600℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金、TiAl合金、SiCf/Ti復合材料是新型的高性能高溫鈦(tai)合金(jin),與普通鈦合金材料相比,其技(ji)術(shu)成熟(shu)度(du)較(jiao)低。針(zhen)對(dui)先進發(fa)動機的服役特點(dian)和設(she)計要(yao)求,特別是(shi)用(yong)(yong)(yong)于高溫(wen)環(huan)境(jing)的轉動部件(jian),需開展大量(liang)的工程(cheng)化(hua)應(ying)用(yong)(yong)(yong)研(yan)究,如高溫(wen)環(huan)境(jing)下蠕(ru)變(bian)-疲(pi)勞-環(huan)境(jing)交互作用(yong)(yong)(yong)、阻燃性能,微織構對(dui)疲(pi)勞性能的影響,表面(mian)完整性技(ji)術(shu),鍛件(jian)和零件(jian)內部和表面(mian)殘余應(ying)力分析(xi)及其對(dui)使用(yong)(yong)(yong)性能影響,使用(yong)(yong)(yong)壽命預測(ce)及失效分析(xi)等,解決(jue)工程(cheng)化(hua)應(ying)用(yong)(yong)(yong)相關的材料設(she)計、制(zhi)造(zao)加工工藝(yi)等關鍵技(ji)術(shu)。

工(gong)業鑄錠成分(fen)高純化(hua)和均(jun)勻(yun)化(hua)控制(zhi)技術(shu)

TA29,TB12以及TiAl合金(jin)的(de)(de)合金(jin)化(hua)復(fu)雜、合金(jin)元素(su)含(han)量高,且塑性低(di),這(zhe)類合金(jin)鑄(zhu)錠(ding)(ding)的(de)(de)制備(bei)難(nan)度大,主要表(biao)現在(zai):錠(ding)(ding)型(xing)擴(kuo)大時因凝固熱應力(li)易出現開裂,成(cheng)分均(jun)勻性控制難(nan)度大,容易產(chan)生(sheng)偏析(xi)。采用(yong)傳統的(de)(de)真(zhen)空自(zi)耗電(dian)極電(dian)弧爐熔(rong)煉(lian)工藝(yi),應適(shi)當增加熔(rong)煉(lian)次(ci)數,并控制熔(rong)煉(lian)電(dian)流(liu)、提(ti)縮電(dian)流(liu)、錠(ding)(ding)型(xing)尺寸、坩堝冷卻方(fang)式等。對于TiAl合金(jin),可以采用(yong)等離(li)子體(ti)冷爐床(chuang)熔(rong)煉(lian)工藝(yi)生(sheng)產(chan)鑄(zhu)錠(ding)(ding)。采用(yong)冷爐床(chuang)熔(rong)煉(lian)工藝(yi)可以有效去除夾雜和改善成(cheng)分偏析(xi),這(zhe)對于發(fa)動(dong)機關鍵轉動(dong)件用(yong)的(de)(de)鈦合金(jin)材料顯得尤為重要。我國已擁有多(duo)臺等離(li)子體(ti)冷爐床(chuang)熔(rong)煉(lian)設備(bei),具備(bei)了實驗室研究(jiu)、工業化(hua)生(sheng)產(chan)的(de)(de)能力(li)和條(tiao)件。

大(da)規格棒材和特殊(shu)鍛件制備(bei)技術

航空鍛(duan)(duan)(duan)(duan)件用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鈦(tai)合(he)金原材料一(yi)般采用(yong)(yong)棒(bang)(bang)材,輪盤、機(ji)匣(xia)、整體葉(xie)盤、風扇葉(xie)片(pian)等大型(xing)(xing)鍛(duan)(duan)(duan)(duan)件一(yi)般采用(yong)(yong)大規格(ge)(ge)(ge)棒(bang)(bang)材,對于(yu)小型(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)壓氣機(ji)葉(xie)片(pian)、渦(wo)輪葉(xie)片(pian)鍛(duan)(duan)(duan)(duan)件,采用(yong)(yong)小規格(ge)(ge)(ge)棒(bang)(bang)材。隨著(zhu)先進發動(dong)機(ji)趨向于(yu)采用(yong)(yong)整體葉(xie)盤、整體葉(xie)環的(de)(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)構(gou)形式,相應(ying)鍛(duan)(duan)(duan)(duan)件和棒(bang)(bang)材的(de)(de)(de)(de)(de)(de)規格(ge)(ge)(ge)尺寸加(jia)大,控(kong)制(zhi)大規格(ge)(ge)(ge)棒(bang)(bang)材的(de)(de)(de)(de)(de)(de)組織均(jun)勻性(xing)對于(yu)保證鍛(duan)(duan)(duan)(duan)件的(de)(de)(de)(de)(de)(de)質量至關重要,需要選(xuan)擇(ze)合(he)適的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鍛(duan)(duan)(duan)(duan)壓設(she)備,優化設(she)計鍛(duan)(duan)(duan)(duan)造工(gong)藝。對于(yu)TB12和TiAl合(he)金的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鑄(zhu)錠(ding),因鑄(zhu)態金屬的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鍛(duan)(duan)(duan)(duan)造變形抗力(li)大、工(gong)藝塑性(xing)低(di)、對變形溫度敏感、容(rong)易(yi)出現鍛(duan)(duan)(duan)(duan)造開裂,鑄(zhu)錠(ding)宜采用(yong)(yong)高(gao)(gao)溫擠壓開坯工(gong)藝制(zhi)備大規格(ge)(ge)(ge)棒(bang)(bang)材,不僅可(ke)以(yi)提(ti)高(gao)(gao)變形的(de)(de)(de)(de)(de)(de)均(jun)勻性(xing)、保證有足(zu)夠(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變形量,還可(ke)以(yi)提(ti)高(gao)(gao)棒(bang)(bang)材的(de)(de)(de)(de)(de)(de)生產(chan)效率和批次穩定性(xing)。

鈦合金的(de)(de)顯(xian)微(wei)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)和晶體學(xue)織(zhi)(zhi)構是影(ying)響力學(xue)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)主要因(yin)素,原因(yin)在于α相的(de)(de)各向異性(xing)(xing)(xing)。控制鍛件顯(xian)微(wei)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)的(de)(de)形態以(yi)及顯(xian)微(wei)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)和織(zhi)(zhi)構的(de)(de)均勻性(xing)(xing)(xing),不(bu)僅可以(yi)改善平均的(de)(de)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)水平,還可以(yi)提(ti)高(gao)零部件的(de)(de)蠕(ru)變-疲(pi)勞交互(hu)作(zuo)用(yong)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng),即保(bao)載(zai)疲(pi)勞性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng),減小(xiao)不(bu)同批次(ci)部件的(de)(de)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)數據(ju)分散性(xing)(xing)(xing)。對(dui)于這些新型(xing)高(gao)溫鈦合金,特別是TiAl合金,因(yin)有(you)序結構的(de)(de)引(yin)入,使(shi)得織(zhi)(zhi)構問題更為復(fu)雜和重要,對(dui)高(gao)低周疲(pi)勞性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)和保(bao)載(zai)疲(pi)勞性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)影(ying)響也更為復(fu)雜。在棒材和鍛件制備時(shi)要嚴(yan)格(ge)控制組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)和織(zhi)(zhi)構。

整體葉(xie)盤和整體葉(xie)環零件機械加工技術

由于(yu)先進發動(dong)機(ji)性能水平(ping)的(de)(de)不斷提高,整體(ti)葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)盤、整體(ti)葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)環等(deng)已成(cheng)為發展趨勢(shi)。整體(ti)葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)盤葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)的(de)(de)結構復雜、通道(dao)開敞性差、葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)薄(bo)、彎扭大、剛性差、易變形(xing),設計時對其幾何(he)精(jing)度水平(ping)、綜合質量(liang)水平(ping)要(yao)求越(yue)來越(yue)高,機(ji)械(xie)加(jia)工(gong)和表(biao)面(mian)(mian)完(wan)整性的(de)(de)保證變得越(yue)來越(yue)困難[30] 。對于(yu)葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)尺寸較小的(de)(de)壓氣(qi)機(ji)整體(ti)葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)盤和整體(ti)葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)環,葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)型一(yi)般采(cai)用高速數控銑削方(fang)法(fa)加(jia)工(gong),控制零件加(jia)工(gong)變形(xing),采(cai)用振(zhen)動(dong)光(guang)飾去應力技術以改善零件表(biao)面(mian)(mian)殘余(yu)應力分布,之后(hou)對葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)部(bu)分型面(mian)(mian)進行修磨和磨粒流拋光(guang),葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)型尺寸精(jing)度高,葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)型誤差小于(yu)0.1mm,葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)表(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)度Ra達到(dao)0.2μm的(de)(de)水平(ping),提高零件的(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)質量(liang)和表(biao)面(mian)(mian)完(wan)整性。應采(cai)用電化學方(fang)法(fa)來加(jia)工(gong)TiAl合金葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)的(de)(de)型面(mian)(mian)。

材料性能評價(jia)及應用設計技(ji)術

上述4類(lei)材(cai)料(liao)(liao)(liao)還(huan)處于工程(cheng)化(hua)研究和(he)試用階(jie)段(duan),積累的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)(xing)能數據不充分(fen)(fen),影響了(le)材(cai)料(liao)(liao)(liao)和(he)部(bu)件的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)設(she)(she)計(ji)(ji)(ji)選(xuan)材(cai)和(he)強度(du)計(ji)(ji)(ji)算(suan)。與普(pu)通(tong)鈦合金(jin)相(xiang)比,這4類(lei)高溫(wen)鈦合金(jin)材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)塑(su)(su)性(xing)(xing)、斷裂韌度(du)、沖擊韌度(du)均(jun)更低(di),缺口(kou)敏感(gan)性(xing)(xing)大,裂紋尖端的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)應力通(tong)過(guo)局部(bu)塑(su)(su)性(xing)(xing)變形而下降的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)能力較差。特別(bie)是(shi)TiAl合金(jin),具有相(xiang)當低(di)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)室溫(wen)拉伸塑(su)(su)性(xing)(xing)和(he)抗疲勞裂紋擴展性(xing)(xing)能,但在(zai)接近700℃時(shi)(shi)會顯著改善[31] ,而且初始蠕變變形速率大。根據這類(lei)材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)特點,設(she)(she)計(ji)(ji)(ji)并制(zhi)定科(ke)學合理(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)技術指標,發揮熱(re)強性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)同(tong)時(shi)(shi),應保證有足夠的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)塑(su)(su)性(xing)(xing),充分(fen)(fen)重(zhong)視制(zhi)件的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)斷裂性(xing)(xing)能。發動機設(she)(she)計(ji)(ji)(ji)選(xuan)材(cai)和(he)強度(du)計(ji)(ji)(ji)算(suan)時(shi)(shi),需要(yao)建(jian)立完整的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)材(cai)料(liao)(liao)(liao)設(she)(she)計(ji)(ji)(ji)性(xing)(xing)能數據庫。對于低(di)塑(su)(su)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)TiAl合金(jin),應根據材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)特性(xing)(xing),確定合理(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)部(bu)件設(she)(she)計(ji)(ji)(ji)和(he)定壽方(fang)法(fa),以及成(cheng)本合算(suan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)供應鏈[32] 。合理(li)(li)控制(zhi)TiAl合金(jin)制(zhi)件結構的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)設(she)(she)計(ji)(ji)(ji)應力水平,避免出現明顯的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)應力集中,提高表(biao)面(mian)完整性(xing)(xing)[31] 。科(ke)學評價這些鈦合金(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)阻(zu)燃性(xing)(xing)能也至關重(zhong)要(yao)。此外,無論整體葉盤(pan)還(huan)是(shi)整體葉環(huan),在(zai)高溫(wen)下使用時(shi)(shi),同(tong)一(yi)個零件上存在(zai)溫(wen)度(du)梯度(du),一(yi)部(bu)分(fen)(fen)材(cai)料(liao)(liao)(liao)會約束另一(yi)部(bu)分(fen)(fen)材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)變形,在(zai)溫(wen)度(du)梯度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)用下會引起熱(re)應力,影響部(bu)件的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)疲勞性(xing)(xing)能和(he)使用可靠性(xing)(xing)。

超高周疲勞(lao)性能(neng)研究

實際上鈦合(he)(he)金材料不存在高周(zhou)(zhou)疲(pi)(pi)勞(lao)極限。美國的發動(dong)(dong)機結構(gou)完(wan)整性(xing)項目(mu)(Engine Structural Integrity Program,ENSIP)1999版和2004版均要求鈦合(he)(he)金發動(dong)(dong)機零部件的高周(zhou)(zhou)疲(pi)(pi)勞(lao)壽命最低應(ying)達到109周(zhou)(zhou)次[33] 。隨著作(zuo)用應(ying)力的下降,疲(pi)(pi)勞(lao)裂紋萌生(sheng)位置(zhi)由(you)表(biao)(biao)面傾(qing)向于(yu)(yu)在內部發生(sheng)[34] 。對于(yu)(yu)600℃高溫鈦合(he)(he)金整體葉(xie)盤、鈦基復合(he)(he)材料整體葉(xie)環以及(ji)TiAl合(he)(he)金葉(xie)片,因葉(xie)片的疲(pi)(pi)勞(lao)性(xing)能(neng)對振動(dong)(dong)應(ying)力非常敏感(gan),應(ying)充分研究其超高周(zhou)(zhou)疲(pi)(pi)勞(lao)行(xing)為及(ji)性(xing)能(neng)。合(he)(he)理選用適當(dang)的表(biao)(biao)面強化手段,如激光沖擊(ji)強化和低塑性(xing)拋光等,以提高葉(xie)片的超高周(zhou)(zhou)疲(pi)(pi)勞(lao)性(xing)能(neng),防止葉(xie)片失(shi)效引起內物(wu)損傷和災難性(xing)失(shi)效。