國內(nèi)高溫鈦合金研究概況
早期, 高溫鈦合金是指在航空發(fā)動(dòng)機(jī) 350℃ 以上使用的無序固溶強(qiáng)化型鈦合金。航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件在高溫、復(fù)雜應(yīng)力、氣流沖刷、高速振動(dòng)、環(huán)境應(yīng)力腐蝕的苛刻環(huán)境下服役, 對(duì)其材料的性能要求非常嚴(yán)格。為滿足使用需求, 高溫鈦合金需具有強(qiáng)度、塑性、韌性、蠕變和疲勞性能之間的良好匹配, 在服役溫度下具有高的抗氧化性和組織穩(wěn)定性。中高溫長(zhǎng)時(shí)蠕變和持久性能是高溫鈦合金的特征指標(biāo)。
目前 成 熟 高 溫 鈦 合 金 的 最 高 使 用 溫 度 是600℃ ,代表合金有英國的 IMI834, 美國的 Ti-1100,俄羅斯的 ВТ18у 和 ВТ36, 合金體系均為 Ti-Al-SnZr-Mo-Si 系。
國內(nèi) TC4 合金研究起步于 20 世紀(jì) 60 年代, 其余高溫鈦合金研究起步較晚, 從 20 世紀(jì) 80 年代初到現(xiàn)在歷經(jīng) 30 年的發(fā)展歷史。早期以仿制為主,使用溫 度 在 520℃ 以 下, 如 TC4, TC17, TC6, TA11,TA7,TC8, TC11, TA19 和 TC25, 分別相當(dāng)于國外的Ti-6Al-4V,Ti17,ВТ3-1, Ti-8-1-1, Ti-5Al-2. 5Sn, ВТ8,ВТ9,Ti6242S 和 ВТ25,這些合金在國外研制較早且已相當(dāng)成熟,對(duì)緩解我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金的燃眉之急,促進(jìn)型號(hào)發(fā)展及建立早期高溫鈦合金材料體系具有重要意義。20 世紀(jì) 80 年代中后期, 由于國外技術(shù)封鎖以及國內(nèi)對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)重視程度的提高等原因,開始走自主研制的發(fā)展道路,研制的合金主要是近 α 型,設(shè)計(jì)使用溫度在 550 ~ 650℃ 之間。
至 20 世紀(jì) 90 年代末, 國內(nèi)存在 Ti55( TA12),Ti633G 和 Ti53311S 三種牌號(hào)的 550℃ 高溫鈦合金,Ti55(TA12)是中科院金屬所在電子濃度規(guī)律基礎(chǔ)上自主設(shè)計(jì)、寶鈦集團(tuán)和北京航空材料研究院參與研制的一種 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si-Nd 系近 α 型高溫鈦合金( 后改進(jìn)為 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si-Nb-Ta 系), 該合金在國內(nèi)起步較早,經(jīng)過試車考核并接近成熟,在航空和航天領(lǐng)域均得到應(yīng)用。Ti633G 和 Ti53311S 是20 世紀(jì)末西北有色金屬研究院在 IMI829 基礎(chǔ)上研制的兩種 550℃ 高溫鈦合金, 名義成分分別為 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 的特點(diǎn)是加入少量稀土元素 Gd,而 Ti53311S 合金在 IMI829成分基礎(chǔ)上增加 Mo 含量到 1.0 % ( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 左右,靜強(qiáng)度高于 IMI829。這兩種合金因未進(jìn)行工程化應(yīng)用研究而未在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上試車考核, 但據(jù)報(bào)道,Ti53311S 已在國內(nèi)衛(wèi)星姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器及神舟飛船上應(yīng)用。
國內(nèi) 600℃ 鈦合金研制開始于 20 世紀(jì) 80 年代末,至 2005 年, 國內(nèi)有三種 600℃ 高溫鈦合金, 分別為中科院金屬所設(shè)計(jì)的 Ti60、西北有色金屬研究院研制的 Ti600 和北京航空材料研究院研制的 TG6。其中 Ti60 合金具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán), 目前已接近成熟并通過試車考核,Ti600 是 20 世紀(jì) 90 年代西北有色金屬研究院在 Ti1100 成分基礎(chǔ)上研制的一種 600℃鈦合金,特點(diǎn)是加入 0.1% 的 Y 細(xì)化 β 退火處理后的 β 晶粒;TG6 是北京航空材料研究院于 2000 年研制的一種 Ti-Al-Sn-Zr-Si-Nb-Ta-C 系合金, 該合金的特點(diǎn)是不含 Mo,但加入 1.5% 的弱 β 穩(wěn)定元素 Ta。
20 世紀(jì) 90 年代后, 中科院金屬所、北京航空材料研究院和西北有色金屬研究院等單位均開展了 650℃ 鈦合金的探索性研究, 中科院金屬所和北京航空材料研究院等單位研究以稀土相作為增強(qiáng)顆粒的 650℃ 鈦合金, 中科院金屬所采用快速凝固的辦法, 將稀土相納米化后作為增強(qiáng)顆粒對(duì)合金進(jìn)行強(qiáng)化;西北有色金屬研究院嘗試采用 TiC作為增強(qiáng)顆粒使鈦合金滿足 650℃ 條件下的強(qiáng)度要求。但到目前為止, 上述研究工作尚未取得突破
2007 年以后, 中科院金屬所、北京航空材料研究院和寶鈦集團(tuán)聯(lián)合開展了 650℃ 鈦合金的研究,確定了 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si-Nb-Ta-W-C 合金體系, 合金牌號(hào)暫定為 Ti65。該合金采用傳統(tǒng)的熔煉-熱加工-熱處理工藝路線, 已完成實(shí)驗(yàn)室階段研究、工業(yè)生產(chǎn)試制及典型件試制等研究工作, 取得了高于預(yù)期目標(biāo)的研究成果。該合金目前尚未定型。
國內(nèi)為5種600℃高溫鈦合金典型用途
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