先进航空发动机朝着高涡轮前温度、高推重比、长寿命和低油耗方向发展,除了先进的设计技术,发动机性能的提高强烈依赖于先进材料及制造技术的发展,发动机的关键件和重要件亟需耐高温、高比强度、高比模量、抗氧化和阻燃的新材料。随着使用温度的升高,材料的高温性能尤其是蠕变性能显得越来越重要。先进材料及制造技术保障了新材料制件及新型结构的实现,使发动机的质量不断减轻,发动机的工作效率、使用寿命、稳定性和可靠性不断提高。钛合金材料在发动机400℃以下低温段的应用受到密度更小的树脂基复合材料的竞争,而普通钛合金材料600℃以上的蠕变、持久、组织稳定性、抗氧化等性能已无法胜任发动机的使用要求[1] 。与镍基高温合金相比,600℃高温钛合金、Ti-Al系金属间化合物、SiC纤维增强钛基复合材料(SiCf/Ti)在500~850℃温度区间的比强度、比蠕变强度和比疲劳强度方面有明显优势,在保持相同服役使用性能的情况下,以钛代镍可减重40%以上,这对提高发动机的推重比和使用性能效果显著,这些新材料与整体叶盘、整体叶环等轻量化结构相结合,有望应用于新一代发动机高压压气机和低压涡轮部件[2] 。在Ti-Al系金属间化合物家族中,与Ti3Al和Ti2AlNb合金相比,TiAl合金以其显著的低密度、高比模量、高蠕变抗力、阻燃等优势,成为发动机高温结构应用最有潜力的材料之一。钛火一直是影响发动机安全可靠使用的重大隐患,其发生往往是无征兆的,且在短时间内发生,来不及采取有效控制措施。发动机钛火问题直接推动了阻燃钛合金的研究与发展[3] 。
随着600℃高温钛合金、阻燃钛合金、TiAl合金、SiCf/Ti复合材料这类新材料研究工作的不断深入,技术成熟度得以提升,逐步积累工程化生产和应用经验,研制的典型件在新型发动机上进行了强度考核和装机试用,成为发动机新材料应用领域的新力军。600℃高温钛合金适用于工作温度为500~600℃的高压压气机整体叶盘、机匣等;阻燃钛合金适用于高压压气机机匣、叶片等;TiAl合金适用于工作温度在700~850℃的高压压气机叶片、涡轮叶片等;SiCf/Ti钛基复合材料适用于高压压气机整体叶环。
虽然600℃高温钛合金、阻燃钛合金、TiAl合金、SiCf/Ti复合材料在某一项性能方面具有独特优势,但并非十全十美,在某些方面还存在明显不足,如TiAl合金低的室温塑性和韧性、较差的制造加工工艺性能以及高昂的成本等。因此,在进行选材和制定工艺时,应针对具体零部件的使用性能要求,综合协调力学性能、工艺性能、生产成本等因素,遵循先进科学的设计准则如损伤容限设计、可靠度设计、概率寿命设计等,改进和提高材料性能,避免出现严重影响使用的短板,兼顾结构强度设计、材料研究和部件制造工艺技术,相互推动,促进设计、材料、应用三者的有机融合[4] 。本文综述近年来我国在先进高温钛合金材料及应用技术等方面的研究进展及取得的成果,并提出材料及构件设计、加工和使用亟待突破的关键技术及其工程应用需要开展的研究工作。
1.先进高温钛合金材料及构件制造技术研究进展
根据在发动机上的设计使用特点,先进高温钛合金系列材料研究的目标始终是致力于提高长时使用温度,即提高热强性,同时须具有良好的热动力学稳定性,即保证部件在设计使用寿命期内保持持续的物理和力学性能。发动机高温段工作的盘、叶片、整体叶盘、整体叶环等转动件,要求材料在高温服役环境下具有足够的蠕变抗力、高低周疲劳强度、组织稳定性及抗氧化能力,防止过量的蠕变变形和足够高的疲劳强度是设计关键。此外,对于整体叶盘和整体叶环零件,控制气动力诱发的叶片振动很重要。在400℃以下,普通钛合金具有足够的蠕变抗力,使用过程中一般为疲劳破坏为主的失效模式;而在400℃以上,随着使用温度的提高,蠕变性能愈来愈成为制约钛合金使用性能和使用寿命的关键因素。同时,应考虑高温环境下材料的蠕变与疲劳、环境的交互作用,以及过量的蠕变变形会造成叶片与机匣间的非正常摩擦引起的钛火问题。
我国航空发动机在役和在研的主要高温钛合金如表1所示。随年代的推进,高温钛合金的使用温度呈不断提高的发展趋势,现役发动机上使用的钛合金主要有TC4,TC11,TC17和TA11等,用于发动机风扇和压气机低温段工作的叶片、盘、机匣等零件。20世纪90年代研制的550℃高温钛合金TA12,工程化时遇到较大的技术问题,后经成分优化,去除了稀土元素Nd,重新命名为TA32。Ti3Al基金属间化合物合金TD2和TD3,其机匣典型件通过了强度考核试验,尚未获得实际工程应用。近年来,随着先进发动机对高温钛合金的迫切需求,600℃高温钛合金、阻燃钛合金、TiAl合金和SiCf/Ti复合材料成为新型高温钛合金的发展重点。
表1我国航空发动机在役和在研的主要高温钛合金
Table1Principalhightemperaturetitaniumalloysinserviceandindevelopingforaero-engineinChina
Note:TB12and TF550are fireproof titanium alloys;TD3is a Ti3Al-based intermetallic.
1.1.600℃高温钛合金
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。
1.2 阻燃钛合金
发动机压气机钛合金零部件承受着高温、高压和高载荷的作用,当叶片与机匣发生摩擦,在较短的时间内引发钛的燃烧,即产生钛火。一旦发生钛火,钛的燃烧是以裂变方式发展的,在短时间内造成叶片烧损、机匣烧穿,甚至整个发动机烧毁。从1962年鹞式飞机所装的飞马发动机压气机工作叶片与机匣摩擦引起钛着火起,国内外军民用发动机发生过一百余起钛火故障,涉及的发动机主要有F100,F404,CF6,PW4000等,严重影响了钛合金在发动机上的安全可靠使用[3] 。据观测,在高压压气机中,钛合金着火后约5~10s即能将机匣烧穿[13] 。从减轻发动机质量考虑,只要工作温度允许,转子叶片都采用钛合金,为了防止钛火,应避免钛合金转子叶片与机匣、转子叶片与静子叶片等的成对使用,在少数采用钛合金机匣的发动机上,在机匣内径与转子叶片相对应的位置上嵌有防火隔层及易磨层,后来改用了合金钢机匣,但增加了结构质量。使用阻燃钛合金是最主要的钛火防控技术途径,为此专门研制了阻燃钛合金用于压气机叶片、机匣等零件。考虑到钛火的巨大危害性,研制新的钛基材料时,要充分重视和评估新合金的阻燃性能。
俄罗斯阻燃钛合金采用Ti-Cu-Al系,美国采用Ti-V-Cr系。由于Ti-Cu-Al系阻燃钛合金的高温力学性能没有达到设计要求而未进入工程化生产阶段。我国在阻燃钛合金领域的研究开展了二十余载,Ti-V-Cr系阻燃钛合金是我国新型钛合金的研究重点和发展方向之一[14] 。以Alloy C(Ti-35V-15Cr)合金的成分为基础,研制了能在500℃长期使用的TB12(Ti-25V-15Cr-0.2Si)和在550℃长期使用的TF550(Ti-35V-15Cr-0.3Si-0.1C)合金[13,15] 。目前已突破铸锭成分均匀性控制、棒材挤压开坯、环锻件轧制和阻燃性能评价等关键技术,并在阻燃机理研究方面取得重要进展[16,17,18] 。
TB12及TF550合金是典型的高合金化β型钛合金,V,Cr元素含量总和高达40%和50%。制备阻燃钛合金工业铸锭要解决成分的精确控制和均匀性,以及微区V,Cr元素偏析问题。通过改进合金元素添加方式、电极结构、布料方式以及优化真空自耗熔炼工艺参数,成功制备了锭型为Ф620mm的TB12合金和TF550合金工业铸锭。
TB12和TF550合金变形抗力大、工艺塑性低,传统的锻造设备和工艺方法不适于阻燃钛合金的变形。我国大型挤压设备的建设与投产为阻燃钛合金工业铸锭的开坯提供了可行的技术途径。利用北方重工360MN挤压机,尝试了阻燃钛合金工业铸锭的包套热挤压开坯,由Ф620mm的铸锭一次挤压成Ф300mm棒材,如图3所示,变形量大,晶粒显著细化,工艺塑性得到明显提高,后续坯料的改锻可直接在快锻机上进行,为机匣用TB12合金环锻件及TF550合金厚板的制备提供坯料。通过轧制和等温模锻,分别获得了尺寸为Ф742mm×Ф604mm×320mm的环锻件及半环锻件,如图4所示。
图3 TB12阻燃钛合金包套挤压棒材
Fig.3 Canned extruded bar of TB12fireproof titanium alloy
图4 阻燃钛合金压气机机匣锻件
Fig.4 Fireproof titanium alloy compressor case forging
(a)TB12合金环锻件;(b)TF550合金半环锻件(a)TB12alloy ring forging;(b)TF550alloy half ring forging
阻燃性能即材料所具有的预防、终止或减慢燃烧的特性,是衡量发动机用钛合金使用安全性的关键性能指标之一。合金元素对Ti-V-Cr阻燃钛合金阻燃性能的影响、机理与评价方法等一直是困扰发动机设计选材和用材的技术难题[17] 。基于摩擦生热原理和着火热理论,提出通过局部摩擦升温与氧分压精确控制来实现块体金属材料点火燃烧的思路,将摩擦接触压力Pfric与预混气流氧浓度c0作为控制参数,发明了摩擦氧浓度法(Friction Oxygen Concentration,FOC)钛合金燃烧试验技术与装置,首次实现了阻燃钛合金的阻燃性能定量表征[19] 。通过设备改造、调试及几百次试验,规范了试验参数、初始试验条件及试样等,使表征参数的控制精度优于0.9%。采用FOC方法测试与评价了TB12及TF550合金的阻燃性能,如图5所示[17] 。结果表明,TF550合金的阻燃性能略优于TB12,二者差异小于5%。
图5 采用摩擦氧浓度法测定TB12和TF550合金阻燃性能[17]
Fig.5 Fireproof property of TB12and TF550alloys by friction oxygen concentration method[17]
