影响航空用高温钛板 钛合金性能的因素
文字来源：深圳市恒溢钛业有限公司人气：1664发布时间：2018-07-07【小中大】
钛及钛合金是极其重要的轻质结构材料，以其优异的物理机械性能，如耐热性高、比强度高、抗蚀性好等，广泛地应用在在航空航天、医疗器械、石油化工和生物医学工程等领域[1]。钛合金被应用在航空领域的驱动力主要有以下几个方面[2-3]：
（1）降低航空设备重量，可替代钢等；
（2）使用温度可在相对较高温度，可替代铝合金等；
（3）良好的耐蚀性能，可替代铝合金部件等；
（4）与聚合物基复合材料有良好的匹配性。对于应用在航空发动机的压气机盘、加力燃烧室筒体、叶片和机匣零部件的服役环境十分恶劣、温度高、压力大，要满足工况条件的要求，这就需要制备这些零部件的材料，需要有良好的性能匹配，如室温及高温性能、高温蠕变强度、疲劳强度、断裂性能和高温热稳定性等。在众多的结构材料中，能满足上述服役条件的材料不多，但高温钛合金是其中一种，且已经应用在航空设备上，如空中客车A320上配置的V2500发动机用钛量占其结构总重量的31%，装备F15战机的F100发动机的钛合金用量为36%。
高温钛合金随高性能航空发动机的发展需求而发展，用量呈不断增长的趋势，尤其是在航空发动机上[4]。在其性能得到搜钛网保障的同时其使用温度从20世纪50年代的以Ti-6Al-4V合金为代表的350℃发展到如今以IMI834合金为代表的600℃，600℃是目前高温钛合金的最高使用温度，600℃下使用的典型的高温钛合金有IMI834、Ti-1100、BT36和Ti-60等，如表1所示为各个国家部分600℃下使用的高温钛合金[5-13]。随使用温度升高，合金的高温蠕变性能和热稳定性都迅速降低，高温强度和热稳定性就成为制约高温钛合金发展的障碍。而钛合金的高温性能受到各个因素的影响，如合金化元素、显微组织、热处理制度和第二相等均对合金的高温性能有一定影响。
2 影响高温钛合金性能的因素
2.1合金化元素
现在正在使用和研究开发的高温钛合金大部分属于近α型钛合金，所主要添加的合金化元素有Al、Sn、Zr、Mo、V、Nb和Si等。与β型钛合金相比，近α型钛合金的高温强度较高，热稳定性较好且具有优良的焊接性能等。此外，杂质元素C，N，H和O以及Nd等稀土元素对高温钛合金的性能也有重要影响。
2.1.1 Al元素
Al为高温钛合金中经常添加的元素，也是最重要的固溶强化元素之一。Al的加入可降低合金密度，提高再结晶温度、强度和（α+β）/β转变点，并改善合金抗氧化性能。Al还能够提高固溶体的原子结合力，增加合金高温强度。由于Al原子以置换方式存在于α相中，Al含量超过其在α相中的溶解极限，容易导致有序α2 （Ti3Al）相析出，引起合金脆化，当含量在6.0～7.0%时合金具有较高热稳定性和良好焊接性[14-15] 。
在高温钛合金中，当Al元素含量或者Al当量超过Al在α相中的固溶度时而形成α2（Ti3Al）相。α2相严重影响钛合金的塑性、强度和韧性[16]。Rosenberg的Al当量公式为，[Al]eq= Al%+（Sn/3）%+（Zr/6）%+10（O+C+2*N）%[17]，当Al当量低于9%时，组织中不会形成脆性α2相，这样合金的热稳定性可以得到保证。经研究证实，析出α2有序相的特征电子浓度为2.12[17]，若合金的电子浓度大于2.12，组织中便开始析出α2相。IMI834、Ti-1100和BT25Y等典型的高温钛合金，都遵循Rosenberg原则，Al当量低于9%。α2相对钛合金的各项性能均有显著影响，细小均匀分布的硬脆α2相可提高合金强度，特别是高温强度。在变形过程中，位错迁移切过α2相粒子时，使得位错大量堆积，造成很大应力集中，极大损害了合金塑性及韧性[18]。
2.1.2 Sn和Zr元素
Sn和Zr均为中性元素，与其他合金元素一同加入到钛合金中，可起补充固溶强化作用。尤其是在高温钛合金中，为保证显微组织中以α相为主，除了添加主要元素Al之外，还需要添加Sn和Zr元素进一步来提高合金的高温强度。同时，Sn和Zr元素的添加对合金塑形的不利影响比添加Al元素时要小，这就使得钛合金具有良好的加工成型性能和焊接性能。
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