得合金理论不不变，，机能进一步恶化。！Ｈ惹啃杂肴炔槐湫允窍薅雀呶骂押辖鸱⒄沟囊欢灾匾堋！！

3.2 TiAl 系高温钛基资料

此类合金在 600~750℃时拥有优良的抗蠕变机能，，极限温度可达到 900℃，，被以为是目前金属间化合物中最有但愿作为高温环境下使用的发起机叶片的资料。！＜婢吒叩既认凳，，是 Ni 基合金的两倍，，有望部门取代 Ni 基高温合金，，宽泛利用于航空发起机或汽车领域的高温结构部件。！Ｈ欢，，TiAl 系高温钛基资料室温延展性欠缺、高温强度以及高温抗氧化性不及，，室温塑性较差，，高温强度较低。！Ｌ岣咂涔ぷ魑露然崾艿饺浔、悠久、理论抗氧化、组织不变性、热盐应力侵蚀等机能的限度，，室温韧性差，，易产生脆性断裂；；
；而在 800℃以上的环境中，，抗氧化能力较弱，，变形加工机能较差，，难以加工成结构部件；；
；850℃以上抗氧化能力不及 [25] ，，故障了高温钛基资料的利用发展。！Ｎ，，索求改善 TiAl 基合金以上不及的蹊径和步骤成为当务之急，，好多学者为此发展了大量的钻研，，复合强韧化的思想被引入进来，，用以改善 TiAl 基合金室温断裂韧性与高温强度 [26,27] 。！Ｕ攵 TiAl 合金而言，，为实现其在 800℃～900℃温度下持久使用，，可选取原位自生复合步骤在 TiAl基体中同时引入多种加强相，，可望通过分歧个性的复合相达到提高或改善 TiAl 基体的多种机能，，而在复合过程中要把稳加强相的状态、体积分数、取向以及其散布状态等问题 [28] 。！

4、 高温钛合金及 Ti-Al 基资料将来发展趋向

对于若何发展高温钛合金及 Ti-Al 基资料的问题，，其基调无外乎是降低工艺出产成本的同时使产品产量化，，扩大利用领域的同时更要满足工业需要，，即量到质的转变。！＞湍壳岸，，高温钛合金及 Ti-Al 基资料多利用于传统市场，，航空航天部门是上述资料最大的亏损方，，则需削减高温钛合金及 Ti-Al 基资料的出产工艺成本，，从而保障开源节流的同时提高产品的利用机能，，制备出拥有耐高温、优异热不变性和热强性的长时高温钛合金及 Ti-Al 基合金资料，，为发起机、叶盘、飞机机身等结构资料提供优质货源；；
；而在传统化学和能源

工业，，兼具耐高温的同时则更应专一于产品的耐蚀度、高强度、抗委顿及使用寿命。！Ｔ诙嘣墓ひ盗煊蛑，，不盲目开发，，而是有针对性的公关资料的使用机能，，拓宽资料的利用领域，，研制出新的产品。！Ｎ颐强衫孟钟械男幸党叨燃白试，，基于现有技术开发水平，，不休索求学习与创新，，将国内外钛技术融合，，进行大量的尝试及资料评估，，美满产品机能并成立肯定的数据库，，为开发出特定环境下使用的高温钛合金及 Ti-Al 基资料产品做好充足的筹备。！

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