Ti-V-Cr系阻燃鈦合金應(yīng)用研究進(jìn)展

曹京霞， 黃 旭， 弭光寶， 沙愛學(xué)， 王 寶

(北京航空材料研究院 先進(jìn)鈦合金航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095)

使用輕質(zhì)耐高溫鈦合金材料是提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的重要手段，鈦合金用量也因此成為衡量發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一。隨著鈦合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用增加，鈦合金著火故障不時(shí)出現(xiàn)［1］，特別是進(jìn)入20 世紀(jì)70年代后，一些著名的發(fā)動(dòng)機(jī)，如美國的F404、CF-6、PW4000、前蘇聯(lián)的D-30 等發(fā)動(dòng)機(jī)，在使用或適航試驗(yàn)中均發(fā)生過因鈦-鈦摩擦引發(fā)的著火事故。據(jù)觀測，在高壓壓氣機(jī)中，鈦合金著火后約5 ～10s 即能將機(jī)匣燒穿。對鈦火的恐懼極大地限制了鈦合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，在高壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中，盡量避免鈦合金轉(zhuǎn)動(dòng)葉片與機(jī)匣、轉(zhuǎn)動(dòng)葉片與靜子葉片等的成對使用。阻燃鈦合金是為應(yīng)對鈦火隱患而研制的專用材料，阻燃鈦合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用成為發(fā)動(dòng)機(jī)防鈦火的關(guān)鍵技術(shù)之一。

Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金是目前最具工程意義的航空發(fā)動(dòng)機(jī)用功能性結(jié)構(gòu)材料［2，3］，經(jīng)過近十年的研發(fā)，我國在Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金材料、鍛件制備及合金抗點(diǎn)燃性能評價(jià)方面均取得了較大的進(jìn)展，為Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金的工程化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。本文中主要論述Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金的鑄錠熔煉、熱加工、組織控制和抗點(diǎn)燃性能評估等方面的研究進(jìn)展。

1 合金發(fā)展

在Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金中，最具代表性的材料是由美國普惠公司研制的Ti-35V-15Cr 合金，簡稱為Alloy C 合金。Alloy C 合金在美國的四代機(jī)動(dòng)力F119 發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得大量應(yīng)用，包括高壓壓氣機(jī)靜子葉片、內(nèi)環(huán)和噴口調(diào)節(jié)片等零部件［4］。在Alloy C合金基礎(chǔ)上，普惠公司還研制了Alloy C+合金［4，5］，通過少量添加Si，C 元素達(dá)到提高合金蠕變性能的目的。

以Alloy C 合金為基礎(chǔ)國內(nèi)研發(fā)了兩個(gè)耐溫級(jí)別的Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金。Ti40 合金是西北有色金屬研究院研發(fā)的V 含量相對較低的阻燃鈦合金［6］，名義成分為Ti-25V-15Cr-0.2Si，密度為5.13g/cm3，控制原材料成本是選擇V 含量為25%的主要原因之一。該合金的使用溫度主要受限于蠕變性能，510℃及以上溫度其蠕變抗力急劇降低，由此決定了Ti40合金為500℃長期使用的鈦合金材料，用于承力結(jié)構(gòu)，其使用溫度最高不能超過520℃。

北京航空材料研究院以Alloy C+合金為基礎(chǔ)，進(jìn)一步優(yōu)化Ti-35V-15Cr-Si-C 合金的Si，C 含量，研發(fā)出TF550 合金，密度為5. 33 g/cm3。該合金在550℃仍具有很好的蠕變和持久性能，其使用溫度比Ti40 合金提高了50℃。表1 對比了Ti40 合金和TF550 合金不同溫度的拉伸性能以及不同測試條件下的持久和蠕變性能，表2 對比了兩種合金的熱穩(wěn)定性能，表中的數(shù)據(jù)為試樣熱暴露后測試的室溫拉伸性能?？梢钥闯觯m然TF550 合金密度及原材料 成本更高，但其高溫性能更有優(yōu)勢。

表1 Ti40 合金與TF550 合金的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of Ti40 and TF550 alloy

表2 Ti40 與TF550 合金的熱穩(wěn)定性能Table 2 Thermal stability of Ti40 and TF550 alloys

2 制備工藝與組織控制

2.1 鑄錠制備

Ti40 及TF550 合金的V，Cr 總量分別達(dá)到40%和50%，制備工業(yè)級(jí)鑄錠首先要考慮的是目標(biāo)成分控制及鑄錠成分均勻性控制的問題。合金元素添加方式不當(dāng)、電極布料不合理、真空自耗熔煉工藝參數(shù)不合適均易造成微區(qū)V，Cr 元素偏析。研制過程中在Ti40 合金鍛件表面及內(nèi)部發(fā)現(xiàn)的孔洞或開裂與微區(qū)成分偏析有很強(qiáng)的相關(guān)性。圖1 為650kg Ti40合金鑄錠制備的環(huán)鍛件中的孔洞及開裂，表3 為孔洞及附近區(qū)域能譜分析的結(jié)果，可以看出孔洞部位V 元素含量明顯偏高。

圖1 Ti40 合金環(huán)鍛件中孔洞及開裂的SEM 觀察結(jié)果Fig.1 SEM results of porosities and cracks in Ti40 ring forging

目前通過采取改進(jìn)合金元素V，Cr 的添加方式、電極結(jié)構(gòu)、布料方式以及優(yōu)化真空自耗熔煉工藝參數(shù)等措施，已制備出規(guī)格為φ620mm 的3t 級(jí)Ti40和TF550 合金鑄錠，鑄錠主要元素成分波動(dòng)非常小。圖2 和圖3 分別為Ti40 合金和TF550 合金φ620mm 鑄錠切片9 點(diǎn)取樣成分分析結(jié)果，9 點(diǎn)分布于切片中心、1/3 半徑及2/3 半徑處。結(jié)果表明，采用新的鑄錠制備工藝，25%V 和35%V 的阻燃鈦合金鑄錠成分均勻性都得到很好的控制。

2.2 熱加工

表4 為TF550，Ti40 以 及Ti-6Al-4V 合 金 在1050℃不同應(yīng)變速率下的熱壓縮流變峰值應(yīng)力。從表4 可以看出，TF550 及Ti40 合金的變形抗力顯著高于Ti-6Al-4V 合金，應(yīng)變速率達(dá)到0.01s－1以上，Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金的變形抗力是Ti-6Al-4V 合金的5 倍以上，TF550 合金的變形抗力較Ti40 合金高20%以上。高變形抗力增加熱加工變形的難度，對鍛壓設(shè)備有效載荷也提出了更高的要求。

圖2 Ti40 合金φ620mm 鑄錠的成分Fig.2 Chemical composition of Ti40 alloy φ620mm ingot

圖3 TF550 合金φ620mm 鑄錠的成分Fig.3 Chemical composition of TF550 alloy φ620mm ingot

除了變形抗力高，Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金鑄錠在進(jìn)行拔長變形時(shí)極易開裂，Ti40 和TF550 合金不能采用常規(guī)的鈦合金拔長變形的方式進(jìn)行鑄錠的開坯。采用包套擠壓工藝解決了Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金工業(yè)級(jí)鑄錠開坯的難題。北京航空材料研究院與中國兵器集團(tuán)公司北方重工聯(lián)合研制了用于大型鈦合金鑄錠擠壓的擠壓墊、沖減器等配套工裝，在北方重工360MN 擠壓機(jī)上完成了多個(gè)Ti40 合金鑄錠及TF550 合金鑄錠的擠壓開坯。這是我國首次將擠壓工藝用于鈦合金工業(yè)級(jí)鑄錠開坯。采用包套擠壓開坯，不僅實(shí)現(xiàn)了由φ620mm 阻燃鈦合金鑄錠到φ300mm 棒材的直接制備，而且經(jīng)過擠壓變形，使阻燃鈦合金的工藝塑性得到明顯改善，后續(xù)坯料改鍛時(shí)可以直接在快鍛機(jī)上進(jìn)行鐓粗和拔長變形，通過反復(fù)鐓拔變形，合金的晶粒得到細(xì)化且尺寸更加均勻，為環(huán)鍛件及厚板的制備奠定基礎(chǔ)。目前已制備出外徑超過740mm、高度達(dá)到320mm 的Ti40 合金環(huán)鍛件及厚度為55mm 的TF550 合金厚板，用于環(huán)類零件的加工以及模鍛件的制備。

表4 阻燃鈦合金與Ti-6Al-4V 鈦合金在1050℃不同應(yīng)變速率下峰值流變應(yīng)力對比Table 4 Peak flow stress of burn resistant titanium alloys and Ti-6Al-4V alloys at 1050℃

2.3 組織控制

Ti40 和TF550 合金的Mo 當(dāng)量分別達(dá)到40 和47，為穩(wěn)定β 型鈦合金，其顯微組織明顯不同于α +β 兩相鈦合金及近β 型鈦合金。其鑄態(tài)、鍛態(tài)以及熱處理態(tài)的顯微組織為同一類型，主要是β 晶粒尺寸的差異，鑄、鍛態(tài)組織均由單相β 和少量分布于晶內(nèi)和晶界的第二相構(gòu)成，第二相通常為硅化物、碳化物以及α 相。在不含Al 的Ti-V-Cr 系合金中形成α 相主要是由雜質(zhì)元素氧引起的，特別是經(jīng)過高溫?zé)岜┞逗?，在氧含量最高的晶界處易出現(xiàn)α 相沿晶界連續(xù)形成的情況，從而使熱穩(wěn)定性能顯著降低。圖4 為Ti40 和TF550 合金的典型金相組織。TF550合金因添加了少量C 元素，鑄態(tài)組織中碳化物較多呈條狀分布(圖4c)，鍛態(tài)時(shí)碳化物彌散分布。

對Ti-V-Cr 系合金的組織控制主要是對β 晶粒尺寸的控制，鍛造工藝決定了β 晶粒尺寸的大小。研究表明，當(dāng)β 晶粒尺寸比較接近時(shí)，熱處理對室/高溫拉伸性能的影響小［10，11］，熱處理時(shí)析出的第二相，對蠕變、持久及熱穩(wěn)定性有所影響。當(dāng)熱處理制度，特別是對第二相析出影響較大的時(shí)效溫度改變時(shí)，對熱穩(wěn)定性能影響較大［12～14］。同時(shí)高溫、高載荷下的第二相的析出也會(huì)影響持久和蠕變性能［15］。

圖4 Ti40 和TF550 阻燃鈦合金的典型顯微組織Fig.4 Typical microstructures of Ti40 and TF550 alloys (a)Ti40-STA;(b)Ti40-500℃/400MPa/80h;(c)TF550-as cast;(d)TF550-wrought+STA

3 抗點(diǎn)燃性能評估

Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金最佳V 含量范圍在22%～40%［16］，Ti40 和TF550 合金中V 含量均在此范圍中，但相差10%。前面提到，兩種V 含量的阻燃鈦合金高溫蠕變和持久性能有較大的差異，Ti-V-Cr系合金作為一種具有抗燃能力的功能性材料，V 對抗燃燒性能的影響更受關(guān)注，也一直是困擾設(shè)計(jì)選材的技術(shù)難題。已開展針對Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金抗燃燒性能及機(jī)理的相關(guān)研究［17～19］，但缺乏統(tǒng)一的、定量的測試與表征、評價(jià)方法。

鈦合金部件之間的高能摩擦著火是航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦火發(fā)生的主要模式，以摩擦點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行鈦合金抗燃燒性能評價(jià)是最接近實(shí)際工況的測試方法。北京航空材料研究院基于從俄羅斯引進(jìn)的摩擦點(diǎn)火設(shè)備，通過控制預(yù)混氣流氧濃度c0及其與摩擦接觸壓力P 的關(guān)系，將獲得的P-c0關(guān)系曲線作為表征鈦合金抗點(diǎn)燃的性能指標(biāo)［20］。在此基礎(chǔ)上，對比研究Ti40 和TF550 等阻燃鈦合金的抗點(diǎn)燃性能，并對其抗點(diǎn)燃機(jī)理進(jìn)行理論分析［21，22］。圖5 為表征Ti40 和TF550 合金及TC4 合金抗點(diǎn)燃性能的P-c0關(guān)系曲線，可以看出，Ti40 合金與35%V 的TF550合金抗點(diǎn)燃性能相差很小，都顯著優(yōu)于TC4 鈦合金。10%V 的差別對Ti-V-Cr 系的兩個(gè)阻燃鈦合金的影響主要在于高溫力學(xué)性能，而不在于抗點(diǎn)燃性能。

圖5 Ti40，TF550 和TC4 鈦合金的抗點(diǎn)燃性能［20］Fig.5 Ignition resistance performance of Ti40，TF550 and TC4［20］

4 結(jié)論

(1)經(jīng)過近十年的研究，開發(fā)出500℃和550℃兩個(gè)耐溫級(jí)別的Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金，并且在Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金工業(yè)鑄錠成分均勻化控制、擠壓開坯及環(huán)鍛件軋制等工藝技術(shù)方面取得了較大突破，為Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

(2)基于摩擦點(diǎn)火原理建立了以P-c0關(guān)系曲線定量描述鈦合金抗點(diǎn)燃性能的測試方法，該方法能夠用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫鈦合金的抗燃燒性能測試和評估。

(3)使用阻燃鈦合金是航空發(fā)動(dòng)機(jī)防鈦火的主要措施之一，Ti40 合金與TF550 合金具有接近的抗點(diǎn)燃性能，綜合原材料成本、制造工藝和力學(xué)性能等多方面的因素，這兩個(gè)合金各具優(yōu)勢，同時(shí)使用兩個(gè)耐溫級(jí)別的阻燃鈦合金更經(jīng)濟(jì)有效。

［1］陳光. 頻發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)鈦著火故障［J］. 國際航空雜志，2009 (3):45 －47.(CHEN G. Frequent Ti-alloy fired accidents［J］. International Aviation，2009 (3):45 －47.)

［2］黃旭，曹春曉，馬濟(jì)民，等. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦燃燒及阻燃鈦合金［J］. 材料工程，1997(8):11 －15.(HUANG X，CAO C X，MA J M，et al. Titanium combustion in aeroengines and fire-resistant titanium alloys［J］. Journal of Materials Engineering，1997 (8):11－15.)

［3］雷力明，黃旭，王寶，等. 阻燃鈦合金的研究和進(jìn)展［J］. 材料導(dǎo)報(bào)，2003，17(5):21 －23.(LEI L M，HUANG X，WANG B，et al. Research and development of non-burning titanium alloys［J］. Materials Review，2003，17(5):21 －23.)

［4］梁春華，李曉欣. 先進(jìn)材料在戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用研究趨勢［J］.航空材料學(xué)報(bào)，2012，32(6):32 －36.(LIANG C H，LI X X. Application and development trend of advanced materials［J］. Journal of Aeronautical Materials，2012，32(6):32 －36.)

［5］WARD C H，SPANOS G，BRODERCIK T F，et al. Isothermal transformation of precipitates in alloy C +［C］//Proceedings of the 8thworld Conference on Titanium，London，1996:2377 －2384.

［6］BRODERICK T F，RESHAD J，WARD C H，et al. Solvus temperatures of various phase in alloy C +［C］//Proceedings of the 8thworld Conference on Titanium，London，1996:2385 －2392.

［7］ZHAO Y Q，ZHU K Y，QU H L，et al. Microstructures of a burn resistant highly stabilized β-titanium alloy［J］. Materials Science and Engineering:A，2000，282:153 －157.

［8］SESHACHARYULU T，MEDEIROS S C，MORGAN J，et al. Hot deformation and microstructural damage mechanisms in extra-low interstitial (ELI)grade Ti-6Al-4V［J］.Materials Science and Engineering:A，2000，279:289－299.

［9］SESHACHARYULU T，MEDEIROS S C，MORGAN J，et al. Microstructural mechanisms during hot working of commercial grade Ti-6Al-4V with lamellar starting structure［J］. Materials Science and Engineering:A，2002，325:112 －125.

［10］辛社偉，趙永慶，曾衛(wèi)東. Ti40 阻燃鈦合金熱處理的研究［J］. 金屬熱處理，2008，33(5):68 －71.(XIN S W，ZHAO Y Q，ZENG W D. Heat treatment of Ti40 burn resistant titanium alloy［J］. Metal Heat Treatment，2008，33(5):68 －71.)

［11］曹京霞，王寶，黃旭，等. 鍛造工藝對Ti40 阻燃鈦合金微觀組織與力學(xué)性能的影響［J］. 中國有色金屬學(xué)報(bào)，2013，23(增刊1):595 －599.(CAO J X，WANG B，HUANG X，et al. Effect of forging process on microstructures and mechanical properties of Ti40 burn resistant titanium alloy［J］. The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2013，23(Suppl 1):595 －599.)

［12］趙永慶，辛社偉，吳歡，等. 熱處理對Ti40 阻燃鈦合金熱穩(wěn)定性能的影響［J］. 稀有金屬材料與工程，2008，37(4):660 －664.(ZHAO Y Q，XIN S W，WU H，et al. Effect of heat treatment on thermal stability of Ti40 alloy ［J］. Rare Metal Materials and Engineering，2008，37(4):660 －664.)

［13］黃旭，雷力明，王寶，等. Ti40 合金熱穩(wěn)定性的研究［J］. 稀有金屬，2004，28(1):44 －46.(HUANG X，LEI L M，WANG B，et al. Thermal stability of Ti40 alloy［J］. Chinese Journal of Rare Metals，2004，28(1):44 －46.)

［14］趙紅霞，黃旭，王寶，等. 熱處理對Ti-35V-15Cr-0.15Si-0.05C 合金熱穩(wěn)定性能的影響［J］. 材料工程，2013(7):73 －77.(ZHAO H X，HUANG X，WANG B，et al. Effect of heat treatment on microstructure and thermal stability properties of Ti-35V-15Cr-0.15Si-0.05C titanium alloy［J］. Journal of Materials Engineering，2013 (7):73 －77.)

［15］辛社偉，趙永慶，李倩，等. 典型熱處理工藝對Ti40 合金蠕變性能的影響［J］. 中國有色金屬學(xué)報(bào)，2010，20(增刊1):654 －658.(XIN S W，ZHAO Y Q，LI Q，et al. Effects of typical heat treatments on creep properties of Ti40 alloy［J］. The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2010，20(Suppl 1):654－658.)

［16］BERCZIK D M. Age hardenable beta titanium alloy:United States，5176762［P］. 1993 －01 －05.

［17］黃旭. 鈦合金阻燃機(jī)制研究［D］. 西安:西北工業(yè)大學(xué)，1998.(HUANG X. Fire-resistant Mechanism of Titanium Alloy［D］. Xi'an:Northwestern Polytechnic University，1998.)

［18］趙永慶，周廉，鄧炬. 阻燃鈦合金的阻燃模型［J］. 材料科學(xué)與工程，2000，18(9):888 －891.(ZHAO Y Q，ZHOU L，DENG J. Ignition resistance model of burn-resistant titanium ［J］. Materials Science and Engineering，2000，18(9):888 －891.)

［19］弭光寶，黃旭，曹京霞，等. 鈦顆粒著火過程氧化膜破裂行為的理論研究［J］. 航空材料學(xué)報(bào)，2012，32(6):25－31.(MI G B，HUANG X，CAO J X，et al. Theoretical research on oxide film fracture behavior during titanium particle ignition［J］. Journal of Aeronautical Materials，2012，32(6):25 －31.)

［20］弭光寶，黃旭，曹京霞，等. 一種表征航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金抗點(diǎn)燃性能的測試方法:中國，201218003649. 0［P］.2012 －09 －04.(MI G B，HUANG X，CAO J X，et al. A test method characterizing the fireproof performance of titanium alloys for aero-engine:China，201218003649.0［P］. 2012 －09－04.)

［21］MI G B，HUANG X，CAO J X，et al. Frictional ignition of fireproof titanium alloys for aero-engine in oxygen-containing media［J］. Trans Nonferrous Met Soc China，2013，23(8):2270 －2275.

［22］弭光寶，黃旭，曹京霞，等. Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金的抗點(diǎn)燃性能及其理論分析［J］. 金屬學(xué)報(bào)，2014，50(5):575 －586.(MI G B，HUANG X，CAO J X，et al. Ignition resistance performance and its theoretical analysis of Ti-V-Cr type fireproof titanium alloy［J］. Acta Metallurgica Sinica，2014，50(5):575 －586.)