航空用TC6鈦合金鍛件的技術要求

高溫鈦合金以其優(yōu)良的熱強性和高比強度，在航空、航天等領域獲得了廣泛的應用。為了滿足設計高性能航空發(fā)動機的需求，蘇聯(lián)在 20 世紀 50 年代 末 期 開 發(fā) 出 BT6 ( 國 內 牌 號 TC4 )、 BT3-1(TC6)、BT8、BT9 ( TC11) 等牌號的鈦合金。為進一步提高高溫鈦合金的性能和工作壽命，20 世 紀 90 年代，俄羅斯在 BT8 鈦合金的基礎上改進研制了 BT8-1 及 BT8M-1 鈦合金。我國在 20 世紀 60 年代對 BT8 鈦合金進行了實驗室仿制。進入 21 世紀，為滿足我國艦船、航空等領域對高溫鈦合金的應用需求，相繼開展了BT8、BT8-1 和 BT8M-1 鈦合金的仿制，研制的TC8、TC8-1和 TC8M-1鈦合金，在燃氣渦輪發(fā)動機和航空發(fā)動機上獲得應用。本文從材料技術角度對 TC8 鈦合金研制和應用的歷史進程進行回顧，重點介紹其研制進展，對該合金研制過程中突破的關鍵技術進行梳理，并與 BT8 鈦合金在不同溫度下的拉伸、持久、蠕變、熱穩(wěn)定等力學性能及其物理性能 (包括熱膨脹系數(shù)、比熱、熱導率和熱擴散率) 進行對比評價，為合金的進一步開發(fā)和選用提供參考。

1 研制進展

1.1 20 世紀 60 年代初—1982 年—實驗室仿制階段我國于 20 世紀 60 年代初期對 BT8 鈦合金進行了實驗室仿制，并列入冶金部頒部標準 (YB)，被命名為 TC8 鈦合金，合金成分與俄羅斯 1958 年的鈦合金成分相同。由于沒有需求牽引，TC8 鈦合金仿制后一直沒有規(guī)模化生產和應用，因此，1982年的國標中沒有列入該合金牌號。該時期 TC8 鈦合金的發(fā)展因缺少基礎研究、工業(yè)規(guī)模生產與應用等多個環(huán)節(jié)而處于停滯狀態(tài)。

1.2 2003 年—2009 年—工業(yè)規(guī)模研制及艦船領域應用階段

“十五”期間，海軍某艦艇用燃氣渦輪發(fā)動機高壓壓氣機動葉片需求 500 ℃環(huán)境工作時間 50000 h的耐熱鈦合金。動葉片不僅在高溫負荷下長期承受循環(huán)應力作用，而且經常開動與停車，要求材料熱穩(wěn)定性、高溫持久性能、抗疲勞性能俱佳。鑒 于TC8 鈦合金的綜合性能能夠滿足燃氣渦輪發(fā)動機的設計要求，確保其長壽命使用，2003 年為了適應我國艦船工業(yè)發(fā)展，滿足制作長壽命某燃氣渦輪發(fā)動機高壓壓氣機八、九級動葉片的需求，受中國船舶重工集團委托，中國科學院金屬研究所和寶雞有色金屬加工廠 (現(xiàn)寶鈦集團) 共同承擔了耐熱鈦合金材料研究任務，制定了相關的技術條件，再次啟動了 TC8 鈦合金的研制工作。通過研究，首先確定了合金成分范圍。按照俄羅斯 OCT190013—81 標準中化學成分的要求，在實驗室熔煉了 12 種不同成分的10 kg 合金鑄錠，鍛造成直徑 Φ15 mm 的棒材，研究了合金成分上下限對其性能的影響。經過檢測和分析，結果表明，當 Al、Mo 含量處于標準要求中限或中限偏上時，該合金綜合性能較好。

在實驗室成分研究基礎上，利用真空自耗電弧爐 (VAＲ) 熔煉了 2 噸級 Φ622 mm 工業(yè)規(guī)模的 TC8鈦合金鑄錠，對合金熔煉工藝進行了研究。通過對原料進行嚴格的復驗、挑選，并對熔煉過程進行嚴格控制，熔煉出成分均勻、冶金質量良好、滿足后續(xù)加工要求的 TC8 鈦合金鑄錠。利用該鑄錠，基于鈦合金加工經驗，結合 TC8 鈦合金的工藝塑性圖，確定了該合金中間坯料的熱加工工藝制度，并對Φ32 和 Φ25 mm 精鍛棒材，以及 Φ20 mm 軋制棒材的鍛造和軋制工藝 (加熱溫度、時間和變形量等)進行了研究，獲得了綜合力學性能較佳的合金棒材，突破了小規(guī)格 TC8 鈦合金棒材熱加工技術。通過研究不同熱處理溫度對棒材室溫拉伸性能的影響，得 到 TC8 鈦合金適宜的熱處理制度為:920 ～ 950 ℃ /1 ～ 4 h，AC + 570 ～ 600 ℃ /1 h，AC。

對研制的 TC8 鈦合金小規(guī)格棒材的化學成分、高低倍組織、硬度、沖擊韌性、室溫和高溫拉伸性能、高溫持久性能、熱穩(wěn)定性、高周疲勞性能等進行分析、測試，結果表明，研制的棒材滿足技術條件和使用要求。先后交付了 3 個批次近 2 t 的棒材，加工、制作成渦輪發(fā)動機葉片，并進行了裝機考核。考核結果表明，研制的 TC8 鈦合金可保證燃氣渦輪發(fā)動機 50000 h 的整體壽命，滿足 500 ℃ 下3500 h 工作的性能穩(wěn)定性、高溫持久能力和長時間疲勞性能要求。

TC8 鈦合金小規(guī)格棒材工業(yè)規(guī)模試制成功，突破了 TC8 鈦合金噸級鑄錠熔煉技術、小規(guī)格棒材鍛造、軋制技術及熱處理技術，實現(xiàn)了替代進口和葉片用棒材的國產化，滿足了燃氣渦輪發(fā)動機的研制需求，為該合金后續(xù)的批量化生產和應用奠定了基礎。該合金也率先在艦船燃氣渦輪發(fā)動機上得到了應用。在 2007 年修訂的國家標準 GB /T 3620. 1—2007中，該合金再次被新增入鈦合金牌號中。

1.3 2009 年—至今—工業(yè)化批量生產及航空領域應用階段

2009 年針對中國航發(fā)成都發(fā)動機有限公司某型飛機發(fā)動機高溫鈦合金材料需求，寶鈦集團有限公司承擔了航空發(fā)動機用 TC8 鈦合金棒材研制，與使用單位共同制定了該合金棒材的技術條件。針對航空發(fā)動機葉片用棒材需求，開展了 TC8 鈦合金 3 噸 級 Φ720 mm 大型鑄錠熔煉工藝研究。與前期研究相比，鑄錠錠型從 Φ622 mm 增大至 Φ720 mm。鑄錠錠型增大，合金元素偏析程度增加，成分均勻性控制難度隨之增大。通過對合金元素的揮發(fā)規(guī)律進行深入研究，調控熔煉工藝參數(shù)，熔煉出成分均勻、冶金質量優(yōu)良的大型鑄錠。航空發(fā)動機除直徑小于Φ36 mm 葉片用棒材外，還有直徑 Φ50 ～ Φ100 mm螺母、安裝座、托架用棒材。在前期小規(guī)格棒材研制基礎上，通過對加熱溫度、加熱時間和變形量等加工工藝參數(shù)進行優(yōu)化，突破了 TC8 鈦合金大規(guī)格棒材鍛造技術，研制出組織、性能滿足技術條件和使用要求的棒材，使其在某型航空發(fā)動機上獲得了初步應用。 2012 年 9 月，針對某航空發(fā)動機對高溫鈦合金材料的迫切需求，由貴發(fā)所召開鈦合金材料研制協(xié)調會，在國外樣機解剖和 TC8 鈦合金研制基礎上，由材料研究、生產和應用單位組成聯(lián)合課題組，開展了 TC8 系列鈦合金 (包括 TC8、TC8-1 和 TC8M-1鈦合金) 研制。金屬所承擔樣機解剖任務， 寶鈦集團承擔新材料研制任務，與使用單位 (中航工業(yè)黎明航空發(fā)動機有限公司和貴州安大航空鍛造有限責任公司分別承擔發(fā)動機葉片和壓氣機盤制作任務) 共同制定了材料的專用技術標準，確定了棒材的規(guī)格。根據高壓壓氣機轉子葉片用鈦合金材料需求，開展了 TC8 鈦合金鑄錠熔煉工藝和棒材加工工藝優(yōu)化研究。

通過深入研究，突破了 TC8 鈦合金棒材工業(yè)化批產技術。自 2012 年至 2018 年，先后熔煉 TC8 鈦合金 Φ720 mm 鑄錠近 20 個，投料量 60 余噸。經統(tǒng)計分析表明，TC8 鈦合金同一鑄錠縱向主元素成分極差為: Al 0. 1%、Mo 0. 1%、Si 0. 02%、O 0. 01% ，而不同鑄錠同一元素的成分極差為: Al 0. 2% 、Mo0. 3% 、Si 0. 05% 、O 0. 04% ，說明 TC8 鈦合金鑄錠的質量一致性和批次穩(wěn)定性較好。

圖 1 為 TC8 鈦合金鑄錠橫截面 13 點成分取樣分析結果。由圖 1 可知，鑄錠橫截面上主元素的成分極差為: Al 0. 1% 、Mo 0. 1% 、Si 0. 01% 。與標準GB /T 3162. 0—2007中 Al、Mo 和 Si 元素的允許偏差 ± 0. 4% 、 ± 0. 3% 和 ± 0. 05% 對比可知，合金的化學成分均勻性較好。通過選擇熔點和密度與鈦相近的中間合金以及采用適當?shù)娜蹮捁に噮?shù)，可保證合金鑄錠的冶金質量。　　利用熔煉的鑄錠，研制出葉片用小規(guī)格棒材和螺母、凸臺等用大規(guī)格棒材，同時對 TC8 鈦合金的熱處理工藝進行了優(yōu)化，結果表明經 920 ℃ /2 h，AC + 580 ℃ /1 h，AC 處理后，可使棒材獲得強度與塑性的**匹配。

中航工業(yè)黎明公司利用寶鈦集團研制的 TC8 鈦合金 Φ24 mm 棒材，加工成高壓壓氣機 4 ～ 7 級轉子葉片。經分析測試表明，葉片性能完全符合技術條件要求。TC8 鈦合金的研制經歷了實驗室仿制—停滯—工業(yè)規(guī)模研制—工業(yè)化批量生產階段。進入 21 世 紀，在航空領域尤其是在航空發(fā)動機需求牽引下，該合金的工程化應用得到快速發(fā)展。經過 10 余年的研制和生產表明，TC8 鈦合金鑄錠化學成分均勻，棒材的質量一致性和批次穩(wěn)定性較好。中航工業(yè)貴發(fā)所的裝機考核和應用驗證表明，TC8 鈦合金完全能夠滿足新型航空發(fā)動機用高溫鈦合金材料要求。

2 性能評價

2.1 力學性能

2.1.1 拉伸性能

TC8 鈦合金和 BT8 鈦合金不同溫度下的典型力學性能如表 1 所示，其中，Ｒm為抗拉強度，Ｒp0. 2為 延伸強度，A 為伸長率，Z 為斷后收縮率。將不同溫度下 TC8 和 BT8 鈦合金的抗拉強度和塑性性能進行對比，分別如圖 2 和圖 3 所示。由圖 2 可知: 當溫度低于 400 ℃ 時，TC8 鈦合金的抗拉強度與 BT8鈦合金的基本相當; 當溫度大于 400 ℃ 時，其抗拉強度高于 BT8 鈦合金。由圖 3 可知，TC8 鈦合金在不同溫度下的塑性性能均優(yōu)于 BT8 鈦合金。

2.1.2 持久強度和蠕變性能

表 2 為 TC8 鈦合金和 BT8 鈦合金的持久強度和蠕變性能。由表 2 可知，TC8 鈦合金的持久強度和蠕變性能與 BT8 鈦合金基本相當，其中，σ100 和 σ500分別代表 100 和 500 h 的持久強度，σ0. 2 /100 和 σ0. 2 /500分別代表 100 和 500 h 的蠕變性能。

2.1.3 熱穩(wěn)定性能　　表 3 為 TC8 和 BT8 鈦合金的熱穩(wěn)定性能。由表3 可知，熱暴露后 TC8 鈦合金的強度與 BT8 鈦合金相當 ，而其塑性性能則優(yōu)于 BT 8 鈦 合 金 。此外 ，TC8 鈦合金熱暴露 500 h 后測得的拉伸性能與熱暴露 100 h 的較為接近，表明該合金是一種耐高溫、長壽命的鈦合金，可在高溫服役條件下長期使用。（此文章來源于航空用鈦合金介紹）