Ti-V-Cr系阻燃鈦合金應用研究進展

曹京霞， 黃 旭， 弭光寶， 沙愛學， 王 寶

(北京航空材料研究院 先進鈦合金航空科技重點實驗室，北京100095)

使用輕質耐高溫鈦合金材料是提高航空發動機推重比的重要手段，鈦合金用量也因此成為衡量發動機先進性的重要指標之一。隨著鈦合金在航空發動機上應用增加，鈦合金著火故障不時出現［1］，特別是進入20 世紀70年代后，一些著名的發動機，如美國的F404、CF-6、PW4000、前蘇聯的D-30 等發動機，在使用或適航試驗中均發生過因鈦-鈦摩擦引發的著火事故。據觀測，在高壓壓氣機中，鈦合金著火后約5 ～10s 即能將機匣燒穿。對鈦火的恐懼極大地限制了鈦合金在航空發動機上的應用，在高壓壓氣機設計中，盡量避免鈦合金轉動葉片與機匣、轉動葉片與靜子葉片等的成對使用。阻燃鈦合金是為應對鈦火隱患而研制的專用材料，阻燃鈦合金在航空發動機上的應用成為發動機防鈦火的關鍵技術之一。

Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金是目前最具工程意義的航空發動機用功能性結構材料［2，3］，經過近十年的研發，我國在Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金材料、鍛件制備及合金抗點燃性能評價方面均取得了較大的進展，為Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金的工程化應用奠定基礎。本文中主要論述Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金的鑄錠熔煉、熱加工、組織控制和抗點燃性能評估等方面的研究進展。

1 合金發展

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動力F119 發動機上獲得大量應用，包括高壓壓氣機靜子葉片、內環和噴口調節片等零部件［4］。在Alloy C合金基礎上，普惠公司還研制了Alloy C+合金［4，5］，通過少量添加Si，C 元素達到提高合金蠕變性能的目的。

以Alloy C 合金為基礎國內研發了兩個耐溫級別的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，用于承力結構，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，進一步優化Ti-35V-15Cr-Si-C 合金的Si，C 含量，研發出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定性能，表中的數據為試樣熱暴露后測試的室溫拉伸性能。可以看出，雖然TF550 合金密度及原材料 成本更高，但其高溫性能更有優勢。

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

表2 Ti40 與TF550 合金的熱穩定性能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 總量分別達到40%和50%，制備工業級鑄錠首先要考慮的是目標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、電極布料不合理、真空自耗熔煉工藝參數不合適均易造成微區V，Cr 元素偏析。研制過程中在Ti40 合金鍛件表面及內部發現的孔洞或開裂與微區成分偏析有很強的相關性。圖1 為650kg Ti40合金鑄錠制備的環鍛件中的孔洞及開裂，表3 為孔洞及附近區域能譜分析的結果，可以看出孔洞部位V 元素含量明顯偏高。

圖1 Ti40 合金環鍛件中孔洞及開裂的SEM 觀察結果Fig.1 SEM results of porosities and cracks in Ti40 ring forging

目前通過采取改進合金元素V，Cr 的添加方式、電極結構、布料方式以及優化真空自耗熔煉工藝參數等措施，已制備出規格為φ620mm 的3t 級Ti40和TF550 合金鑄錠，鑄錠主要元素成分波動非常小。圖2 和圖3 分別為Ti40 合金和TF550 合金φ620mm 鑄錠切片9 點取樣成分分析結果，9 點分布于切片中心、1/3 半徑及2/3 半徑處。結果表明，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℃不同應變速率下的熱壓縮流變峰值應力。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，應變速率達到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行拔長變形時極易開裂，Ti40 和TF550 合金不能采用常規的鈦合金拔長變形的方式進行鑄錠的開坯。采用包套擠壓工藝解決了Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金工業級鑄錠開坯的難題。北京航空材料研究院與中國兵器集團公司北方重工聯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 擠壓機上完成了多個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級鑄錠開坯。采用包套擠壓開坯，不僅實現了由φ620mm 阻燃鈦合金鑄錠到φ300mm 棒材的直接制備，而且經過擠壓變形，使阻燃鈦合金的工藝塑性得到明顯改善，后續坯料改鍛時可以直接在快鍛機上進行鐓粗和拔長變形，通過反復鐓拔變形，合金的晶粒得到細化且尺寸更加均勻，為環鍛件及厚板的制備奠定基礎。目前已制備出外徑超過740mm、高度達到320mm 的Ti40 合金環鍛件及厚度為55mm 的TF550 合金厚板，用于環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℃不同應變速率下峰值流變應力對比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 當量分別達到40 和47，為穩定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、鍛態以及熱處理態的顯微組織為同一類型，主要是β 晶粒尺寸的差異，鑄、鍛態組織均由單相β 和少量分布于晶內和晶界的第二相構成，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 相主要是由雜質元素氧引起的，特別是經過高溫熱暴露后，在氧含量最高的晶界處易出現α 相沿晶界連續形成的情況，從而使熱穩定性能顯著降低。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，鑄態組織中碳化物較多呈條狀分布(圖4c)，鍛態時碳化物彌散分布。

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β 晶粒尺寸比較接近時，熱處理對室/高溫拉伸性能的影響小［10，11］，熱處理時析出的第二相，對蠕變、持久及熱穩定性有所影響。當熱處理制度，特別是對第二相析出影響較大的時效溫度改變時，對熱穩定性能影響較大［12～14］。同時高溫、高載荷下的第二相的析出也會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注，也一直是困擾設計選材的技術難題。已開展針對Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金抗燃燒性能及機理的相關研究［17～19］，但缺乏統一的、定量的測試與表征、評價方法。

鈦合金部件之間的高能摩擦著火是航空發動機鈦火發生的主要模式，以摩擦點火實驗技術進行鈦合金抗燃燒性能評價是最接近實際工況的測試方法。北京航空材料研究院基于從俄羅斯引進的摩擦點火設備，通過控制預混氣流氧濃度c0及其與摩擦接觸壓力P 的關系，將獲得的P-c0關系曲線作為表征鈦合金抗點燃的性能指標［20］。在此基礎上，對比研究Ti40 和TF550 等阻燃鈦合金的抗點燃性能，并對其抗點燃機理進行理論分析［21，22］。圖5 為表征Ti40 和TF550 合金及TC4 合金抗點燃性能的P-c0關系曲線，可以看出，Ti40 合金與35%V 的TF550合金抗點燃性能相差很小，都顯著優于TC4 鈦合金。10%V 的差別對Ti-V-Cr 系的兩個阻燃鈦合金的影響主要在于高溫力學性能，而不在于抗點燃性能。

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

4 結論

(1)經過近十年的研究，開發出500℃和550℃兩個耐溫級別的Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金，并且在Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金工業鑄錠成分均勻化控制、擠壓開坯及環鍛件軋制等工藝技術方面取得了較大突破，為Ti-V-Cr 系阻燃鈦合金的工程應用奠定了基礎。

(2)基于摩擦點火原理建立了以P-c0關系曲線定量描述鈦合金抗點燃性能的測試方法，該方法能夠用于航空發動機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動機防鈦火的主要措施之一，Ti40 合金與TF550 合金具有接近的抗點燃性能，綜合原材料成本、制造工藝和力學性能等多方面的因素，這兩個合金各具優勢，同時使用兩個耐溫級別的阻燃鈦合金更經濟有效。

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