Ti-V-Cr系阻燃钛合金应用研究进展

曹京霞， 黄 旭， 弭光宝， 沙爱学， 王 宝

(北京航空材料研究院 先进钛合金航空科技重点实验室，北京100095)

使用轻质耐高温钛合金材料是提高航空发动机推重比的重要手段，钛合金用量也因此成为衡量发动机先进性的重要指标之一。随着钛合金在航空发动机上应用增加，钛合金着火故障不时出现［1］，特别是进入20 世纪70年代后，一些著名的发动机，如美国的F404、CF-6、PW4000、前苏联的D-30 等发动机，在使用或适航试验中均发生过因钛-钛摩擦引发的着火事故。据观测，在高压压气机中，钛合金着火后约5 ～10s 即能将机匣烧穿。对钛火的恐惧极大地限制了钛合金在航空发动机上的应用，在高压压气机设计中，尽量避免钛合金转动叶片与机匣、转动叶片与静子叶片等的成对使用。阻燃钛合金是为应对钛火隐患而研制的专用材料，阻燃钛合金在航空发动机上的应用成为发动机防钛火的关键技术之一。

Ti-V-Cr 系阻燃钛合金是目前最具工程意义的航空发动机用功能性结构材料［2，3］，经过近十年的研发，我国在Ti-V-Cr 系阻燃钛合金材料、锻件制备及合金抗点燃性能评价方面均取得了较大的进展，为Ti-V-Cr 系阻燃钛合金的工程化应用奠定基础。本文中主要论述Ti-V-Cr 系阻燃钛合金的铸锭熔炼、热加工、组织控制和抗点燃性能评估等方面的研究进展。

1 合金发展

在Ti-V-Cr 系阻燃钛合金中，最具代表性的材料是由美国普惠公司研制的Ti-35V-15Cr 合金，简称为Alloy C 合金。Alloy C 合金在美国的四代机动力F119 发动机上获得大量应用，包括高压压气机静子叶片、内环和喷口调节片等零部件［4］。在Alloy C合金基础上，普惠公司还研制了Alloy C+合金［4，5］，通过少量添加Si，C 元素达到提高合金蠕变性能的目的。

以Alloy C 合金为基础国内研发了两个耐温级别的Ti-V-Cr 系阻燃钛合金。Ti40 合金是西北有色金属研究院研发的V 含量相对较低的阻燃钛合金［6］，名义成分为Ti-25V-15Cr-0.2Si，密度为5.13g/cm3，控制原材料成本是选择V 含量为25%的主要原因之一。该合金的使用温度主要受限于蠕变性能，510℃及以上温度其蠕变抗力急剧降低，由此决定了Ti40合金为500℃长期使用的钛合金材料，用于承力结构，其使用温度最高不能超过520℃。

北京航空材料研究院以Alloy C+合金为基础，进一步优化Ti-35V-15Cr-Si-C 合金的Si，C 含量，研发出TF550 合金，密度为5. 33 g/cm3。该合金在550℃仍具有很好的蠕变和持久性能，其使用温度比Ti40 合金提高了50℃。表1 对比了Ti40 合金和TF550 合金不同温度的拉伸性能以及不同测试条件下的持久和蠕变性能，表2 对比了两种合金的热稳定性能，表中的数据为试样热暴露后测试的室温拉伸性能。可以看出，虽然TF550 合金密度及原材料 成本更高，但其高温性能更有优势。

表1 Ti40 合金与TF550 合金的力学性能Table 1 Mechanical properties of Ti40 and TF550 alloy

表2 Ti40 与TF550 合金的热稳定性能Table 2 Thermal stability of Ti40 and TF550 alloys

2 制备工艺与组织控制

2.1 铸锭制备

Ti40 及TF550 合金的V，Cr 总量分别达到40%和50%，制备工业级铸锭首先要考虑的是目标成分控制及铸锭成分均匀性控制的问题。合金元素添加方式不当、电极布料不合理、真空自耗熔炼工艺参数不合适均易造成微区V，Cr 元素偏析。研制过程中在Ti40 合金锻件表面及内部发现的孔洞或开裂与微区成分偏析有很强的相关性。图1 为650kg Ti40合金铸锭制备的环锻件中的孔洞及开裂，表3 为孔洞及附近区域能谱分析的结果，可以看出孔洞部位V 元素含量明显偏高。

图1 Ti40 合金环锻件中孔洞及开裂的SEM 观察结果Fig.1 SEM results of porosities and cracks in Ti40 ring forging

目前通过采取改进合金元素V，Cr 的添加方式、电极结构、布料方式以及优化真空自耗熔炼工艺参数等措施，已制备出规格为φ620mm 的3t 级Ti40和TF550 合金铸锭，铸锭主要元素成分波动非常小。图2 和图3 分别为Ti40 合金和TF550 合金φ620mm 铸锭切片9 点取样成分分析结果，9 点分布于切片中心、1/3 半径及2/3 半径处。结果表明，采用新的铸锭制备工艺，25%V 和35%V 的阻燃钛合金铸锭成分均匀性都得到很好的控制。

2.2 热加工

表4 为TF550，Ti40 以 及Ti-6Al-4V 合 金 在1050℃不同应变速率下的热压缩流变峰值应力。从表4 可以看出，TF550 及Ti40 合金的变形抗力显著高于Ti-6Al-4V 合金，应变速率达到0.01s－1以上，Ti-V-Cr 系阻燃钛合金的变形抗力是Ti-6Al-4V 合金的5 倍以上，TF550 合金的变形抗力较Ti40 合金高20%以上。高变形抗力增加热加工变形的难度，对锻压设备有效载荷也提出了更高的要求。

图2 Ti40 合金φ620mm 铸锭的成分Fig.2 Chemical composition of Ti40 alloy φ620mm ingot

图3 TF550 合金φ620mm 铸锭的成分Fig.3 Chemical composition of TF550 alloy φ620mm ingot

除了变形抗力高，Ti-V-Cr 系阻燃钛合金铸锭在进行拔长变形时极易开裂，Ti40 和TF550 合金不能采用常规的钛合金拔长变形的方式进行铸锭的开坯。采用包套挤压工艺解决了Ti-V-Cr 系阻燃钛合金工业级铸锭开坯的难题。北京航空材料研究院与中国兵器集团公司北方重工联合研制了用于大型钛合金铸锭挤压的挤压垫、冲减器等配套工装，在北方重工360MN 挤压机上完成了多个Ti40 合金铸锭及TF550 合金铸锭的挤压开坯。这是我国首次将挤压工艺用于钛合金工业级铸锭开坯。采用包套挤压开坯，不仅实现了由φ620mm 阻燃钛合金铸锭到φ300mm 棒材的直接制备，而且经过挤压变形，使阻燃钛合金的工艺塑性得到明显改善，后续坯料改锻时可以直接在快锻机上进行镦粗和拔长变形，通过反复镦拔变形，合金的晶粒得到细化且尺寸更加均匀，为环锻件及厚板的制备奠定基础。目前已制备出外径超过740mm、高度达到320mm 的Ti40 合金环锻件及厚度为55mm 的TF550 合金厚板，用于环类零件的加工以及模锻件的制备。

表4 阻燃钛合金与Ti-6Al-4V 钛合金在1050℃不同应变速率下峰值流变应力对比Table 4 Peak flow stress of burn resistant titanium alloys and Ti-6Al-4V alloys at 1050℃

2.3 组织控制

Ti40 和TF550 合金的Mo 当量分别达到40 和47，为稳定β 型钛合金，其显微组织明显不同于α +β 两相钛合金及近β 型钛合金。其铸态、锻态以及热处理态的显微组织为同一类型，主要是β 晶粒尺寸的差异，铸、锻态组织均由单相β 和少量分布于晶内和晶界的第二相构成，第二相通常为硅化物、碳化物以及α 相。在不含Al 的Ti-V-Cr 系合金中形成α 相主要是由杂质元素氧引起的，特别是经过高温热暴露后，在氧含量最高的晶界处易出现α 相沿晶界连续形成的情况，从而使热稳定性能显著降低。图4 为Ti40 和TF550 合金的典型金相组织。TF550合金因添加了少量C 元素，铸态组织中碳化物较多呈条状分布(图4c)，锻态时碳化物弥散分布。

对Ti-V-Cr 系合金的组织控制主要是对β 晶粒尺寸的控制，锻造工艺决定了β 晶粒尺寸的大小。研究表明，当β 晶粒尺寸比较接近时，热处理对室/高温拉伸性能的影响小［10，11］，热处理时析出的第二相，对蠕变、持久及热稳定性有所影响。当热处理制度，特别是对第二相析出影响较大的时效温度改变时，对热稳定性能影响较大［12～14］。同时高温、高载荷下的第二相的析出也会影响持久和蠕变性能［15］。

图4 Ti40 和TF550 阻燃钛合金的典型显微组织Fig.4 Typical microstructures of Ti40 and TF550 alloys (a)Ti40-STA;(b)Ti40-500℃/400MPa/80h;(c)TF550-as cast;(d)TF550-wrought+STA

3 抗点燃性能评估

Ti-V-Cr 系阻燃钛合金最佳V 含量范围在22%～40%［16］，Ti40 和TF550 合金中V 含量均在此范围中，但相差10%。前面提到，两种V 含量的阻燃钛合金高温蠕变和持久性能有较大的差异，Ti-V-Cr系合金作为一种具有抗燃能力的功能性材料，V 对抗燃烧性能的影响更受关注，也一直是困扰设计选材的技术难题。已开展针对Ti-V-Cr 系阻燃钛合金抗燃烧性能及机理的相关研究［17～19］，但缺乏统一的、定量的测试与表征、评价方法。

钛合金部件之间的高能摩擦着火是航空发动机钛火发生的主要模式，以摩擦点火实验技术进行钛合金抗燃烧性能评价是最接近实际工况的测试方法。北京航空材料研究院基于从俄罗斯引进的摩擦点火设备，通过控制预混气流氧浓度c0及其与摩擦接触压力P 的关系，将获得的P-c0关系曲线作为表征钛合金抗点燃的性能指标［20］。在此基础上，对比研究Ti40 和TF550 等阻燃钛合金的抗点燃性能，并对其抗点燃机理进行理论分析［21，22］。图5 为表征Ti40 和TF550 合金及TC4 合金抗点燃性能的P-c0关系曲线，可以看出，Ti40 合金与35%V 的TF550合金抗点燃性能相差很小，都显著优于TC4 钛合金。10%V 的差别对Ti-V-Cr 系的两个阻燃钛合金的影响主要在于高温力学性能，而不在于抗点燃性能。

图5 Ti40，TF550 和TC4 钛合金的抗点燃性能［20］Fig.5 Ignition resistance performance of Ti40，TF550 and TC4［20］

4 结论

(1)经过近十年的研究，开发出500℃和550℃两个耐温级别的Ti-V-Cr 系阻燃钛合金，并且在Ti-V-Cr 系阻燃钛合金工业铸锭成分均匀化控制、挤压开坯及环锻件轧制等工艺技术方面取得了较大突破，为Ti-V-Cr 系阻燃钛合金的工程应用奠定了基础。

(2)基于摩擦点火原理建立了以P-c0关系曲线定量描述钛合金抗点燃性能的测试方法，该方法能够用于航空发动机用高温钛合金的抗燃烧性能测试和评估。

(3)使用阻燃钛合金是航空发动机防钛火的主要措施之一，Ti40 合金与TF550 合金具有接近的抗点燃性能，综合原材料成本、制造工艺和力学性能等多方面的因素，这两个合金各具优势，同时使用两个耐温级别的阻燃钛合金更经济有效。

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