600℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金、TiAl合金、SiCf/Ti復(fù)合材料是新型的高性能高溫鈦合金,與普通鈦合金材料相比,其技術(shù)成熟度較低。針對先進(jìn)發(fā)動機(jī)的服役特點和設(shè)計要求,特別是用于高溫環(huán)境的轉(zhuǎn)動部件,需開展大量的工程化應(yīng)用研究,如高溫環(huán)境下蠕變-疲勞-環(huán)境交互作用、阻燃性能,微織構(gòu)對疲勞性能的影響,表面完整性技術(shù),鍛件和零件內(nèi)部和表面殘余應(yīng)力分析及其對使用性能影響,使用壽命預(yù)測及失效分析等,解決工程化應(yīng)用相關(guān)的材料設(shè)計、制造加工工藝等關(guān)鍵技術(shù)。

工業(yè)鑄錠成分高純化和均勻化控制技術(shù)

TA29,TB12以及TiAl合金的合金化復(fù)雜、合金元素含量高,且塑性低,這類合金鑄錠的制備難度大,主要表現(xiàn)在:錠型擴(kuò)大時因凝固熱應(yīng)力易出現(xiàn)開裂,成分均勻性控制難度大,容易產(chǎn)生偏析。采用傳統(tǒng)的真空自耗電極電弧爐熔煉工藝,應(yīng)適當(dāng)增加熔煉次數(shù),并控制熔煉電流、提縮電流、錠型尺寸、坩堝冷卻方式等。對于TiAl合金,可以采用等離子體冷爐床熔煉工藝生產(chǎn)鑄錠。采用冷爐床熔煉工藝可以有效去除夾雜和改善成分偏析,這對于發(fā)動機(jī)關(guān)鍵轉(zhuǎn)動件用的鈦合金材料顯得尤為重要。我國已擁有多臺等離子體冷爐床熔煉設(shè)備,具備了實驗室研究、工業(yè)化生產(chǎn)的能力和條件。

大規(guī)格棒材和特殊鍛件制備技術(shù)

航空鍛件用的鈦合金原材料一般采用棒材,輪盤、機(jī)匣、整體葉盤、風(fēng)扇葉片等大型鍛件一般采用大規(guī)格棒材,對于小型的壓氣機(jī)葉片、渦輪葉片鍛件,采用小規(guī)格棒材。隨著先進(jìn)發(fā)動機(jī)趨向于采用整體葉盤、整體葉環(huán)的結(jié)構(gòu)形式,相應(yīng)鍛件和棒材的規(guī)格尺寸加大,控制大規(guī)格棒材的組織均勻性對于保證鍛件的質(zhì)量至關(guān)重要,需要選擇合適的鍛壓設(shè)備,優(yōu)化設(shè)計鍛造工藝。對于TB12和TiAl合金的鑄錠,因鑄態(tài)金屬的鍛造變形抗力大、工藝塑性低、對變形溫度敏感、容易出現(xiàn)鍛造開裂,鑄錠宜采用高溫擠壓開坯工藝制備大規(guī)格棒材,不僅可以提高變形的均勻性、保證有足夠的變形量,還可以提高棒材的生產(chǎn)效率和批次穩(wěn)定性。

鈦合金的顯微組織和晶體學(xué)織構(gòu)是影響力學(xué)性能的主要因素,原因在于α相的各向異性?？刂棋懠@微組織的形態(tài)以及顯微組織和織構(gòu)的均勻性,不僅可以改善平均的性能水平,還可以提高零部件的蠕變-疲勞交互作用性能,即保載疲勞性能,減小不同批次部件的性能數(shù)據(jù)分散性。對于這些新型高溫鈦合金,特別是TiAl合金,因有序結(jié)構(gòu)的引入,使得織構(gòu)問題更為復(fù)雜和重要,對高低周疲勞性能和保載疲勞性能的影響也更為復(fù)雜。在棒材和鍛件制備時要嚴(yán)格控制組織和織構(gòu)。

整體葉盤和整體葉環(huán)零件機(jī)械加工技術(shù)

由于先進(jìn)發(fā)動機(jī)性能水平的不斷提高,整體葉盤、整體葉環(huán)等已成為發(fā)展趨勢。整體葉盤葉片的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通道開敞性差、葉片薄、彎扭大、剛性差、易變形,設(shè)計時對其幾何精度水平、綜合質(zhì)量水平要求越來越高,機(jī)械加工和表面完整性的保證變得越來越困難[30] 。對于葉片尺寸較小的壓氣機(jī)整體葉盤和整體葉環(huán),葉型一般采用高速數(shù)控銑削方法加工,控制零件加工變形,采用振動光飾去應(yīng)力技術(shù)以改善零件表面殘余應(yīng)力分布,之后對葉片部分型面進(jìn)行修磨和磨粒流拋光,葉型尺寸精度高,葉型誤差小于0.1mm,葉片表面粗糙度Ra達(dá)到0.2μm的水平,提高零件的表面質(zhì)量和表面完整性。應(yīng)采用電化學(xué)方法來加工TiAl合金葉片的型面。

材料性能評價及應(yīng)用設(shè)計技術(shù)

上述4類材料還處于工程化研究和試用階段,積累的性能數(shù)據(jù)不充分,影響了材料和部件的設(shè)計選材和強(qiáng)度計算。與普通鈦合金相比,這4類高溫鈦合金材料的塑性、斷裂韌度、沖擊韌度均更低,缺口敏感性大,裂紋尖端的應(yīng)力通過局部塑性變形而下降的能力較差。特別是TiAl合金,具有相當(dāng)?shù)偷氖覝乩焖苄院涂蛊诹鸭y擴(kuò)展性能,但在接近700℃時會顯著改善[31] ,而且初始蠕變變形速率大。根據(jù)這類材料的特點,設(shè)計并制定科學(xué)合理的技術(shù)指標(biāo),發(fā)揮熱強(qiáng)性的同時,應(yīng)保證有足夠的塑性,充分重視制件的斷裂性能。發(fā)動機(jī)設(shè)計選材和強(qiáng)度計算時,需要建立完整的材料設(shè)計性能數(shù)據(jù)庫。對于低塑性的TiAl合金,應(yīng)根據(jù)材料的特性,確定合理的部件設(shè)計和定壽方法,以及成本合算的供應(yīng)鏈[32] 。合理控制TiAl合金制件結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)力水平,避免出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中,提高表面完整性[31] ?？茖W(xué)評價這些鈦合金的阻燃性能也至關(guān)重要。此外,無論整體葉盤還是整體葉環(huán),在高溫下使用時,同一個零件上存在溫度梯度,一部分材料會約束另一部分材料的變形,在溫度梯度的作用下會引起熱應(yīng)力,影響部件的疲勞性能和使用可靠性。

超高周疲勞性能研究

實際上鈦合金材料不存在高周疲勞極限。美國的發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)完整性項目(Engine Structural Integrity Program,ENSIP)1999版和2004版均要求鈦合金發(fā)動機(jī)零部件的高周疲勞壽命最低應(yīng)達(dá)到109周次[33] 。隨著作用應(yīng)力的下降,疲勞裂紋萌生位置由表面傾向于在內(nèi)部發(fā)生[34] 。對于600℃高溫鈦合金整體葉盤、鈦基復(fù)合材料整體葉環(huán)以及TiAl合金葉片,因葉片的疲勞性能對振動應(yīng)力非常敏感,應(yīng)充分研究其超高周疲勞行為及性能。合理選用適當(dāng)?shù)谋砻鎻?qiáng)化手段,如激光沖擊強(qiáng)化和低塑性拋光等,以提高葉片的超高周疲勞性能,防止葉片失效引起內(nèi)物損傷和災(zāi)難性失效。