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(dòng)機的服役特點(diǎn)和設計要求,特別是用于高溫環(huán)境的轉動(dòng)部件,需開(kāi)展大量的工程化應用研究,如高溫環(huán)境下蠕變-疲勞-環(huán)境交互作用、阻燃性能,微織構對疲勞性能的影響,表面完整性技術(shù),鍛件和零件內部和表面殘余應力分析及其對使用性能影響,使用壽命預測及失效分析等,解決工程化應用相關(guān)的材料設計、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合金的合金化復雜、合金元素含量高,且塑性低,這類(lèi)合金鑄錠的制備難度大,主要表現在:錠型擴大時(shí)因凝固熱應力易出現開(kāi)裂,成分均勻性控制難度大,容易產(chǎn)生偏析。采用傳統的真空自耗電極電弧爐熔煉工藝,應適當增加熔煉次數,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(dòng)機關(guān)鍵轉動(dòng)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備,具備了實(shí)驗室研究、工業(yè)化生產(chǎn)的能力和條件。

大規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(pán)、機匣、整體葉盤(pán)、風(fēng)扇葉片等大型鍛件一般采用大規格棒材,對于小型的壓氣機葉片、渦輪葉片鍛件,采用小規格棒材。隨著(zhù)先進(jìn)發(fā)動(dòng)機趨向于采用整體葉盤(pán)、整體葉環(huán)的結構形式,相應鍛件和棒材的規格尺寸加大,控制大規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備,優(yōu)化設計鍛造工藝。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、容易出現鍛造開(kāi)裂,鑄錠宜采用高溫擠壓開(kāi)坯工藝制備大規格棒材,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)效率和批次穩定性。

鈦合金的顯微組織和晶體學(xué)織構是影響力學(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據分散性。對于這些新型高溫鈦合金,特別是TiAl合金,因有序結構的引入,使得織構問(wèn)題更為復雜和重要,對高低周疲勞性能和保載疲勞性能的影響也更為復雜。在棒材和鍛件制備時(shí)要嚴格控制組織和織構。

整體葉盤(pán)和整體葉環(huán)零件機械加工技術(shù)

由于先進(jìn)發(fā)動(dòng)機性能水平的不斷提高,整體葉盤(pán)、整體葉環(huán)等已成為發(fā)展趨勢。整體葉盤(pán)葉片的結構復雜、通道開(kāi)敞性差、葉片薄、彎扭大、剛性差、易變形,設計時(shí)對其幾何精度水平、綜合質(zhì)量水平要求越來(lái)越高,機械加工和表面完整性的保證變得越來(lái)越困難[30] 。對于葉片尺寸較小的壓氣機整體葉盤(pán)和整體葉環(huán),葉型一般采用高速數控銑削方法加工,控制零件加工變形,采用振動(dòng)光飾去應力技術(shù)以改善零件表面殘余應力分布,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達到0.2μm的水平,提高零件的表面質(zhì)量和表面完整性。應采用電化學(xué)方法來(lái)加工TiAl合金葉片的型面。

材料性能評價(jià)及應用設計技術(shù)

上述4類(lèi)材料還處于工程化研究和試用階段,積累的性能數據不充分,影響了材料和部件的設計選材和強度計算。與普通鈦合金相比,這4類(lèi)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,裂紋尖端的應力通過(guò)局部塑性變形而下降的能力較差。特別是TiAl合金,具有相當低的室溫拉伸塑性和抗疲勞裂紋擴展性能,但在接近700℃時(shí)會(huì )顯著(zhù)改善[31] ,而且初始蠕變變形速率大。根據這類(lèi)材料的特點(diǎn),設計并制定科學(xué)合理的技術(shù)指標,發(fā)揮熱強性的同時(shí),應保證有足夠的塑性,充分重視制件的斷裂性能。發(fā)動(dòng)機設計選材和強度計算時(shí),需要建立完整的材料設計性能數據庫。對于低塑性的TiAl合金,應根據材料的特性,確定合理的部件設計和定壽方法,以及成本合算的供應鏈[32] 。合理控制TiAl合金制件結構的設計應力水平,避免出現明顯的應力集中,提高表面完整性[31] ?？茖W(xué)評價(jià)這些鈦合金的阻燃性能也至關(guān)重要。此外,無(wú)論整體葉盤(pán)還是整體葉環(huán),在高溫下使用時(shí),同一個(gè)零件上存在溫度梯度,一部分材料會(huì )約束另一部分材料的變形,在溫度梯度的作用下會(huì )引起熱應力,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(shí)際上鈦合金材料不存在高周疲勞極限。美國的發(fā)動(dòng)機結構完整性項目(Engine Structural Integrity Program,ENSIP)1999版和2004版均要求鈦合金發(fā)動(dòng)機零部件的高周疲勞壽命最低應達到109周次[33] 。隨著(zhù)作用應力的下降,疲勞裂紋萌生位置由表面傾向于在內部發(fā)生[34] 。對于600℃高溫鈦合金整體葉盤(pán)、鈦基復合材料整體葉環(huán)以及TiAl合金葉片,因葉片的疲勞性能對振動(dòng)應力非常敏感,應充分研究其超高周疲勞行為及性能。合理選用適當的表面強化手段,如激光沖擊強化和低塑性?huà)伖獾?以提高葉片的超高周疲勞性能,防止葉片失效引起內物損傷和災難性失效。