600℃高温钛合金、阻燃钛合金、TiAl合金、SiCf/Ti复合材料是新型的高性能高温钛合金,与普通钛合金材料相比,其技术成熟度较低。针对先进发动机的服役特点和设计要求,特别是用于高温环境的转动部件,需开展大量的工程化应用研究,如高温环境下蠕变-疲劳-环境交互作用、阻燃性能,微织构对疲劳性能的影响,表面完整性技术,锻件和零件内部和表面残余应力分析及其对使用性能影响,使用寿命预测及失效分析等,解决工程化应用相关的材料设计、制造加工工艺等关键技术。

工业铸锭成分高纯化和均匀化控制技术

TA29,TB12以及TiAl合金的合金化复杂、合金元素含量高,且塑性低,这类合金铸锭的制备难度大,主要表现在:锭型扩大时因凝固热应力易出现开裂,成分均匀性控制难度大,容易产生偏析。采用传统的真空自耗电极电弧炉熔炼工艺,应适当增加熔炼次数,并控制熔炼电流、提缩电流、锭型尺寸、坩埚冷却方式等。对于TiAl合金,可以采用等离子体冷炉床熔炼工艺生产铸锭。采用冷炉床熔炼工艺可以有效去除夹杂和改善成分偏析,这对于发动机关键转动件用的钛合金材料显得尤为重要。我国已拥有多台等离子体冷炉床熔炼设备,具备了实验室研究、工业化生产的能力和条件。

大规格棒材和特殊锻件制备技术

航空锻件用的钛合金原材料一般采用棒材,轮盘、机匣、整体叶盘、风扇叶片等大型锻件一般采用大规格棒材,对于小型的压气机叶片、涡轮叶片锻件,采用小规格棒材。随着先进发动机趋向于采用整体叶盘、整体叶环的结构形式,相应锻件和棒材的规格尺寸加大,控制大规格棒材的组织均匀性对于保证锻件的质量至关重要,需要选择合适的锻压设备,优化设计锻造工艺。对于TB12和TiAl合金的铸锭,因铸态金属的锻造变形抗力大、工艺塑性低、对变形温度敏感、容易出现锻造开裂,铸锭宜采用高温挤压开坯工艺制备大规格棒材,不仅可以提高变形的均匀性、保证有足够的变形量,还可以提高棒材的生产效率和批次稳定性。

钛合金的显微组织和晶体学织构是影响力学性能的主要因素,原因在于α相的各向异性。控制锻件显微组织的形态以及显微组织和织构的均匀性,不仅可以改善平均的性能水平,还可以提高零部件的蠕变-疲劳交互作用性能,即保载疲劳性能,减小不同批次部件的性能数据分散性。对于这些新型高温钛合金,特别是TiAl合金,因有序结构的引入,使得织构问题更为复杂和重要,对高低周疲劳性能和保载疲劳性能的影响也更为复杂。在棒材和锻件制备时要严格控制组织和织构。

整体叶盘和整体叶环零件机械加工技术

由于先进发动机性能水平的不断提高,整体叶盘、整体叶环等已成为发展趋势。整体叶盘叶片的结构复杂、通道开敞性差、叶片薄、弯扭大、刚性差、易变形,设计时对其几何精度水平、综合质量水平要求越来越高,机械加工和表面完整性的保证变得越来越困难[30] 。对于叶片尺寸较小的压气机整体叶盘和整体叶环,叶型一般采用高速数控铣削方法加工,控制零件加工变形,采用振动光饰去应力技术以改善零件表面残余应力分布,之后对叶片部分型面进行修磨和磨粒流抛光,叶型尺寸精度高,叶型误差小于0.1mm,叶片表面粗糙度Ra达到0.2μm的水平,提高零件的表面质量和表面完整性。应采用电化学方法来加工TiAl合金叶片的型面。

材料性能评价及应用设计技术

上述4类材料还处于工程化研究和试用阶段,积累的性能数据不充分,影响了材料和部件的设计选材和强度计算。与普通钛合金相比,这4类高温钛合金材料的塑性、断裂韧度、冲击韧度均更低,缺口敏感性大,裂纹尖端的应力通过局部塑性变形而下降的能力较差。特别是TiAl合金,具有相当低的室温拉伸塑性和抗疲劳裂纹扩展性能,但在接近700℃时会显著改善[31] ,而且初始蠕变变形速率大。根据这类材料的特点,设计并制定科学合理的技术指标,发挥热强性的同时,应保证有足够的塑性,充分重视制件的断裂性能。发动机设计选材和强度计算时,需要建立完整的材料设计性能数据库。对于低塑性的TiAl合金,应根据材料的特性,确定合理的部件设计和定寿方法,以及成本合算的供应链[32] 。合理控制TiAl合金制件结构的设计应力水平,避免出现明显的应力集中,提高表面完整性[31] 。科学评价这些钛合金的阻燃性能也至关重要。此外,无论整体叶盘还是整体叶环,在高温下使用时,同一个零件上存在温度梯度,一部分材料会约束另一部分材料的变形,在温度梯度的作用下会引起热应力,影响部件的疲劳性能和使用可靠性。

超高周疲劳性能研究

实际上钛合金材料不存在高周疲劳极限。美国的发动机结构完整性项目(Engine Structural Integrity Program,ENSIP)1999版和2004版均要求钛合金发动机零部件的高周疲劳寿命最低应达到109周次[33] 。随着作用应力的下降,疲劳裂纹萌生位置由表面倾向于在内部发生[34] 。对于600℃高温钛合金整体叶盘、钛基复合材料整体叶环以及TiAl合金叶片,因叶片的疲劳性能对振动应力非常敏感,应充分研究其超高周疲劳行为及性能。合理选用适当的表面强化手段,如激光冲击强化和低塑性抛光等,以提高叶片的超高周疲劳性能,防止叶片失效引起内物损伤和灾难性失效。