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,其技術成熟度較低。針對先進發動機的服役特點和設計要求,特別是用于高溫環境的轉動部件,需開展大量的工程化應用研究,如高溫環境下蠕變-疲勞-環境交互作用、阻燃性能,微織構對疲勞性能的影響,表面完整性技術,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的材料設計、制造加工工藝等關鍵技術。
工業鑄錠成分高純化和均勻化控制技術
TA29,TB12以及TiAl合金的合金化復雜、合金元素含量高,且塑性低,這類合金鑄錠的制備難度大,主要表現在:錠型擴大時因凝固熱應力易出現開裂,成分均勻性控制難度大,容易產生偏析。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,這對于發動機關鍵轉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備,具備了實驗室研究、工業化生產的能力和條件。
大規格棒材和特殊鍛件制備技術
航空鍛件用的鈦合金原材料一般采用棒材,輪盤、機匣、整體葉盤、風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。隨著先進發動機趨向于采用整體葉盤、整體葉環的結構形式,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量至關重要,需要選擇合適的鍛壓設備,優化設計鍛造工藝。對于TB12和TiAl合金的鑄錠,因鑄態金屬的鍛造變形抗力大、工藝塑性低、對變形溫度敏感、容易出現鍛造開裂,鑄錠宜采用高溫擠壓開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效率和批次穩定性。
鈦合金的顯微組織和晶體學織構是影響力學性能的主要因素,原因在于α相的各向異性。控制鍛件顯微組織的形態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要嚴格控制組織和織構。
整體葉盤和整體葉環零件機械加工技術
由于先進發動機性能水平的不斷提高,整體葉盤、整體葉環等已成為發展趨勢。整體葉盤葉片的結構復雜、通道開敞性差、葉片薄、彎扭大、剛性差、易變形,設計時對其幾何精度水平、綜合質量水平要求越來越高,機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整體葉盤和整體葉環,葉型一般采用高速數控銑削方法加工,控制零件加工變形,采用振動光飾去應力技術以改善零件表面殘余應力分布,之后對葉片部分型面進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,提高零件的表面質量和表面完整性。應采用電化學方法來加工TiAl合金葉片的型面。
材料性能評價及應用設計技術
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℃時會顯著改善[31] ,而且初始蠕變變形速率大。根據這類材料的特點,設計并制定科學合理的技術指標,發揮熱強性的同時,應保證有足夠的塑性,充分重視制件的斷裂性能。發動機設計選材和強度計算時,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] 。科學評價這些鈦合金的阻燃性能也至關重要。此外,無論整體葉盤還是整體葉環,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。美國的發動機結構完整性項目(Engine Structural Integrity Program,ENSIP)1999版和2004版均要求鈦合金發動機零部件的高周疲勞壽命最低應達到109周次[33] 。隨著作用應力的下降,疲勞裂紋萌生位置由表面傾向于在內部發生[34] 。對于600℃高溫鈦合金整體葉盤、鈦基復合材料整體葉環以及TiAl合金葉片,因葉片的疲勞性能對振動應力非常敏感,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物損傷和災難性失效。
