550 ℃用高温钛合金的研发

王 凡，白保良，朱梅生

(1. 兰州空间技术物理研究所，甘肃 兰州 730000)(2. 西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)

550 ℃用高温钛合金的研发

王 凡1，白保良2，朱梅生2

(1. 兰州空间技术物理研究所，甘肃 兰州 730000)(2. 西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)

应高推比航空发动机的需求，英国、美国、俄罗斯、中国等对高温钛合金进行了大量的研究工作。世界各国研发的550 ℃用高温钛合金主要有IMI829、Ti-6242S、BT25、BT25Y、Ti-55、Ti-53311S和Ti-633G合金等。简述了这几种合金的合金化特点，介绍了合金化的各种元素在合金中所起的作用，重点阐述了Si元素对合金蠕变性能的影响；同时回顾了这几种钛合金的研发状况、室高温拉伸性能、应用状况，以及稀土元素对部分高温钛合金组织性能的影响等，并展望了其未来的发展趋势与重点研究方向。

高温钛合金；拉伸性能；稀土元素

0 引 言

钛及钛合金因综合性能优异而成为航空航天等工业的关键材料[1]。受高推重比航空发动机长期发展的推动，高温钛合金的研究一直是钛合金研究领域的热点，英国、美国、俄罗斯和中国等国家都进行了大量的研究工作，并开发出各自的高温钛合金体系[2]。这些高温钛合金的使用温度从以Ti-6A1-4V合金[3-4]为代表的300～350 ℃逐步提高到以IMI834钛合金为代表的600 ℃[5-6]。在钛合金研发期间，三个重要发现对高温钛合金的发展起到了至关重要的作用：首先是发现合金体系从α+β两相钛合金转向高温性能更优异的近α型钛合金；其次是认识到了Si元素对合金蠕变性能的有益作用；再次是发现铝当量经验公式对调控高温钛合金热稳定性能具有指导作用。因此，一批性能优良的550 ℃用高温钛合金应运而生，如美国的Ti-6242S，英国的IMI685、IMI829，俄罗斯的BT25等。本文将简要介绍这几种合金的研发状况，探讨其未来的发展趋势与研究方向。

1 550 ℃用高温钛合金的合金化特点

500 ℃或更高温度下，蠕变性能和热稳定性是钛合金两个重要的性能指标，但二者相互矛盾，通过优化合金成分和控制显微组织可使它们合理匹配。目前，各国研制和使用的500 ℃及以上高温钛合金均为 Ti-Al-Sn-Zr-Si系。

表1列出了美国、英国、俄罗斯和中国研发的几种典型的550 ℃用的高温钛合金名义成分及研制时间[5]。从表1中可以看出，这些高温钛合金均是近α型的Ti-Al-Sn-Zr-Si系合金。该类合金具有较高的高温强度和接近于α+β两相钛合金的室温拉伸塑性。

表1 典型的550 ℃用高温钛合金

IMI829钛合金中添加有少量的高熔点Nb元素，旨在强化合金中的β相。BT25、BT25y钛合金中添加有共析型β稳定元素W，使其α+β/β相转变温度降低(共析反应温度为715 ℃)，热稳定性和热强性提高[7-8]。由于W的熔点高达3 410 ℃，常规熔炼(如真空自耗电弧炉熔炼)很难使W充分熔化并均匀扩散，合金内易形成W夹杂和富W的β型偏析。同时W的扩散能力很差，后续的变形和热处理也难以使合金成分均匀化。为了提高含W钛合金铸锭的质量，W一般以Al-Ti-W 或Al-Ti-W-Mo中间合金的形式加入，而且最好采用电子束冷床炉、等离子体冷床炉熔炼。

Si是高温钛合金中必不可少的元素[9]。从表1中可看出，这些合金中都含有Si元素。美国研发的550 ℃用高温钛合金的Si含量一般在0.1%左右，而英国、俄罗斯、中国研发合金的Si含量一般在0.2%～0.3%。研究表明，钛合金中添加少量Si (0.1%～0.5%)元素后，合金的高温抗蠕变性能和高温强度同时增高。

大量研究表明，α型钛合金中加入适量的Si元素,有利于提高合金的蠕变强度和抗蠕变性能。对不同Si含量的Ti-6242合金蠕变性能的研究发现[10]，Si含量增大，合金的蠕变残余应变显著降低，当超过最佳含量 (约0.1%)时,蠕变残余应变又有所回升(如图1所示)。这表明加入0.1%的Si可以显著提高合金的抗蠕变性能。其原因可能是，高温下Si以硅化物的形式在位错上沉淀析出，弥散析出的硅化物粒子可阻碍位错攀移，而攀移是蠕变的主要变形机制。另有学者对Ti-Si系合金高温蠕变的研究发现[11-13]，位错区析出的硅化物对位错有很强的钉扎作用，这种作用使Ti-0.5Si合金表现出很高的应力指数和名义蠕变激活能，这表明合金具有较高的抗蠕变性能。

图1 Si对Ti-6242合金抗蠕变性能的影响Fig.1 Effects of Si on creep properties of Ti-6242 alloy

研究表明，相区冷却或长时间时效过程中，高温钛合金析出的硅化物主要有两种，一种是S1型的(Ti, Zr)5Si3，另一种是S2型的(Ti, Zr )6Si3，二者均为六方结构。S1型的硅化物晶格常数a=0.780 nm，c=0.545 nm；S2型的硅化物a=0.698 nm，c=0.368 nm[14]。除 S1和S2以外，近α型高温钛合金中还存在 (TiZr)Si，(TiZr)2Si 两种六方结构的硅化物 。

中国研发的550 ℃用高温钛合金中还含有稀土元素Nd或Gd。合金中加入稀土元素主要起内氧化作用，它能有效夺取合金中的氧，生成难熔稀土氧化物，降低合金中的氧含量，使合金基体得以净化，力学性能升高[15-16]。其次，弥散析出的稀土氧化物粒子与基体合金的热膨胀系数不同，冷却时这些粒子周围易形成位错环，从而使合金的基体强度、高温瞬时强度与蠕变强度同时提高。另外，稀土元素还可细化晶粒，提高合金的蠕变与疲劳性能，改善其热稳定性能[15]。合金热稳定性能的提高得益于稀土元素对α2相析出与长大的抑制作用；而合金蠕变抗力的增大则归功于稀土元素对细小硅化物均匀析出的促进作用[15]。

2 550 ℃用高温钛合金的研发状况

2.1 英国的研发状况

英国研发的近α型550 ℃用高温钛合金主要有IMI685和IMI829[5, 7, 9]。目前，IMI685钛合金广泛应用于英国的航空发动机上，如用于制作RB211、RB199等系列发动机(Rolls-Royce公司)和M53等发动机的高压压气机盘和叶片(SNECMA公司)。因焊接性能良好，该合金还被用来制造Rolls-Royce/Turbomeca Adour发动机上直径为350 mm的全焊接高压压气机鼓轮装置，比用螺栓连接的该装置重量大大减轻。

IMI829是一种专为航空发动机研制的钛合金，是第一个按化学成分和显微组织控制实现最佳高温性能的钛合金。IMI829钛合金经β热处理后具有针状α+少量转变β组织，抗蠕变性能和断裂韧性良好。IMI829钛合金于1984年已经在波音757客机上获得应用[3,5]。用该合金制造的RB211-535E4发动机的高压压气机，其后3级盘、鼓筒及后轴为电子束焊接的一体结构，这种结构可减重30%。

2.2 美国的研发状况

美国高温钛合金的发展较为成熟。1954年研制出国际上第一个可在300～350 ℃下长期工作的高温结构钛合金——Ti-6Al-4V合金。20世纪60年代，美国的研究人员研发出Mo含量较高的、可在450 ℃左右使用的Ti-6246和Ti-6242合金[17-18]。20世纪70年代，美国活性金属公司开发出添加有Si元素的Ti-6242S合金，其使用温度提高到540 ℃，合金在565 ℃下仍具有高的强度和刚度，良好的抗蠕变性能和热稳定性，而且该合金的焊接性能也较好。

近α型Ti-6242S合金是为了满足喷气发动机的使用要求而研制的，广泛应用于制作大型运输机燃气涡轮发动机的高压压气机盘、发动机结构件、飞机机体热端零部件等[17，19-20]。该合金的Al当量为8.3,Mo当量为2.0,相转变温度Tβ为995 ℃±10 ℃,室温抗拉强度为930 MPa[6]。合金的组织由β转+等轴α相(80%)组成，通过细化β晶粒、控制针状组织可使合金同时获得良好的疲劳性能和较高的蠕变强度。

2.3 俄罗斯的研发状况

为了满足高性能航空发动机的需求，多年来，俄罗斯(含前苏联)十分重视高温钛合金的研发，研制出系列高温钛合金，形成了完整的高温钛合金体系。使用温度低于350 ℃的零部件可选用BT22和BT6钛合金；使用温度在400～500 ℃的可选用BT8、BT9和BT8-1钛合金[3,5]；550 ℃可选用BT25和BT25y钛合金[21]；600 ℃可选用BT18y和BT36[7]钛合金。

BT25(TA12)钛合金是一种马氏体型α+β两相钛合金，它在550 ℃下的工作寿命可高达6 000 h，是制造航空发动机部件的理想合金，可用于制造压气机等[22]。BT25钛合金在500 ℃时兼有 BT9钛合金的热强性和 BT8钛合金的热稳定性，500 ℃×100 h条件下的持久强度为650 MPa，比BT8钛合金高出150 MPa。研究表明，BT25钛合金棒材在(920～990)℃×(1～2)h/AC + 550 ℃×6 h/AC热处理后可获得等轴组织和(或)双态组织，具有良好的室温及高温拉伸性能[23-24]。表2示出BT25钛合金轧棒在室温至600 ℃的拉伸性能。从表2中可以看出，不论是在室温还是高温下，该合金均具有较好的拉伸性能；550 ℃下，强、塑性匹配较好，Rm可达到785 MPa，Rp0.2=610 MPa，A=10%，Z=45%[25]。表3示出BT25钛合金棒材在550 ℃热暴露100～3 000 h后的室温拉伸性能[22]。表3中数据显示，经高温长时热暴露后，BT25钛合金棒材的室温塑性降低不大，表明该合金在550 ℃下具有良好的热稳定性。

表2 BT25钛合金轧棒在不同温度下的拉伸性能

表3 退火态BT25钛合金棒材在550 ℃下的热稳定性能

BT25y钛合金是BT25钛合金的改进型，也属于马氏体型两相变形热强钛合金，但比BT25钛合金的综合性能更好[22]。合金中添加的Sn和W元素可使合金的热强性和耐热性提高，从而使合金的工作寿命得以延长。合金工艺塑性也较好，其变形规范与TC11钛合金相似。BT25y钛合金还可以通过热处理进行强化[26]。BT25y钛合金的典型组织为网篮和等轴组织，这种组织的合金具有优良的室、高温综合力学性能。研究表明，500 ℃下，BT25y钛合金的抗拉强度仍可达到 800 MPa以上，具有良好的热强性能，此时合金的Rm=833 MPa，A=16%，Z=34%[22]；550 ℃下合金强塑性匹配良好[27]；600 ℃下，合金的Rm=784 MPa，A=18%，Z=38[22]。与表2比较可知，相同温度下，BT25y钛合金的高温抗拉强度与BT25钛合金的相当，但其断面收缩率较低。BT25y钛合金的热稳定性能也较好，在550 ℃热暴露300～2 000 h后，抗拉强度为1 380～1 420 MPa，延伸率达到5.5%～11.5%[28]。

俄罗斯已将BT25及BT25y钛合金锻件、模锻件、棒材等多种产品列入ГOCT等相关标准，并在许多新型航空发动机上获得了广泛地应用。如BT25y钛合金已用于制作工作温度在450～550 ℃范围的航空发动机低压压气机盘、压气机盘转子和叶片等。

2.4 中国的研发状况

我国在高温钛合金研究方面起步较晚，在很长一段时间内，仅是对前苏联、美国和英国的合金进行仿制研究[7, 29]。近20年来，我国自主研发的高温钛合金日益增多，其中550 ℃用高温钛合金主要有Ti-55、Ti-633G和Ti-53311S[30]。我国研发的550 ℃用高温钛合金大多含有稀土元素[5, 7]。

550 ℃高温钛合金Ti-633G中添加有稀土元素Gd。熔炼过程中，Gd元素夺取Ti-633G基体内的氧，通过内氧化作用形成Gd2O3粒子，基体中的氧含量降低，结果使合金具有细小的铸态组织，易于实现后续加工[5]。Ti-633G合金具有热强性、蠕变性能和热稳定性的良好匹配[5]。

可在550 ℃使用的近α型Ti-53311S合金具有良好的高温瞬时强度、抗蠕变性及热稳定性能。该合金可用来制造航空发动机的压气机盘件、叶片,还可用来制造航天结构件[31]。

Ti-55 (TA12)合金是由中科院金属所与宝鸡钛业股份有限公司联合研制的一种添加有稀土元素Nd的高温钛合金，使用温度为550 ℃。Ti-55合金中添加的稀土元素Nd：①可细化合金组织；②熔铸时，可通过内氧化作用，形成与基体非共格、弥散分布的富Nd第二相粒子，不但降低基体的氧含量，而且弥散析出的稀土氧化物粒子及粒子附近形成的位错亚结构还可强化合金；③还可促使基体中的Sn原子向稀土氧化物转移，抑制Ti3X相的析出[15,30]。所有这些使得Ti-55合金在550 ℃下具有优异的热强性和热稳定性能[21]，综合性能与英国IMI829钛合金相当。并且焊接性能良好，可与异种钛合金如Ti-60合金进行电子束焊接[32]。焊接后合金表面缺陷少,焊缝成形性好，焊缝中所形成的针状α′相可通过双重热处理(1 010 ℃+700 ℃)来减少或消除，从而使合金焊接接头的高温拉伸性能与持久性能显著提高[32]。Ti-55合金的相组成为α(或极少量α2)、β、硅化物和呈椭球状弥散分布的稀土相，稀土相的尺寸为1～8 μm[21]。用Ti-55合金制成的压气机盘、鼓筒和叶片已顺利通过了超转、破裂、低循环疲劳和振动疲劳试验，并成功经受了某型号航空发动机长期试车考核[15, 21, 30]。

表4示出了Ti-55合金与其他几种550 ℃用高温钛合金的力学性能[5]。从表4中可以看出，Ti-55合金的室温抗拉强度、屈服强度及塑性均优于IMI829钛合金。同时Ti-55合金还具有良好的热稳定性能，在550 ℃热暴露100 h后，室温抗拉强度比热暴露前升高6.6%，延伸率降低18.8%；而IMI829钛合金的抗拉强度比热暴露前降低3%左右，延伸率则降低30%。这表明Ti-55合金具有优异的综合性能，适宜在550 ℃下长期使用。

表4 Ti-55合金与其他几种550 ℃用钛合金的力学性能比较

注：IMI829钛合金的高温拉伸性能与热稳定性试验温度均为540 ℃。

3 结 语

如前所述，550 ℃用高温钛合金均是Ti-Al-Sn-Zr-Si系的近α型钛合金，该合金系中最具代表性的是美国的Ti-6242S，英国的IMI829，俄罗斯的BT25和BT25y，以及中国的Ti-55、Ti-633G和Ti-53311S合金。目前，添加少量的高熔点Nb元素(如IMI829钛合金)或W元素(如BT25、BT25y钛合金)是高温钛合金发展的趋势之一；稀土元素是高温钛合金中具有重要作用的元素，越来越多的研究者希望利用稀土元素提高钛合金的综合性能。

550 ℃用高温钛合金的合金化元素较多，相互作用非常复杂，原子间的相互作用能够在单个相中引起复杂的变化，造成难以预计的晶格不稳定性[33]，因而有待于科研工作者研究的问题较多。目前及今后一段时期内，这类合金的研究工作主要集中在现有合金的基础上进一步微调优化合金成分、提高组织的均匀性，优化热加工工艺、实现组织精确控制等方面，从而改善合金的蠕变性能与疲劳性能。

[1] 张绪虎, 单群, 陈永来, 等. 钛合金在航天飞行器上的应用和发展[J]. 中国材料进展, 2011，30(6): 28-32.

[2] Zhang Shangzhou,Xu Huizhong,Liu Ziquan,et al. Alloying elements characterization in a Ti-5.6Al-4.8Sn-2Zr-1Mo-0.35Si-1Nd titanium alloy by carbon addition[J].Journal of University of Science and Technology Beijing,2005,12(3):252-256.

[3] 曹春晓.航空用钛合金的发展概况[J].航空科学技术, 2005(4):3-7.

[4] 朱知寿.航空结构用新型高性能钛合金材料技术研究与发展[J].航空科学技术, 2012(1): 5-9.

[5] 赵永庆.高温钛合金研究[J].钛工业进展, 2001,18(1): 33-39.

[6] 黄旭, 李臻熙, 黄浩.高推重比航空发动机用新型高温钛合金研究进展[J].中国材料进展, 2011,30(6): 21-27.

[7] 蔡建明, 李臻熙, 马济民,等.航空发动机用600 ℃高温钛合金的研究与发展[J].材料导报,2005,19(1): 50-53.

[8] Han C X,Liu B N.Effects of Nb and W on mechanical properties and oxidation resistance of high temperature titanium al1oys[C]//Froes F H,Caplan I.Titanium’92: Science and Technology.Warrendale: TMS,1993:1891-1897.

[9] 曾立英,赵永庆,洪权,等.600 ℃高温钛合金的研发[J].钛工业进展,2012,29(5): 1-5.

[10] Seagle S R,Hall G S,Bomberger H B.High temperature properties of Ti-6A1-2Sn-4Zr-2Mo-0.09[J].Metals Engineering Quarterly,1975,15(1):48-55.

[11] 雷家峰，李东，王中光．Ti-55合金中高温蠕变行为[J]．金属学报，1999，35(9)：184-186.

[12] 董飞,何国强,张贵田.合金元素Si在钛合金中作用的研究进展[J].金属热处理，2007,32(11): 5-10.

[13] Salpadoru N H,Flower H M.Phase-equilibria and transformations in a Ti-Zr-Si system[J].Metallurgical and Materials Transactions A,1995(26): 243-255.

[14] 陈卫峰,石玉峰.Ti6242S合金中硅化物出现的条件[J].稀有金属材料与工程,1999,28(5): 323-325.

[15] Li G P,Liu Y Y,Li D,et al.Interaction between dislocations and Nd-rich phase particles in melt quenched Ti-5Al-4Sn-2Zr-1Mo-0.25Si-1Nd alloy[J].Journal of Materials Science Letters,1995,14(19): 1386-1387.

[16] 脱详明,周军.钇对IMI829钛合金及Ti-14Al-21Nb合金显微组织和性能的影响[J].中国稀土学报,1997,15(2): 130-133.

[17] Boyer R R.An overview use of titanium in the aerospace industry[J].Materials Science and Engineering A,1996,213(1/2): 103-114.

[18] Doorbar P,Dixon M,Chatterjee A.Aero-engine titanium from alloys to composites[J].Materials Science Forum,2009,618-619(1): 127-134.

[19] Williams J C,Starke E A J.Progress in structural materials for aerospace systems[J].Acta Materialia,2003,51(19): 5775-5799.

[20] 黄张洪,曲恒磊,邓超,等.航空用钛及钛合金的发展及应用[J].材料导报A,2011,25(1): 102-107.

[21] 魏寿庸,何瑜,王青江,等.俄航空发动机用高温钛合金发展综述[J].航空发动机,2005,31(1): 52-58.

[22] 魏寿庸,王青江,何瑜,等.航空发动机用BT25和 BT25y热强钛合金评述[J].钛工业进展,2013,30(4): 9-14.

[23] 王丽瑛,魏寿庸,高博,等.退火制度对TC25钛合金棒材组织和力学性能的影响[J].钛工业进展,2011,28(2): 36-38.

[24] 白晓环,吕平,徐庆.热处理工艺对BT25钛合金锻件的组织与性能的影响[J].钛工业进展,2008,25(5): 20-22.

[25] 王文杰,赵永庆,曾立英.2种轧制温度下BT25钛合金棒材组织与性能[J].钛工业进展,2013,30(1): 20-22.

[26] 王永,卢斌,张钧.热处理对高Mo当量BT25y钛合金显微组织和力学性能的影响[J].金属热处理,2009,34(4): 64-68.

[27] 韩如旭.BT25y钛合金精锻棒材组织与性能的研究[J].钛工业进展,2012,29(2): 32-34.

[28] 张翥,于洋,惠松骁.BT25y钛合金热稳定性能研究[J].稀有金属,2008,32(6): 758-765.

[29] 李明怡.航空用钛合金结构材料[J].世界有色金属,2000(6): 17-19.

[30] Liu Y Y,Li G P,Li D.Thermal stability of rare earth-rich phase in high temperature titanium alloy[J].Journal of Rare Earths,1998,16(4): 285-289.

[31] 王成长,杨建朝,倪沛彤,等.热加工对Ti53311S钛合金显微组织和力学性能的影响[J].钛工业进展,2009,26(1): 20-22.

[32] 左从近,李晋炜,余伟,等.高温钛合金Ti-55与Ti-60电子束焊接头力学性能[J].焊接学报,2011,32(4): 103-106.

[33] 曲选辉，肖平安，祝宝军，等.高温钛合金和颗粒增强钛基复合材料的研究和发展[J].稀有金属材料与工程，2001,30(3) :161-165.

Research and Development of High Temperature Titanium Alloys Used at 550 ℃

Wang Fan1，Bai Baoliang2，Zhu Meisheng2

(1. Lanzhou Institute of Physics, CAST, Lanzhou 730000，China) (2. Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016，China)

In order to meet the requirements for high thrust-weight ratio aero-engines, research on high temperature titanium alloys has never been stopped. The high temperature titanium alloys developed at home and abroad which can be used at 550 ℃ include IMI829，Ti-6242S，BT25，BT25y，Ti-55，Ti-53311S and Ti-633G, etc. Alloying features, effects of various elements adding in the alloy were presented, and emphasis influence of element Si on creep property for the alloys were also represented. Research status, including tensile properties at ambient temperature and at 550 ℃, application, and the influence of rare earth elements on microstructures and properties of some high temperature titanium alloys were reviewed in this paper. The key developing tendency and research directions in the future are also proposed.

high temperature titanium alloys；tensile properties；rare earth elements

2013-10-23

王凡(1970—)，男，高级工程师。