600℃高溫鈦合金(jin)、阻(zu)燃鈦合(he)金(jin)、TiAl合(he)金(jin)、SiCf/Ti復合(he)材(cai)料是(shi)新型的(de)(de)(de)高性(xing)(xing)能(neng)高溫(wen)鈦合(he)金(jin),與(yu)普通鈦合(he)金(jin)材(cai)料相比,其技(ji)術成熟(shu)度較低。針對(dui)先(xian)進發動機的(de)(de)(de)服役特點和設計要求,特別是(shi)用于(yu)高溫(wen)環(huan)境的(de)(de)(de)轉(zhuan)動部(bu)件(jian)(jian),需開展大量的(de)(de)(de)工程化(hua)應(ying)(ying)用研究,如高溫(wen)環(huan)境下(xia)蠕變-疲勞(lao)-環(huan)境交互作用、阻(zu)燃性(xing)(xing)能(neng),微織構對(dui)疲勞(lao)性(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)(de)影(ying)響,表面完整性(xing)(xing)技(ji)術,鍛(duan)件(jian)(jian)和零件(jian)(jian)內部(bu)和表面殘余應(ying)(ying)力分(fen)析(xi)(xi)及其對(dui)使(shi)(shi)用性(xing)(xing)能(neng)影(ying)響,使(shi)(shi)用壽命預測及失效分(fen)析(xi)(xi)等,解決工程化(hua)應(ying)(ying)用相關的(de)(de)(de)材(cai)料設計、制造(zao)加工工藝等關鍵技(ji)術。

工業鑄錠成分高純化(hua)和均(jun)勻化(hua)控(kong)制(zhi)技術

TA29,TB12以(yi)及TiAl合金的(de)(de)合金化(hua)復雜(za)、合金元素含(han)量高,且塑性(xing)低,這類合金鑄錠的(de)(de)制(zhi)備難(nan)(nan)度大(da),主要表(biao)現在:錠型擴大(da)時因凝固熱(re)應力易出現開(kai)裂,成(cheng)(cheng)分均(jun)勻性(xing)控(kong)制(zhi)難(nan)(nan)度大(da),容(rong)易產生(sheng)(sheng)偏析(xi)。采用(yong)(yong)傳統(tong)的(de)(de)真空自耗電極(ji)電弧爐熔(rong)(rong)(rong)煉(lian)(lian)(lian)工藝(yi),應適當增(zeng)加熔(rong)(rong)(rong)煉(lian)(lian)(lian)次數,并控(kong)制(zhi)熔(rong)(rong)(rong)煉(lian)(lian)(lian)電流、提(ti)縮(suo)電流、錠型尺寸、坩堝(guo)冷卻(que)方(fang)式等(deng)。對于TiAl合金,可以(yi)采用(yong)(yong)等(deng)離子體(ti)冷爐床(chuang)熔(rong)(rong)(rong)煉(lian)(lian)(lian)工藝(yi)生(sheng)(sheng)產鑄錠。采用(yong)(yong)冷爐床(chuang)熔(rong)(rong)(rong)煉(lian)(lian)(lian)工藝(yi)可以(yi)有效去除夾雜(za)和(he)改善成(cheng)(cheng)分偏析(xi),這對于發動(dong)機關鍵轉動(dong)件(jian)用(yong)(yong)的(de)(de)鈦(tai)合金材料(liao)顯得(de)尤為重要。我國已擁有多臺等(deng)離子體(ti)冷爐床(chuang)熔(rong)(rong)(rong)煉(lian)(lian)(lian)設(she)備,具備了實驗室研究(jiu)、工業化(hua)生(sheng)(sheng)產的(de)(de)能力和(he)條件(jian)。

大規格棒材和特(te)殊(shu)鍛件制備技術

航空鍛(duan)件(jian)用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)鈦合金(jin)原(yuan)材(cai)(cai)料一般(ban)采用(yong)(yong)(yong)棒(bang)材(cai)(cai),輪盤、機(ji)匣、整體葉(xie)(xie)盤、風扇葉(xie)(xie)片等大(da)型鍛(duan)件(jian)一般(ban)采用(yong)(yong)(yong)大(da)規(gui)格(ge)棒(bang)材(cai)(cai),對于(yu)小(xiao)型的(de)(de)壓氣機(ji)葉(xie)(xie)片、渦輪葉(xie)(xie)片鍛(duan)件(jian),采用(yong)(yong)(yong)小(xiao)規(gui)格(ge)棒(bang)材(cai)(cai)。隨著先進發動(dong)機(ji)趨向于(yu)采用(yong)(yong)(yong)整體葉(xie)(xie)盤、整體葉(xie)(xie)環的(de)(de)結(jie)構形式,相應鍛(duan)件(jian)和(he)棒(bang)材(cai)(cai)的(de)(de)規(gui)格(ge)尺寸加大(da),控制大(da)規(gui)格(ge)棒(bang)材(cai)(cai)的(de)(de)組織均勻性(xing)對于(yu)保證鍛(duan)件(jian)的(de)(de)質量(liang)至關重要,需要選擇合適的(de)(de)鍛(duan)壓設備,優化設計鍛(duan)造工(gong)藝。對于(yu)TB12和(he)TiAl合金(jin)的(de)(de)鑄錠(ding),因鑄態金(jin)屬的(de)(de)鍛(duan)造變形抗力大(da)、工(gong)藝塑性(xing)低(di)、對變形溫度敏感、容易出現鍛(duan)造開裂,鑄錠(ding)宜(yi)采用(yong)(yong)(yong)高(gao)(gao)溫擠(ji)壓開坯工(gong)藝制備大(da)規(gui)格(ge)棒(bang)材(cai)(cai),不僅可(ke)以(yi)(yi)提高(gao)(gao)變形的(de)(de)均勻性(xing)、保證有足夠的(de)(de)變形量(liang),還可(ke)以(yi)(yi)提高(gao)(gao)棒(bang)材(cai)(cai)的(de)(de)生產效(xiao)率和(he)批(pi)次穩定性(xing)。

鈦合(he)金的(de)(de)顯微組(zu)(zu)織(zhi)和(he)晶體學織(zhi)構是影響力學性(xing)(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)主(zhu)要因(yin)(yin)素,原因(yin)(yin)在(zai)于α相的(de)(de)各向異性(xing)(xing)。控(kong)制(zhi)(zhi)鍛件(jian)顯微組(zu)(zu)織(zhi)的(de)(de)形態以(yi)及顯微組(zu)(zu)織(zhi)和(he)織(zhi)構的(de)(de)均(jun)勻(yun)性(xing)(xing),不僅可(ke)以(yi)改善平均(jun)的(de)(de)性(xing)(xing)能(neng)(neng)水平,還可(ke)以(yi)提高零(ling)部件(jian)的(de)(de)蠕變-疲(pi)勞(lao)交互作用性(xing)(xing)能(neng)(neng),即保(bao)載(zai)疲(pi)勞(lao)性(xing)(xing)能(neng)(neng),減小不同批次部件(jian)的(de)(de)性(xing)(xing)能(neng)(neng)數據分散性(xing)(xing)。對(dui)于這些新型高溫(wen)鈦合(he)金,特別是TiAl合(he)金,因(yin)(yin)有序結構的(de)(de)引入,使得織(zhi)構問題更為(wei)復雜(za)(za)和(he)重要,對(dui)高低周疲(pi)勞(lao)性(xing)(xing)能(neng)(neng)和(he)保(bao)載(zai)疲(pi)勞(lao)性(xing)(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)影響也(ye)更為(wei)復雜(za)(za)。在(zai)棒材和(he)鍛件(jian)制(zhi)(zhi)備時要嚴格控(kong)制(zhi)(zhi)組(zu)(zu)織(zhi)和(he)織(zhi)構。

整體葉(xie)盤和(he)整體葉(xie)環零件(jian)機(ji)械加(jia)工技(ji)術

由(you)于(yu)先進(jin)(jin)發動機性能水(shui)(shui)平的(de)不斷提高(gao),整體(ti)葉(xie)(xie)盤、整體(ti)葉(xie)(xie)環等已成為發展(zhan)趨勢。整體(ti)葉(xie)(xie)盤葉(xie)(xie)片(pian)的(de)結構復雜、通道開(kai)敞性差(cha)(cha)、葉(xie)(xie)片(pian)薄(bo)、彎扭大(da)、剛性差(cha)(cha)、易變形,設計(ji)時(shi)對(dui)其幾(ji)何精度水(shui)(shui)平、綜合質(zhi)量水(shui)(shui)平要求越來(lai)越高(gao),機械加工(gong)和(he)表面(mian)(mian)(mian)完(wan)整性的(de)保證變得越來(lai)越困難(nan)[30] 。對(dui)于(yu)葉(xie)(xie)片(pian)尺寸(cun)較小的(de)壓氣機整體(ti)葉(xie)(xie)盤和(he)整體(ti)葉(xie)(xie)環,葉(xie)(xie)型(xing)(xing)一般采用(yong)高(gao)速數(shu)控(kong)銑(xian)削方法加工(gong),控(kong)制(zhi)零件加工(gong)變形,采用(yong)振動光飾去應力(li)技術以改善零件表面(mian)(mian)(mian)殘余應力(li)分布,之后(hou)對(dui)葉(xie)(xie)片(pian)部(bu)分型(xing)(xing)面(mian)(mian)(mian)進(jin)(jin)行修磨和(he)磨粒流拋光,葉(xie)(xie)型(xing)(xing)尺寸(cun)精度高(gao),葉(xie)(xie)型(xing)(xing)誤差(cha)(cha)小于(yu)0.1mm,葉(xie)(xie)片(pian)表面(mian)(mian)(mian)粗(cu)糙度Ra達到(dao)0.2μm的(de)水(shui)(shui)平,提高(gao)零件的(de)表面(mian)(mian)(mian)質(zhi)量和(he)表面(mian)(mian)(mian)完(wan)整性。應采用(yong)電化學方法來(lai)加工(gong)TiAl合金(jin)葉(xie)(xie)片(pian)的(de)型(xing)(xing)面(mian)(mian)(mian)。

材料性能評(ping)價(jia)及應用設計技術

上述4類材(cai)(cai)(cai)(cai)料還處于(yu)工程(cheng)化研究和(he)(he)(he)試用(yong)階段,積累(lei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)能(neng)數據(ju)(ju)不(bu)充分(fen),影響了(le)材(cai)(cai)(cai)(cai)料和(he)(he)(he)部(bu)(bu)(bu)件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)設(she)(she)(she)計選材(cai)(cai)(cai)(cai)和(he)(he)(he)強度計算。與(yu)普通鈦(tai)合(he)金相比,這(zhe)(zhe)4類高(gao)溫(wen)鈦(tai)合(he)金材(cai)(cai)(cai)(cai)料的(de)(de)(de)(de)(de)(de)塑(su)(su)性(xing)、斷裂(lie)韌(ren)度、沖擊韌(ren)度均(jun)更低,缺(que)口(kou)敏感性(xing)大,裂(lie)紋尖端的(de)(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)力(li)通過(guo)局(ju)部(bu)(bu)(bu)塑(su)(su)性(xing)變形而下(xia)降的(de)(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)力(li)較差。特(te)別是TiAl合(he)金,具(ju)有相當低的(de)(de)(de)(de)(de)(de)室溫(wen)拉伸(shen)塑(su)(su)性(xing)和(he)(he)(he)抗疲(pi)(pi)勞裂(lie)紋擴(kuo)展(zhan)性(xing)能(neng),但在(zai)接(jie)近700℃時(shi)會顯著(zhu)改善[31] ,而且初(chu)始蠕變變形速率大。根(gen)據(ju)(ju)這(zhe)(zhe)類材(cai)(cai)(cai)(cai)料的(de)(de)(de)(de)(de)(de)特(te)點,設(she)(she)(she)計并制(zhi)(zhi)定(ding)科學合(he)理(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)技術(shu)指標,發揮熱(re)強性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)同時(shi),應(ying)(ying)保證有足夠的(de)(de)(de)(de)(de)(de)塑(su)(su)性(xing),充分(fen)重視(shi)制(zhi)(zhi)件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)斷裂(lie)性(xing)能(neng)。發動機設(she)(she)(she)計選材(cai)(cai)(cai)(cai)和(he)(he)(he)強度計算時(shi),需要建立(li)完整(zheng)(zheng)(zheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)材(cai)(cai)(cai)(cai)料設(she)(she)(she)計性(xing)能(neng)數據(ju)(ju)庫。對(dui)于(yu)低塑(su)(su)性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)TiAl合(he)金,應(ying)(ying)根(gen)據(ju)(ju)材(cai)(cai)(cai)(cai)料的(de)(de)(de)(de)(de)(de)特(te)性(xing),確定(ding)合(he)理(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)部(bu)(bu)(bu)件(jian)設(she)(she)(she)計和(he)(he)(he)定(ding)壽方法,以及成本合(he)算的(de)(de)(de)(de)(de)(de)供應(ying)(ying)鏈(lian)[32] 。合(he)理(li)控制(zhi)(zhi)TiAl合(he)金制(zhi)(zhi)件(jian)結構的(de)(de)(de)(de)(de)(de)設(she)(she)(she)計應(ying)(ying)力(li)水平,避免出現明顯的(de)(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)力(li)集中,提高(gao)表(biao)面完整(zheng)(zheng)(zheng)性(xing)[31] 。科學評價這(zhe)(zhe)些(xie)鈦(tai)合(he)金的(de)(de)(de)(de)(de)(de)阻燃性(xing)能(neng)也至關(guan)重要。此外,無論整(zheng)(zheng)(zheng)體(ti)葉盤還是整(zheng)(zheng)(zheng)體(ti)葉環(huan),在(zai)高(gao)溫(wen)下(xia)使(shi)用(yong)時(shi),同一(yi)(yi)個零件(jian)上存(cun)在(zai)溫(wen)度梯(ti)度,一(yi)(yi)部(bu)(bu)(bu)分(fen)材(cai)(cai)(cai)(cai)料會約束另一(yi)(yi)部(bu)(bu)(bu)分(fen)材(cai)(cai)(cai)(cai)料的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變形,在(zai)溫(wen)度梯(ti)度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)作用(yong)下(xia)會引起熱(re)應(ying)(ying)力(li),影響部(bu)(bu)(bu)件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)疲(pi)(pi)勞性(xing)能(neng)和(he)(he)(he)使(shi)用(yong)可靠性(xing)。

超高(gao)周(zhou)疲勞性能研究

實際上鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)材料(liao)不存在高周疲(pi)(pi)勞(lao)極(ji)限。美國的(de)發(fa)動機(ji)(ji)結構完整性(xing)(xing)項(xiang)目(Engine Structural Integrity Program,ENSIP)1999版和2004版均要求鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)發(fa)動機(ji)(ji)零部件的(de)高周疲(pi)(pi)勞(lao)壽命最低應達到109周次[33] 。隨著作用應力的(de)下(xia)降,疲(pi)(pi)勞(lao)裂紋萌生位置由表面傾向于在內部發(fa)生[34] 。對于600℃高溫(wen)鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)整體葉(xie)(xie)(xie)盤(pan)、鈦(tai)(tai)基復合(he)(he)材料(liao)整體葉(xie)(xie)(xie)環以(yi)及(ji)TiAl合(he)(he)金(jin)葉(xie)(xie)(xie)片,因葉(xie)(xie)(xie)片的(de)疲(pi)(pi)勞(lao)性(xing)(xing)能(neng)對振動應力非常敏(min)感(gan),應充分研究其(qi)超高周疲(pi)(pi)勞(lao)行(xing)為及(ji)性(xing)(xing)能(neng)。合(he)(he)理選(xuan)用適當的(de)表面強(qiang)化手段,如激光沖擊(ji)強(qiang)化和低塑(su)性(xing)(xing)拋光等,以(yi)提(ti)高葉(xie)(xie)(xie)片的(de)超高周疲(pi)(pi)勞(lao)性(xing)(xing)能(neng),防止葉(xie)(xie)(xie)片失(shi)效引起(qi)內物損傷和災難(nan)性(xing)(xing)失(shi)效。