船舶海洋工程用新型高溫鈦合金Ti75的發展與性能

一、高溫鈦合金

1、 高溫鈦合金的發展與應用

上世紀四十年代，鈦首次投入工業化生產，經過八十年來的發展，鈦和鈦合金成為了航空航天、化工等幾十個工業領域必不可少的材料。鈦是輕質結構材料，是最重的輕金屬，鈦合金比強度高，具有優秀的耐高低溫性能，是航空領域主要應用材料之一[2]。目前，TC4鈦合金在研究和應用中最為常見，其綜合性能達到了大部分常規應用的要求，而一些特殊的情況對鈦合金材料提出了更高的要求。

正如近年來隨著飛行器速度的提升，不但要求鈦合金可使用溫度不斷提高，還要保證在高溫下的性能不減退，高溫鈦合金便逐漸出現。TC4 的使用溫度在 350℃，已經不符合部分航空零件的要求，隨后相繼研究出使用溫度能達到 400℃~450℃的 TC6、TC9 等鈦合金，相較于 TC4 略有提高，緊接著使用溫度達到 550℃~600℃的 BT18、Ti-1100 等鈦合金的出現，拉開了高溫鈦合金的序幕。在 550℃溫度下長時間使用的鈦合金有例如美國的 Ti-6242S、我國的 Ti55和 Ti633G 等高溫鈦合金。上世紀 60 年代，美國研發團隊在傳統鈦合金 Ti64 的基礎材料中加入一定含量的 Mo 元素，提升了 Ti64 的高溫蠕變強度，研制出Ti-6242 合金并成為航天器發動機轉子的新材料[3]。美國活性金屬公司又在Ti-6242 中加入了 Si 使其蠕變強度進一步提升，研制出 Ti-6242S，使用細化β晶粒的方法來實現控制針狀組織的作用，從而使得高溫性能提升。在 565℃高溫實驗中鈦合金的強度、剛度和抗蠕變強度都能保持良好的狀態。北京航空材料研究院研制出的近α鈦合金 Ti55，合金中加入稀土元素 Nd 能有效改善鈦合金抗高溫氧化性，稀土的內氧化作用促使 REXOV 顆粒的形成，產生彌散強化。通過內氧化作用降低鈦合金材料中的氧含量，促使錫元素向稀土氧化物中轉移，以此抑制有序相 Ti3X 的析出[4]。因此，鈦合金 Ti55 在 550℃的長期使用中能維持優秀的熱穩定性。

20 世紀 90 年代，高溫鈦合金得到了進一步發展，高溫鈦合金耐熱溫度升至600℃~650℃，英國 IMI834、美國 Ti1100 以及我國 Ti600 相繼問世。鈦合金也從航天發動機的冷端（風扇）轉向到發動機的熱端（渦輪）應用，用途進一步推進。

英國研發的 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Si 系合金 IMI834 是世界上首個使用溫度超過600℃的鈦合金，其中合金成分 Mo 提高合金的高溫性能，Zr 和 Nb 改善鈦合金的抗高溫氧化性及抗蠕變性能。美國對 Ti-6242S 進行元素調整，將 Mo、Al、Si和 Sn 等元素含量改變得到使用溫度為 600℃的近α型 Ti1100，合金成分為Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si，Ti1100 在高溫下疲勞裂紋擴展速率較大。我國的高溫鈦合金發展事業起步較晚，Ti600 由西北有色金屬研究院在學習其他國家高溫鈦合金的基礎上加入我國特有的設計元素研制而出，其特有設計元素就是稀土元素 Y，稀土元素在合金中既可以使氧含量降低，又能使合金抗氧化性能提高。

Ti600 的成分為 Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.5Mo-0.4Si-0.1Y，合金的強度以及高溫抗蠕變性能顯著提升，具有良好的屈服強度和抗拉強度，工作溫度也到達了 600℃。

近年來，不斷有新的高溫鈦合金出現，使用溫度不斷提升的同時也遇到難題，各國都采用不同的方法對高溫鈦合金更深入地研究。美國麥道公司研制出的Ti-21Nb-14Al高溫鈦合金，采用的是粉末冶金技術，在760℃合金強度不會削弱并且能進行工作，已應用于高壓壓氣機閘等部位[5]。德國宇航中心將高溫鈦合金和特殊材料結合，研制出SiC/IMI834復合材料，其性能比基體鈦合金IMI834得到了進一步提升并且將使用溫度也提高至700℃，目前并未得到應用[6]。我國高溫鈦合金事業奮起直追，緊跟著國際潮流。北京航空材料研究院著力研究性能突出的Ti3Al基合金，以更好抗疲勞性和抗高溫蠕變性的Ti3Al基合金，來滿足更新加速的航空發動機的要求。西北有色金屬研究院也利用TiC顆粒增強鈦基，采用預

處理熔鑄工藝（PTMP）研制用于650℃的復合材料 TP-650TiC和TiC/Ti-15S 鈦基復合材料，高溫性能相較于Ti600更優異并且已經應用于航空航天等領域[7]。

中國科學院金屬研究所研制的Ti750是在傳統鈦合金基礎上改進的近α鈦合金，名義組成為Ti-6.36Al-4.14Sn-9.12Zr-0.85Nb-1.99W-0.34Si，短時使用溫度為750℃，合金中Al元素含量較傳統高溫鈦合金有所提升，增強了合金的高溫強度和塑性，是我國使用溫度最高的鈦合金。一些常見的國內外高溫鈦合金如表1.1所示。

2、高溫鈦合金的性能

高溫鈦合金大多屬于近α型鈦合金，因為α相能給鈦合金帶來很好地高溫抗氧化性以及強度，使鈦合金在高溫下能正常工作。高溫鈦合金為 Ti750新型高溫鈦合金，此合金在傳統高溫鈦合金基礎上調整了元素含量，最高短時使用溫度能達到 750℃，比 Ti600 的使用溫度提高了 150℃。此合金名義成分為Ti-Al-Sn-Zr-Nb-W-Si，也是近α型鈦合金，經過 1020℃的固溶強化以及 750℃的時效處理，其力學性能和高溫性能得到了顯著的提升。該新型合金在熱穩定性和抗高溫蠕變強度上相較于傳統高溫鈦合金也得到了一定的優化，因此，本文研究該新型合金的切削機理對Ti750切削加工具有重要的理論意義和實際工程應用價值。