600℃被认为是普通钛合金的“热障”温度,进一步提高工作温度受到蠕变、持久、组织稳定性、表面抗氧化等性能的限制[1] 。在500~600℃范围内,与GH4169高温合金相比,600℃高温钛合金在比强度、低周疲劳性能、抵抗疲劳裂纹扩展性能等方面有明显优势[5,6] ,因此,基于减重和提高推重比的目的,新型先进发动机对600℃高温钛合金有迫切需求。国外典型的600℃高温钛合金有英国的IMI834、美国的Ti-1100、俄罗斯的BT36和BT41,其中IMI834在EJ200、TRENT系列、PW305、PW150等发动机上成功获得批量应用[7] 。这些合金均以Ti-AlSn-Zr-Mo-Si作为主成分系,差异之处在于合金化含量以及加入其他β稳定化元素,如IMI834加Nb,BT36加W。十几年来,国内几家科研院所在600℃高温钛合金方面开展了大量研究[8,9,10,11] ,如北京航空材料研究院研制的新一代600℃高温钛合金TA29[8] 、中科院金属所研制的TA33[9] 。
TA29钛合金名义成分为Ti-5.8Al-4Sn-4Zr-0.7Nb-1.5Ta-0.4Si-0.06C,成分主要特点是采用Nb和Ta两个弱β稳定化元素进行合金化,它们在α-Ti中具有较大的固溶度,可增强α相的固溶强化作用,有助于改善高温抗氧化能力,提高热稳定性。采用低Fe、低O的高纯化控制方式,保证了合金优异的高温蠕变性能。通过加入微量C,扩大了α+β区上部的工艺窗口,使合金具有更好的工艺适应性,满足工业批产的工艺控制要求。从2000年开始至今,历经成分探索、实验室小锭熔炼到工业化铸锭熔炼的渐进式研究,通过合金成分、熔炼、锻造、热机械处理、机加工等工艺参数的不断优化,在工业条件下,实现了从3t型工业铸锭熔炼、Ф300mm大规格棒材制备、大尺寸整体叶盘锻件制备到整体叶盘零件机加工、检测检验、表面处理等全程制造,工艺稳定、性能优越。TA29钛合金典型整体叶盘锻件如图1所示。其中,第I类整体叶盘锻件的外径尺寸为Ф630mm,质量为112kg,截面厚薄差异大,轴向截面最大厚度为150mm。TA29钛合金的拉伸性能与IMI834合金相当,但在高温蠕变、断裂韧度等方面有优势,在600℃/160MPa/100h测试条件下,蠕变应变εp稳定在≤0.1%,在620℃/160MPa/100h测试条件下,εp≤0.15%,而IMI834锻件(最大截面厚度≤80mm)的蠕变性能指标为:在600℃/150MPa/100h测试条件下,εp≤0.2%。TA29钛合金拉伸试样经过600℃长时热暴露后,室温拉伸塑性显著降低,即热稳定性下降,在120℃以上,毛坯热暴露试样的拉伸塑性与未暴露状态试样的拉伸塑性相当,而试样热暴露后拉伸塑性是未暴露状态拉伸塑性的50%左右,且随着温度的升高,拉伸塑性差距逐步缩小。在300~600℃范围内,试样热暴露与毛坯热暴露的拉伸塑性相当,说明表面氧化层对热稳定性的降低作用随着温度的升高逐步减弱[12] 。因此,对于在高温环境下使用的TA29钛合金,在设计选材和热稳定性评估时,应考虑热稳定性在高温下会发生部分恢复的这一特性,而且在300~600℃范围内,试样热暴露后的拉伸塑性仍能保持较高的数值。TA29钛合金α+β区热处理的整体叶盘锻件的室温断裂韧度KIC为45MPa·m1/2,400℃及以上温度KIC≥70MPa·m1/2,采用β模锻的TA29钛合金盘锻件的室温KIC值达65MPa·m1/2,可见TA29钛合金具有良好的损伤容限性能。
图1 TA29钛合金整体叶盘锻件
Fig.1 TA29titanium alloy compressor blisk forging
(a)I型[8];(b)II型(a)the I type[8];(b)the II type
图2为TA29钛合金典型整体叶盘零件。整体叶盘结构消除了盘、片分离结构存在的零件连接、装配而引起的 零件之间的应力、变形和漏气损失,使发动机的工作效率、质量可靠性有所提高。采用五坐标数控加工技术生产的TA29钛合金整体叶盘零件,其外形尺寸、静平衡、荧光检测、表面残余应力等均符合设计要求,TA29钛合金整体叶盘零件通过了高温超转破裂、低循环疲劳、叶片振动疲劳强度考核。TA29钛合金大规格棒材、整体叶盘锻件和零件已具备小批生产能力。
图2 TA29钛合金整体叶盘零件
Fig.2 TA29titanium alloy compressor blisk parts
(a)I型;(b)II型(a)the I type;(b)the II type
TA29钛合金因在620℃仍具有良好的蠕变抗力,在其他性能满足设计要求时,可延伸至620℃左右长期使用。除在发动机领域具有很好的应用潜力外,TA29钛合金在750~800℃仍能保持较高的抗拉强度,可在此温度区间短时使用,应用于超高声速导弹、火箭、飞行器、空天飞机等装备的机体构件、蒙皮,以及所用发动机的高温部件。
