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我国 TC8 钛合金研制进展与性能评价

发布日期:2020-11-27  浏览次数:186
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   王 俭  冯秋元  张永强  陈志勇  乔 璐   毛玲玲   李 巍王鼎春   高 颀    宝集团有限公司宝钛研究院    宝鸡钛业股份有限公司宝钛研究院    中国科学院金属研究所
  摘要: 从实验室研制到工业化批量生产及应用角度,阐述了 TC8 钛合金的研制进展,详述了材料研制突破的关键技术,介绍了该钛合金在不同温度下的拉伸、持久、蠕变、热稳定、疲劳等力学性能和线膨胀系数、比热等物理性能,并与俄罗斯 BT8钛合金进行对比,综合评价材料性能; 通过利用该合金棒材制作转子叶片锻件,验证其工艺性能。结果表明,TC8 钛合金具有优异的力学性能,其力学性能符合技术条件要求,达到甚至超过 BT8 钛合金的性能水平,完全满足发动机用高温钛合金材料需求; 该钛合金锻造性能良好,可采用常规的热处理方式,切削加工性好,表现出较好的工艺性能。
  关键词: 钛合金; TC8 钛合金; BT8; 材料性能; 力学性能
  高温钛合金以其优良的热强性和高比强度,在航空、航天等领域获得了广泛的应用。为了满足设计高性能航空发动机的需求,苏联在 20 世纪 50 年代 末 期 开 发 出 BT6 ( 国 内 牌 号 TC4 )、 BT3-1(TC6)、BT8、BT9 ( TC11) 等牌号的钛合金[1 - 2]。为进一步提高高温钛合金的性能和工作寿命,20 世 纪 90 年代,俄罗斯在 BT8 钛合金的基础上改进研制了 BT8-1 及 BT8M-1 钛合金[3 - 5]。我国在 20 世纪 60 年代对 BT8 钛合金进行了实验室仿制。进入 21 世纪,为满足我国舰船、航空等领域对高温钛合金的应用需求,相 继 开 展 了BT8[6 - 7]、BT8-1 和 BT8M-1 钛合金的仿制,研制的TC8[8 - 9]、TC8-1[10 - 12]和 TC8M-1[13]钛合金,在燃气涡轮发动机和航空发动机上获得应用。本文从材料技术角度对 TC8 钛合金研制和应用的历史进程进行回顾,重点介绍其研制进展,对该合金研制过程中突破的关键技术进行梳理,并与 BT8 钛合金在不同温度下的拉伸、持久、蠕变、热稳定等力学性能及其物理性能 (包括热膨胀系数、比热、热导率和热扩散率) 进行对比评价,为合金的进一步开发和选用提供参考。
  1  研制进展
  1.1 20 世纪 60 年代初—1982 年—实验室仿制阶段我国于 20 世纪 60 年代初期对 BT8 钛合金进行了实验室仿制,并列入冶金部颁部标准 (YB),被命名为 TC8 钛合金[3],合金成分与俄罗斯 1958 年的钛合金成分相同。由于没有需求牵引,TC8 钛合金仿制后一直没有规模化生产和应用,因此,1982年的国标中没有列入该合金牌号。该时期 TC8 钛合金的发展因缺少基础研究、工业规模生产与应用等多个环节而处于停滞状态。
  1.2 2003 年—2009 年—工业规模研制及舰船领域应用阶段
  “十五”期间,海军某舰艇用燃气涡轮发动机高压压气机动叶片需求 500 ℃环境工作时间 50000 h的耐热钛合金。动叶片不仅在高温负荷下长期承受循环应力作用,而且经常开动与停车,要求材料热稳定性、高温持久性能、抗疲劳性能俱佳。鉴 于TC8 钛合金的综合性能能够满足燃气涡轮发动机的设计要求,确保其长寿命使用,2003 年为了适应我国舰船工业发展,满足制作长寿命某燃气涡轮发动机高压压气机八、九级动叶片的需求,受中国船舶重工集团委托,中国科学院金属研究所和宝鸡有色金属加工厂 (现宝钛集团) 共同承担了耐热钛合金材料研究任务,制定了相关的技术条件,再次启动了 TC8 钛合金的研制工作。通过研究,首先确定了合金成分范围。按照俄罗斯 OCT190013—81 标准中化学成分的要求,在实验室熔炼了 12 种不同成分的10 kg 合金铸锭,锻造成直径 Φ15 mm 的棒材,研究了合金成分上下限对其性能的影响。经过检测和分析,结果表明,当 Al、Mo 含量处于标准要求中限或中限偏上时,该合金综合性能较好。
  在实验室成分研究基础上,利用真空自耗电弧炉 (VAR) 熔炼了 2 吨级 Φ622 mm 工业规模的 TC8钛合金铸锭,对合金熔炼工艺进行了研究。通过对原料进行严格的复验、挑选,并对熔炼过程进行严格控制,熔炼出成分均匀、冶金质量良好、满足后续加工要求的 TC8 钛合金铸锭。利用该铸锭,基于钛合金加工经验,结合 TC8 钛合金的工艺塑性图,确定了该合金中间坯料的热加工工艺制度,并对Φ32 和 Φ25 mm 精锻棒材,以及 Φ20 mm 轧制棒材的锻造和轧制工艺 (加热温度、时间和变形量等)进行了研究[6 - 8],获得了综合力学性能较佳的合金棒材,突破了小规格 TC8 钛合金棒材热加工技术。通过研究不同热处理温度对棒材室温拉伸性能的影响[14],得 到 TC8 钛合金适宜的热处理制度为:920 ~ 950 ℃ /1 ~ 4 h,AC + 570 ~ 600 ℃ /1 h,AC。
  对研制的 TC8 钛合金小规格棒材的化学成分、高低倍组织、硬度、冲击韧性、室温和高温拉伸性能、高温持久性能、热稳定性[10]、高周疲劳性能等进行分析、测试,结果表明,研制的棒材满足技术条件和使用要求。先后交付了 3 个批次近 2 t 的棒材,加工、制作成涡轮发动机叶片,并进行了装机考核。考核结果表明,研制的 TC8 钛合金可保证燃气涡轮发动机 50000 h 的整体寿命,满足 500 ℃ 下3500 h 工作的性能稳定性、高温持久能力和长时间疲劳性能要求。
  TC8 钛合金小规格棒材工业规模试制成功,突破了 TC8 钛合金吨级铸锭熔炼技术、小规格棒材锻造、轧制技术及热处理技术,实现了替代进口和叶片用棒材的国产化,满足了燃气涡轮发动机的研制需求,为该合金后续的批量化生产和应用奠定了基础。该合金也率先在舰船燃气涡轮发动机上得到了应用。在 2007 年修订的国家标准 GB /T 3620. 1—2007[15]中,该合金再次被新增入钛合金牌号中。
  1.3 2009 年—至今—工业化批量生产及航空领域应用阶段
  2009 年针对中国航发成都发动机有限公司某型飞机发动机高温钛合金材料需求,宝钛集团有限公司承担了航空发动机用 TC8 钛合金棒材研制,与使用单位共同制定了该合金棒材的技术条件。针对航空发动机叶片用棒材需求,开展了 TC8 钛合金 3 吨 级 Φ720 mm 大型铸锭熔炼工艺研究。与前期研究相比,铸锭锭型从 Φ622 mm 增大至 Φ720 mm。铸锭锭型增大,合金元素偏析程度增加,成分均匀性控制难度随之增大。通过对合金元素的挥发规律进行深入研究,调控熔炼工艺参数,熔炼出成分均匀、冶金质量优良的大型铸锭。航空发动机除直径小于Φ36 mm 叶片用棒材外,还有直径 Φ50 ~ Φ100 mm螺母、安装座、托架用棒材。在前期小规格棒材研制基础上,通过对加热温度、加热时间和变形量等加工工艺参数进行优化,突破了 TC8 钛合金大规格棒材锻造技术,研制出组织、性能满足技术条件和使用要求的棒材,使其在某型航空发动机上获得了初步应用。
  2012 年 9 月,针对某航空发动机对高温钛合金材料的迫切需求,由贵发所召开钛合金材料研制协调会,在国外样机解剖和 TC8 钛合金研制基础上,由材料研究、生产和应用单位组成联合课题组,开展了 TC8 系列钛合金 (包括 TC8、TC8-1 和 TC8M-1钛合金) 研制[10 - 13]。金属所承担样机解剖任务, 宝钛集团承担新材料研制任务,与使用单位 (中航工业黎明航空发动机有限公司和贵州安大航空锻造有限责任公司分别承担发动机叶片和压气机盘制作任务) 共同制定了材料的专用技术标准,确定了棒材的规格。根据高压压气机转子叶片用钛合金材料需求,开展了 TC8 钛合金铸锭熔炼工艺和棒材加工工艺优化研究。
  通过深入研究,突破了 TC8 钛合金棒材工业化批产技术。自 2012 年至 2018 年,先后熔炼 TC8 钛合金 Φ720 mm 铸锭近 20 个,投料量 60 余吨。经统计分析表明,TC8 钛合金同一铸锭纵向主元素成分极差为: Al 0. 1%、Mo 0. 1%、Si 0. 02%、O 0. 01% ,而不同铸锭同一元素的成分极差为: Al 0. 2% 、Mo0. 3% 、Si 0. 05% 、O 0. 04% ,说明 TC8 钛合金铸锭的质量一致性和批次稳定性较好。
  图 1 为 TC8 钛合金铸锭横截面 13 点成分取样分析结果。由图 1 可知,铸锭横截面上主元素的成分极差为: Al 0. 1% 、Mo 0. 1% 、Si 0. 01% 。与标准GB /T 3162. 0—2007[16]中 Al、Mo 和 Si 元素的允许偏差 ± 0. 4% 、 ± 0. 3% 和 ± 0. 05% 对比可知,合金的化学成分均匀性较好。通过选择熔点和密度与钛相近的中间合金以及采用适当的熔炼工艺参数,可保证合金铸锭的冶金质量。
  利用熔炼的铸锭,研制出叶片用小规格棒材和螺母、凸台等用大规格棒材,同时对 TC8 钛合金的热处理工艺进行了优化,结果表明经 920 ℃ /2 h,AC + 580 ℃ /1 h,AC 处理后,可使棒材获得强度与塑性的最佳匹配[17]。
  中航工业黎明公司利用宝钛集团研制的 TC8 钛合金 Φ24 mm 棒材,加工成高压压气机 4 ~ 7 级转子叶片。经分析测试表明,叶片性能完全符合技术条件要求。TC8 钛合金的研制经历了实验室仿制—停滞—工业规模研制—工业化批量生产阶段。进入 21 世 纪,在航空领域尤其是在航空发动机需求牵引下,该合金的工程化应用得到快速发展。经过 10 余年的研制和生产表明,TC8 钛合金铸锭化学成分均匀,棒材的质量一致性和批次稳定性较好。中航工业贵发所的装机考核和应用验证表明,TC8 钛合金完全能够满足新型航空发动机用高温钛合金材料要求。
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  图 1 TC8 钛合金铸锭横截面上主元素成分的极差
  2  性能评价
  2.1  力学性能
  2.1.1 拉伸性能
  TC8 钛合金和 BT8 钛合金不同温度下的典型力学性能如表 1 所示,其中,Rm为抗拉强度,Rp0. 2为 延伸强度,A 为伸长率,Z 为断后收缩率。将不同温度下 TC8 和 BT8 钛合金的抗拉强度和塑性性能进行对比,分别如图 2 和图 3 所示。由图 2 可知: 当温度低于 400 ℃ 时,TC8 钛合金的抗拉强度与 BT8钛合金的基本相当; 当温度大于 400 ℃ 时,其抗拉强度高于 BT8 钛合金。由图 3 可知,TC8 钛合金在不同温度下的塑性性能均优于 BT8 钛合金。
  2.1.2 持久强度和蠕变性能
  表 2 为 TC8 钛合金和 BT8 钛合金的持久强度和蠕变性能。由表 2 可知,TC8 钛合金的持久强度和蠕变性能与 BT8 钛合金基本相当[3],其中,σ100 和 σ500分别代表 100 和 500 h 的持久强度,σ0. 2 /100 和 σ0. 2 /500分别代表 100 和 500 h 的蠕变性能。
  2.1.3  热稳定性能
  表 3 为 TC8 和 BT8 钛合金的热稳定性能。由表3 可知,热暴露后 TC8 钛合金的强度与 BT8 钛合金相当 ,而其塑性性能则优于 BT 8 钛 合 金 。此外 ,TC8 钛合金热暴露 500 h 后测得的拉伸性能与热暴露 100 h 的较为接近,表明该合金是一种耐高温、长寿命的钛合金,可在高温服役条件下长期使用。
  表 1 TC8 和 BT8 钛合金在不同温度下的典型力学性能


  图 2 TC8 和 BT8 钛合金不同温度下的抗拉强度对比
  图 3 TC8 和 BT8 钛合金不同温度下的塑性性能对比
  表 2 TC8 和 BT8 钛合金的持久强度和蠕变性能
  2.1.4 疲劳性能
  表 4 为 TC8 和 BT8 钛合金在不同温度下的疲劳性能 (107周次)。由表 4 可知,在室温和 500 ℃高温下,TC8 钛合金的疲劳性能均优于 BT8 钛合金,表明合金具有较好的抗疲劳裂纹扩展能力。
  表 3 TC8 和 BT8 钛合金的热稳定性能
  表 4 TC8 和 BT8 钛合金的疲劳性能
  2.2  物理性能
  表 5 为 TC8 和 BT8 钛合金的线膨胀系数[3]。由表 5 可知,20 ~ 200 ℃ 以上时,TC8 钛合金的线膨胀系数略高于 BT8 钛合金。随着温度升高,TC8 和BT8 钛合金的线膨胀系数均呈增大趋势。
  表 5 TC8 和 BT8 钛合金的线膨胀系数 α ( × 10 - 6 /℃)
  表 6 为 TC8 和 BT8 钛合金的比热、热导率和热扩散率。由表 6 中数据可知,BT8 钛合金的比热、热导率和热扩散率略高于 TC8 钛合金。与线膨胀系数类似,随温度升高,合金的比热、热导率和热扩散率均呈增大趋势。
  2.3 工艺性能
  2.3.1锻造性能对 TC8 钛合金的等温压缩研究表明[18],以10 s - 1 的应变速率等温压缩时,在 相 变 点 以 上1030 ℃ 变形时的流变应力为 105 MPa,在相变点以下 980 ℃变形时的流变应力为 114 MPa,而在900 ℃变形时的流变应力不足 300 MPa,如图 4 所示。由此可见: TC8 钛合金塑性好( 室温伸长率大于等于16% ),变形抗力小,锻造性能好。
  表 6 TC8 和 BT8 钛合金的比热、热导率和热扩散率

  图 4 TC8 钛合金在 10 s - 1应变速率等温压缩时的应力 - 应变曲线
  通过研究 TC8 钛合金锻造工艺适应性以及加热温度、变形程度对低倍组织、显微组织及力学性能的影响,并利用 Φ24 mm TC8 钛合金棒材制备转子叶片[19]。研究表明,TC8 钛合金具有良好的锻造性能,采用较低的锻造加热温度就能够获得初生 α 相含量更高的等轴组织,变形程度在 40% 以下获得的组织均匀性较好。采用挤压制坯 + 终锻的成形工艺,加工出表面质量良好、几何尺寸符合设计要求的TC8 钛合金转子叶片锻件,如图 5 所示。
  选用 Tβ (β 转变温度) + 30 ~ 100 ℃ 和 Tβ -30 ~ 100 ℃的轧制温度、不同变形量对 Φ30 mm TC8钛合金棒材进行轧制工艺研究[7]。研究表明,在合金成分不变的情况下,通过控制轧制工艺参数可得到相应的内部组织,并获得良好的机械性能。TC8钛合金不仅可以通过锻造加工得到 Φ50 ~ Φ100 mm的锻 造 棒 材 ( 用 于 制 作 凸 台、 安 装 座、 托 架等) , 而 且可以通过轧制加工得到 Φ12 ~Φ24 mm的轧制棒材 ( 用于制作紧固件、转子叶片等) ,表明该合金具有较好的变形加工性能和综合性能。
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  图 5 TC8 钛合金叶片锻件
 
  2.3.2  热处理性能
  在合金成分一定的情况下,通过适当的热处理工艺使合金得到相应的组织,是合金获得良好性能的有效途径之一。TC8 钛合金属于马氏体 α + β 两相钛合金,其显微组织主要是由热加工和热处理工艺决定的。通过测试 TC8 钛合金在不同轧制温度和热处理工艺下 (940 ℃固溶处理 2 h,采取 3 种不同的冷却方式,即空冷、水冷和炉冷 + 600 ℃ 时效处理 1 h,空冷) 的拉伸性能[8],研究合金在不同热处理工艺下的显微组织。结果表明,合金的拉伸性能主要与轧制的变形量和热处理的冷却速度有关,空冷处理可使合金获得强度与塑性的较佳匹配。与水冷和炉冷处理相比,空冷处理既简便又经济。因 此,TC8 钛合金可以采用常规的热处理方式,具有较好的工艺性能。
  2.3.3  切削加工性能
  经测试,TC8 钛合金的硬度值约为338 HBS,与工业上应用量最大的 TC4 钛合金的硬度 (340 HBS) 相 当。TC8 钛合金中主要含 Al、Mo 和 Si 这 3 种合金化元素,成 分 简 单,其 [Al]eq = 7. 5,[Mo]eq =3. 3,属于中强高塑钛合金,其切削加工性好。采用一般的 切 削 加 工 方 法[20 - 21],选择硬质合金刀具(一般采用 YG8)、合适的切削参数和切削液等切削条件,即可对合金进行车削、铣削、钻削、磨削等切削加工。
  3  结语
  TC8 钛合金的研制经历了实验室仿制—停滞—工业规模研制—工业化批量生产阶段。该合金的研制,不仅突破了耐高温、长寿命材料加工关键技术,完善了我国的高温钛合金体系,实现了材料的国产化,填补了国内空白,而且满足了舰船、航空、航天等领域对高温钛合金的迫切需求,提高了军用关键新材料的保障水平。与 BT8 钛合金研究和应用的成熟性相比,近年来我国 TC8 钛合金的研制和工程应用取得了长足的进步,合金的性能水平达到或优于 BT8 钛合金,可用于制造 450 ~ 500 ℃ 下长时间工作的高压压气机转子叶片等结构件。今后将继续开展 TC8 钛合金长时 (2000、10000 h) 持久、蠕变(2000 h) 和断裂性能等力学性能的测试与评价,开展该合金铸造性能、焊接性能等的研究,进一步补充、完善合金的全面力学性能和工艺性能数据,为该合金的选用提供参考和依据。
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