1.3.TiAl合金
Ti-Al二元系中有三个金属间化合物得到了研究人员的重视,即Ti3Al,TiAl和TiAl3,其中TiAl合金因其熔点高、比强度高、高温蠕变性能好及抗高温氧化能力好等优点,成为最具应用潜力的高温结构材料之一[20,21] 。在700~850℃温度范围内,TiAl合金的比强度显著高于普通钛合金和镍基高温合金等材料[22] 。TiAl合金在航空领域应用的优势主要体现在:(1)TiAl合金比发动机用其他常用结构材料的比刚度高约50%,高刚度对要求低间隙的部件有利,可延长叶片等部件的使用寿命;(2)TiAl合金在700~850℃的比强度显著高于镍基高温合金,设计上可以实现结构减重和减少对相关支撑件的负荷;(3)TiAl合金具有良好的阻燃性能,可用于一些易发生钛火的部件。基于上述优势,TiAl合金被认为是应用于高推重比发动机极具潜力的高温结构材料,新一代发动机革命性的设计理念推动了TiAl合金的发展。
TiAl合金铸件首先在发动机上获得应用,如美国GE公司率先在GEnx发动机低压涡轮上应用了TiAl合金,每级低压涡轮减轻结构质量45.5kg。每架波音787用两台GEnx发动机,每台发动机选用两级TiAl合金涡轮叶片;每架波音747-8用四台GEnx发动机,每台发动机选用一级TiAl合金涡轮叶片,因此,每架波音787或波音747-8均减轻结构质量182kg。TRENT XWB和LEAP发动机最后一级或两级低压涡轮叶片也均选用了TiAl合金。美国PCC公司制造的TiAl铸造涡轮叶片,年产量已达近4万片,用于GEnx发动机。CFM公司生产的TiAl涡轮叶片,用于LEAP发动机,可显著提高发动机性能和节省15%的燃油消耗。
我国在TiAl合金铸造方面开展了大量的研究工作,如北京航空材料研究院采用精铸工艺制备了扩压器、涡流器等零件,其中,扩压器的外径尺寸达到566mm,铸件成型完好,无开裂,为TiAl合金铸件在我国先进发动机上的应用迈出了重要的一步[23] 。中科院金属所也成功研制出了TiAl合金低压涡轮叶片精铸件。
除铸件外,我国在TiAl合金锻件制造方面开展了大量的研究工作[24,25,26,27,28] 。推进TiAl合金锻件的工程化生产和应用必须首先突破TiAl合金工业型铸锭的熔炼及成分均匀化控制技术。因TiAl合金铝含量高,对O,N和H杂质元素含量的控制要求高,加之TiAl合金低的塑性,给铸锭的制备增加了难度。目前,直径小于Ф90mm的小尺寸TiAl合金铸锭制备一般采用真空感应悬浮熔炼方法,而大于Ф90mm的大尺寸TiAl合金铸锭制备一般采用真空自耗电极电弧炉熔炼或等离子体冷炉床熔炼方法。真空自耗电极电 弧炉熔炼由于熔炼时熔池较浅,有利于除气、脱氧,且熔池温度较低,可减少Al元素的挥发,有利于Al含量的精确控制。但是,由于熔体的温度梯度较大,铸锭内应力也大,铸锭易产生裂纹。经过多年的研究,采用真空自耗电极电弧炉熔炼方法成功制备了Ф220mm的TiAl合金铸锭,其内部致密、无裂纹。
TiAl合金铸态组织塑性较低,通过锻造、挤压和轧制等热加工,可以有效细化组织并降低成分偏析程度,提升合金的综合力学性能。采用普通的镦拔工艺无法进行坯料大变形量的改锻,为此北京航空材料研究院尝试采用包套热挤压工艺进行TiAl合金的高温变形,当挤压温度为1200~1300℃时,包套材料可选用304不锈钢;挤压温度大于1300℃时,包套材料可选用Ti-6Al-4V或工业纯钛。采用包套热挤压工艺成功地将Ф220mm锭坯一次挤压成Ф60mm圆棒,挤压比约为10,棒材长度达2.5m,组织均匀细小,如图6(a)所示。为了适应TiAl合金叶片模锻需求,研究了TiAl合金矩形截面棒材的挤压工艺,成功地制备了TiAl合金方棒,如图6(b)所示。
图6 TiAl合金挤压棒
Fig.6 Extruded bars of TiAl alloy
(a)圆棒;(b)方棒(a)round bar;(b)rectangular bar
由于TiAl合金热塑性有限,采用普通模锻工艺无法实现TiAl合金叶片的成形,为此研究了TiAl合金叶片锻件的等温模锻工艺。通过数值模拟和物理模拟的综合应用,对TiAl合金叶片锻件等温模锻过程进行多工步仿真模拟,掌握材料流变规律,分析各种工艺参数的影响,预先实现工艺及模具设计的优化。采用等温模锻工艺成功制备了TiAl合金高压压气机转子叶片锻件,如图7所示。采用电化学方法加工了相应的TiAl合金转子叶片零件,尺寸精度、表面质量等均达到设计要求,如图8所示。
1.4 SiC纤维增强钛基复合材料
连续SiC纤维增强钛基复合材料是由连续钨芯(或碳芯)SiC纤维作为增强体,钛合金或TiAl合金作为基体的复合材料,具有高比强度、低密度、高比刚度、耐高温、抗蠕变以及优异的疲劳性能,适于在600~800℃长时使用,并可在1000℃短时使用,是航空航天领域应用的理想材料。与传统的叶片、盘分离结构相比,在发动机压气机上使用整体叶环,可减重约70%,整体叶环是未来高推重比发动机的标志性部件。SiCf/Ti复合材料具有各向异性,纵向性能远远优于横向性能,比如抗拉强度,纵向高于基体一倍以上,横向只有基体的一半,利用此特点,SiCf/Ti复合材料适于制备受力特征鲜明的构件,如整体叶环、涡轮轴、拉伸杆、活塞杆、蒙皮和弹翼等。
图7 TiAl合金高压压气机转子叶片等温锻件
Fig.7 High pressure compressor rotor blade of TiAl alloy forging through isothermal die forging process
图8 TiAl合金高压压气机转子叶片零件
Fig.8 High pressure compressor rotor blade parts of TiAl alloy
连续SiC纤维作为增强体,其性能和稳定性是影响SiCf/Ti复合材料最终性能的关键因素之一。国际上SiC纤维主要有美国Textron公司的SCS系列和英国DERA公司的Sigma系列,这两家公司分别采用碳芯和钨芯通过直流电阻加热CVD方法制备SiC纤维,抗拉强度大于3600MPa。国内北京航空材料研究院及中科院金属所均制备出抗拉强度大于3800MPa的钨芯SiC纤维,性能稳定。
界面反应涂层是保证复合材料高性能的关键[29] ,合适的涂层可以保护纤维,阻止界面反应,实现载荷传递,使复合材料断口呈现纤维拉拔形态。国内已成熟制备C涂层及TiC涂层,分别适用于增强钛基复合材料和Ti-Al系金属间化合物基复合材料。其中,采用TiC涂层的Ti-Al系金属间化合物基复合材料经1100℃/5h热处理后,TiC涂层依然可以有效保持。先驱丝法制备的钛基复合材料综合力学性能最高,国内针对连续SiC纤维增强钛基复合材料,通过调整合金涂层组织、应力状态等,制备了厚度为20~50μm涂层的先驱丝,用于后续复合材料及构件的制备。
钛基复合材料通过热等静压或者真空热压成型,成型过程需要考虑界面反应、先驱丝钛合金致密化以及复合材料与包套扩散连接三大关键技术。复合材料的力学性能与纤维性能、涂层结构、先驱丝质量、纤维排布、成型工艺、加工质量均密切相关,需要精细控制。
国外在SiCf/Ti复合材料研发及应用方面取得了较大进展,如美国Textron公司采用Ti-1100钛合金作为基材制造SiCf/Ti复合材料整体叶环,使用温度可以达到700~800℃,结构质量减轻50%。国内开展了钛基复合材料环形件、板材、转动轴部件的研制。针对复合材料板材,成型后会发生变形,应力调控成为难点。整体叶环回转体结构成型过程容易发生整体断裂,需要综合考虑结构、缠绕、成型等多方面因素。通过多年的技术攻关,解决了整体叶环制备过程中复合材料断裂的问题,制备了整体叶环试验件,如图9所示。复合材料构件使用还需要开展如下研究工作:(1)材料的稳定性仍需提高;(2)复合材料力学性能数据测试;(3)整体叶环性能表征;(4)失效机理及寿命预测;(5)无损探伤微观尺度的检测;(6)加工过程复合材料与整体叶环同心精确控制;(7)制定设计准则及考核验证。需要在纤维材料、基体材料以及高温抗氧化涂层,批次稳定性,生产效率,工艺标准、材料制件规范等方面加强研究,逐步解决和完善钛基复合材料制备、使用过程中出现的问题。
图9 整体叶环部件及超声波探伤C扫描图
Fig.9 Bling part and its ultrasonic inspection
(a)Ф250mm×70mm叶环;(b)Ф604mm×160mm叶环;(c)Ф604mm×160mm叶环超声波探伤C扫描(a)Ф250mm×70mm bling;(b)Ф604mm×160mm bling;(c)ultrasonic inspection of Ф 604mm×160mm bling
2.先进高温钛合金材料设计、加工、使用关键技术
600℃高温钛合金、阻燃钛合金、TiAl合金、SiCf/Ti复合材料是新型的高性能高温钛合金,与普通钛合金材料相比,其技术成熟度较低。针对先进发动机的服役特点和设计要求,特别是用于高温环境的转动部件,需开展大量的工程化应用研究,如高温环境下蠕变-疲劳-环境交互作用、阻燃性能,微织构对疲劳性能的影响,表面完整性技术,锻件和零件内部和表面残余应力分析及其对使用性能影响,使用寿命预测及失效分析等,解决工程化应用相关的材料设计、制造加工工艺等关键技术。
2.1 工业铸锭成分高纯化和均匀化控制技术
TA29,TB12以及TiAl合金的合金化复杂、合金元素含量高,且塑性低,这类合金铸锭的制备难度大,主要表现在:锭型扩大时因凝固热应力易出现开裂,成分均匀性控制难度大,容易产生偏析。采用传统的真空自耗电极电弧炉熔炼工艺,应适当增加熔炼次数,并控制熔炼电流、提缩电流、锭型尺寸、坩埚冷却方式等。对于TiAl合金,可以采用等离子体冷炉床熔炼工艺生产铸锭。采用冷炉床熔炼工艺可以有效去除夹杂和改善成分偏析,这对于发动机关键转动件用的钛合金材料显得尤为重要。我国已拥有多台等离子体冷炉床熔炼设备,具备了实验室研究、工业化生产的能力和条件。
2.2 大规格棒材和特殊锻件制备技术
航空锻件用的钛合金原材料一般采用棒材,轮盘、机匣、整体叶盘、风扇叶片等大型锻件一般采用大规格棒材,对于小型的压气机叶片、涡轮叶片锻件,采用小规格棒材。随着先进发动机趋向于采用整体叶盘、整体叶环的结构形式,相应锻件和棒材的规格尺寸加大,控制大规格棒材的组织均匀性对于保证锻件的质量至关重要,需要选择合适的锻压设备,优化设计锻造工艺。对于TB12和TiAl合金的铸锭,因铸态金属的锻造变形抗力大、工艺塑性低、对变形温度敏感、容易出现锻造开裂,铸锭宜采用高温挤压开坯工艺制备大规格棒材,不仅可以提高变形的均匀性、保证有足够的变形量,还可以提高棒材的生产效率和批次稳定性。
钛合金的显微组织和晶体学织构是影响力学性能的主要因素,原因在于α相的各向异性。控制锻件显微组织的形态以及显微组织和织构的均匀性,不仅可以改善平均的性能水平,还可以提高零部件的蠕变-疲劳交互作用性能,即保载疲劳性能,减小不同批次部件的性能数据分散性。对于这些新型高温钛合金,特别是TiAl合金,因有序结构的引入,使得织构问题更为复杂和重要,对高低周疲劳性能和保载疲劳性能的影响也更为复杂。在棒材和锻件制备时要严格控制组织和织构。
2.3 整体叶盘和整体叶环零件机械加工技术
由于先进发动机性能水平的不断提高,整体叶盘、整体叶环等已成为发展趋势。整体叶盘叶片的结构复杂、通道开敞性差、叶片薄、弯扭大、刚性差、易变形,设计时对其几何精度水平、综合质量水平要求越来越高,机械加工和表面完整性的保证变得越来越困难[30] 。对于叶片尺寸较小的压气机整体叶盘和整体叶环,叶型一般采用高速数控铣削方法加工,控制零件加工变形,采用振动光饰去应力技术以改善零件表面残余应力分布,之后对叶片部分型面进行修磨和磨粒流抛光,叶型尺寸精度高,叶型误差小于0.1mm,叶片表面粗糙度Ra达到0.2μm的水平,提高零件的表面质量和表面完整性。应采用电化学方法来加工TiAl合金叶片的型面。
2.4 材料性能评价及应用设计技术
上述4类材料还处于工程化研究和试用阶段,积累的性能数据不充分,影响了材料和部件的设计选材和强度计算。与普通钛合金相比,这4类高温钛合金材料的塑性、断裂韧度、冲击韧度均更低,缺口敏感性大,裂纹尖端的应力通过局部塑性变形而下降的能力较差。特别是TiAl合金,具有相当低的室温拉伸塑性和抗疲劳裂纹扩展性能,但在接近700℃时会显著改善[31] ,而且初始蠕变变形速率大。根据这类材料的特点,设计并制定科学合理的技术指标,发挥热强性的同时,应保证有足够的塑性,充分重视制件的断裂性能。发动机设计选材和强度计算时,需要建立完整的材料设计性能数据库。对于低塑性的TiAl合金,应根据材料的特性,确定合理的部件设计和定寿方法,以及成本合算的供应链[32] 。合理控制TiAl合金制件结构的设计应力水平,避免出现明显的应力集中,提高表面完整性[31] 。科学评价这些钛合金的阻燃性能也至关重要。此外,无论整体叶盘还是整体叶环,在高温下使用时,同一个零件上存在温度梯度,一部分材料会约束另一部分材料的变形,在温度梯度的作用下会引起热应力,影响部件的疲劳性能和使用可靠性。
2.5 超高周疲劳性能研究
实际上钛合金材料不存在高周疲劳极限。美国的发动机结构完整性项目(Engine Structural Integrity Program,ENSIP)1999版和2004版均要求钛合金发动机零部件的高周疲劳寿命最低应达到109周次[33] 。随着作用应力的下降,疲劳裂纹萌生位置由表面倾向于在内部发生[34] 。对于600℃高温钛合金整体叶盘、钛基复合材料整体叶环以及TiAl合金叶片,因叶片的疲劳性能对振动应力非常敏感,应充分研究其超高周疲劳行为及性能。合理选用适当的表面强化手段,如激光冲击强化和低塑性抛光等,以提高叶片的超高周疲劳性能,防止叶片失效引起内物损伤和灾难性失效。
3.结束语
一个新材料并不是十全十美的材料,而只是能满足某种特殊用途的材料,材料某些性能的提高常常是牺牲了其他性能获得的。将一种新材料得以实现工程化应用,特别是在发动机上应用是一项巨大的挑战,需要从实验室规模或小试规模逐渐过渡到工业化生产,而且需要关注研究结果的重复再现,以证明材料的性能和工艺的稳定性和可靠性,并考虑成本等经济性因素。
新型高温钛合金材料的特性不同于普通钛合金材料,其制造加工技术难度可能比材料技术本身的难度要大得多,如熔炼、锻造、热处理、机械加工和表面处理等。一个新材料构件的质量、可靠性及成功应用取决于设计、材料、工艺与使用四者之间的有机配合和相互适应。需加强材料和构件主要性能的波动性、平均性能的代表性和标准性的分析。在使用这类新材料时,应谨慎控制零件的应力水平,避免引起局部的高应力集中和结构的不连续性,并采取抗断裂设计措施,在生产和使用维修中采用可靠的检查方法。
钛合金对表面损伤和缺陷具有较强的敏感性,而塑性更低的600℃高温钛合金、阻燃钛合金、TiAl合金、SiCf/Ti复合材料对缺陷的敏感性更突出,基于恶劣环境使用对发动机构件疲劳性能和损伤容限性能的极高要求,应严格控制和检测这类材料及制件内部的冶金缺陷及表面完整性,包括表面的粗糙度、波纹度、表面层的微观组织变化、塑性变形、残余应力等。对于低塑性的TiAl合金及SiCf/Ti复合材料,残余应力是一个不可忽视的因素,对制件加工过程和使用过程产生的变形、尺寸超差、疲劳性能、应力腐蚀开裂等均会产生有害影响。对于叶片类和盘类零件,考虑到低塑性对应力集中敏感的特点,在零部件设计时,应尽量避免设计不当引起的高应力集中,特别是转接圆角R的大小和加工精度。TiAl叶片与镍基高温合金盘之间存在的接触疲劳和微动磨损,以及存在因其低延展性和低屈服强度导致的相对差的抗冲击损坏性能。
随着我国航空强国战略的实施,钛合金行业处于强劲的发展时期。在高性能先进发动机减重、安全服役和节能降耗需求的驱动下,普通钛合金、新型钛基合金材料及应用技术均不断得到发展。随着600℃高温钛合金、阻燃钛合金、TiAl合金和SiCf/Ti复合材料的深入研究,技术成熟度不断提高,将逐渐应用于先进发动机的关键部件,有力推动我国航空发动机技术发展。
