耐熱鈦合金

在高溫環境中長期工作的鈦合金

耐熱鈦合金（high temperature titanium alloy），又稱高溫鈦合金。在400～600℃具有較高強度的鈦合金。按組織分為 α+β 型和近 α 型鈦合金。典型馬氏體型 α+β 鈦合金有BT9，成分為Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si，使用溫度500℃。實用的多數為近 α 合金，Ti-6242合金成分為Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo，使用溫度540℃；IMl-834合金成分為Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si，使用溫度可達600℃。主要用于制造航空發動機壓氣機盤和轉子葉片。制造壓氣機盤件要求有高的抗蠕變強度，適于采用雙態組織或網籃狀組織。制造壓氣機轉子葉片要求室溫和高溫下有高的疲勞強度，宜采用等軸組織。

中文名

耐熱鈦合金

外文名

high temperature titanium alloy

別名

高溫鈦合金

定義

在高溫環境中長期工作的鈦合金

分類

α、α+β、β鈦合金

簡介發展過程一般分類工作條件和成分應用TA說參考資料

簡介

耐熱鈦合金（high temperature titanium alloy），以在高溫環境中長期應用為目的的鈦合金。它在工作溫度范圍內具有較高的瞬時和持久強度，較好的蠕變抗力和良好的熱穩定性能。能在500℃以下長期工作的主要是高鋁當量的馬氏體 α+β 型耐熱鈦臺金。它們邪含有較多的。穩定元素，鋁當量都在6%以上，通過固溶強化。相獲得相應的高溫持久和蠕變強度；加入適當的β 穩定元素（如鉬）提高瞬時強度和熱穩定性。典型的合金有：Ti-6Al-2.5Mo-2Cr-0.3Si-0.5Fe、Ti-6.5Al-3.3Mo-1.5Zr-0.25Si和Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo等。在500℃以上長期工作的主要是近α 型耐熱鈦合金。它們既含有鋁、錫、鋯等多種α 穩定元素，又含有少量的鉬、鈮等β 同晶穩定元素，而且鋁當量幾乎都在7%以上。較之馬氏體α+β 型耐熱鈦合金、近 α型耐熱鈦合金在500℃以上具有更高的蠕變抗力和更好的抗疲勞裂紋擴展和斷裂韌度。典型的合金有Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-5.5Al-2.5Sn-3Zr-1Nb-0.3Mo-0.3Si和Ti-6.5Al-2.5Sn-4Zr-1Nb-0.7Mo-0.15Si等。所有耐熱汰合金的鋁當量一股都小于8%，以保證優良的熱穩定性。主要用來制造氣機中的盤、葉片、導向器、隔圈、進氣機匣及其他零件。[1]

發展過程

耐熱鈦合金是適合于在較高溫度下長期工作的鈦合金。它在整個工作溫度范圍內具有較高的瞬時和持久強度。室溫下有較好的塑性、較好的蠕變抗力和良好的熱穩定性。在室溫與高溫下均有好的抗疲勞性能。主要用來制造壓氣機中的盤、葉片、進氣機匣以及飛機結構件。已得到應用的耐熱鈦合金有固溶強化的α+β 型和近α 型鈦合金。能在500℃以下長期工作的α+β 型耐熱鈦合金，它們都含有較多的α 穩定元素，鋁當量都在6以上。加入適當的β 穩定元素，使合金在高溫下不僅顯示高的瞬時強度，而且具有足夠的塑性。典型的合金有TC4（Ti-6Al-4V），TC6（Ti-6Al-2.5Mo-2Cr-0.5Fe-0.3Si）和TC11（Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si）。在500℃以下長期工作的α 型耐熱鈦合金，它們都含有少量α 穩定元素。鋁當量幾乎都在7以上，在平衡狀態下合金有更多的α 相，因此這些合金在500℃以上具有更高的蠕變抗力和更好的抗疲勞性和斷裂韌度。由于近α 型合金具有這些優良的綜合性能，而使其成為耐熱合金的主要體系。典型的合金有Ti-8Al-1Mo-1V（美國Ti-811）、Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V（俄羅斯BT-20）、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo（美國Ti-6242）和Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.3Mo-0.3Si（英國IMI-829）。

發展使用溫度高于500℃的耐熱合金，主要是解決合金熱強性與熱穩定性之間的矛盾。目前國外在500～600℃使用的耐熱鈦合金有英國的IMI-834（Ti-6Al-4.5Sn-4Zr-1Nb-0.5Mo-0.4Si-0.02Fe），其最高使用溫度可達600℃，正在進行評價的有美國的Ti-1100（Ti-6Al-2.7Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si-0.02Fe）。用于溫度為600℃的耐熱鈦合金，是Timet公司1988年研制的近僅鈦合金。

人們期望采用具有高損傷容限性能Ti3Al、TiAl為基體的金屬間化合物新型耐熱鈦合金。Ti3Al合金室溫塑性低，有代表性的合金為Ti-14Al-21Nb、Ti-14Al-21Nb-3V-2Mo合金和Ti-24Al-10Nb、Ti-25Al-8Nb-2Mo-2Ta、Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo以及Ti-22Al-27Nb合金。[2]

一般分類

鈦合金的分類方法有多種。按組織結構可分為α 鈦合金、α+β 鈦合金及 β 鈦合金；按使用溫度可分為飛機結構鈦合金和發動機結構鈦合金；按用途與特性又可分為低強度鈦合金、中強度鈦合金、高強度鈦合金、超高強度鈦合金、損傷容限型鈦合金、低成本高性能鈦合金等。

（1）α 型鈦合金

工業純鈦以及Ti中加入α 穩定元素如Al或中性元素Sn、Zr等，而且退火后的顯微組織為單一 α 相的合金稱為僅型合金。這類合金通過加入 α 穩定元素固溶于 α 相中，以保證合金的熱強性和組織穩定性。這類合金一般不能熱處理強化，具有中低強度、良好的缺口韌性和高溫蠕變性能，以及高的塑性、可焊性和熱穩定性，但加工性能較差。

這類合金有工業純鈦（如TA1、TA2、TA3等）以及Ti-AI、Ti-Al-Sn、Ti-Zr、Ti-Sn -Zr等系列如TA6（Ti-5Al）、TA7（Ti-5Al-2.5Sn）、TA16(Ti-2Al-2.5Zr）、TA19（Ti-6Al-2Sn-42r-2Mo-0.1Si）等。其合金牌號用TA表示，如TA1～TA28。

（2）近 α 型鈦合金

在儀型合金中加入少量的 β 穩定元素（≤2%）或Mo當量≤2%，如Mn、Mo、V、Nb、Cr等，使合金的平衡顯微組織中除了以 α 相為主外，尚有少量的 β 相（≤15%）。這類合金具有僅型合金的優點，同時又因 β 相而改善了加工性能，可以通過熱處理達到一定的強化效果，在高溫下保持較好的熱強性和組織穩定性及良好的綜合性能。目前熱強鈦合金大都屬于這一類，如IMI-834、Ti-1100、BT36、Ti-6242S等。此外，由于該類合金不易發生塑脆轉變，具有良好的低溫性能，可在極低溫度下使用，如Ti-5Al-2.5Sn。

這類合金的牌號多用TA表示。如TA12（Ti-5.5Al-4Sn-2Zr-1Nb-1Mo-0.25Si）、TA15（Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V）等。有的亦用TC表示，如TC1（Ti-2AI-1.5Mn）、TC2（Ti-4AI-1.5Mn）等。

（3）α+β 鈦合金

當鈦中含有a穩定性元素和有2%～8%的B穩定元素V、Mo、Cr、Nb、Fe等（或Mo當量為2%～10%）時，平衡態的組織一般是以僅相為主并含有10%～30%β 相，這類合金即為α+β 合金，通常稱為兩相鈦合金。當合金中β 相含量為30%～50%時，又稱為富β 合金。合金中 β 相含量的增加，不僅改善了合金的加工性能，而且增加了熱處理強化的效果，所以該類型鈦合金具有較高的高溫拉伸強度和室溫拉伸塑性、較好的室溫低周疲勞強度等性能，而且還具有較寬的組織可變性，可通過熱處理對性能進行調整，使之既可用于低溫使用環境（如Ti-6Al-4V ELI），也可用于中等溫度區間，如Ti-6Al-4V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo是目前應用最廣泛的該類鈦合金。α+β 型合金的牌號一般用TC表示，如TC4（Ti-6Al-4V）、TC4 ELI（Ti-6Al-4V ELI）、TC4-DT（Ti-6Al-4V βELI）、TC11（Ti-6.5A1 -3.SMo -1.52r -0.3Si）、TC21（Ti-6Al-2Zr-2Sn-3Mo-1Cr-2Nb-0.1Si）、TC17（Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr）等。

（4）β 型鈦合金

該類鈦合金加入的元素主要有Mo、V、Cr等，β 鈦合金有較高的強度和優良的沖壓性能，可通過淬火和時效進一步強化。在時效狀態下，合金的組織為 β 相中彌散分布細小的 α 相顆粒。

典型合金的牌號是TB2，其成分為Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al，適用于制造壓氣機葉片、軸、輪盤等重載荷零件。[3]

工作條件和成分

高溫鈦合金主要用于制造航空發動機的壓氣機部件，如盤、葉片、導向器、隔圈、進氣機匣等零件，這些零件要求材料在高溫工作條件下（300～600℃）具有較高的比強度、高溫蠕變抗力、疲勞強度、持久強度和組織穩定性。隨著航空發動機推重比的提高，高壓壓氣機出口溫度升高導致高溫鈦合金葉片和盤的工作溫度不斷升高。經過幾十年的發展，固溶強化型高溫鈦合金最高工作溫度由350℃提高到了600℃。

美國于20世紀50年代初成功研制出了世界上第一種鈦合金Ti-64（Ti-6Al-4V），使用溫度為300~ 350℃，隨后各國相繼研制出使用溫度可達400℃左右的IMI-550、BT31等合金；使用溫度在450℃以上的IMI-679、IMI-685、Ti-6246，Ti-6242（Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo）等合金；使用溫度達550～600℃的IMI-829、IMI-834、Ti-6242S、Ti-1100、BT18Y、BT36等合金。其中，應用最廣的是Ti-64和Ti-6242兩種鈦合金牌號材料。我國研制的新型鈦合金總數達70多種，正在研制之中的600℃高溫鈦合金主要有Ti-60、Ti-600等合金，但600℃環境中長期使用的各項性能指標還有待驗證。

應用

鈦及鈦合金是質輕、高強、耐腐蝕的結構材料，在航空、航天、艦船、兵器、化工、石化、冶金、電力、輕工、制鹽、建筑、海洋工程、醫藥、體育用品和日常生活器具等領域獲得了廣泛的應用。

航空發動機是鈦合金應用最早同時也是最有應用前景的領域之一，早在19世紀70年代，鈦合金在俄羅斯航空發動機的用量就達到了金屬零部件產品的50%。近些年來，值得注意的是鈦合金在軍用飛機發動機產品中的用量呈現下降的趨勢，相反，鈦合金在大型民用發動機中的用量卻呈現上升的趨勢。

這種增加的趨勢，主要是由于燃氣渦輪發動機在大型客機上的應用比較廣泛，鈦合金生產與應用經驗的積累，以及鈦合金性能和可靠性的提高等因索。目前，在大型客機和運輸機中使用的渦輪風扇發動機是最先進的。鈦合金在新型燃氣禍輪風扇發動機上的應用，僅從減重的觀點來看，其效益是非常明顯的。近些年來，這種發動機的生產量明顯增加，并且已經顯現出進一步增加的趨勢。

相對新型燃渦輪風扇發動機來說，鈦合金對軍用發動機的用量則呈現出下降的趨勢，軍用發動機用鈦量相對減少的主要原因，既可解釋為生產的批量較小，也可以解釋為軍用飛機所希望使用的發動機是超聲速發動機一渦噴發動機， 因此，鈦的用量則相對少了一些。

鈦合金主要用于制造發動機的風扇和壓氣機的盤、葉片和隔離裝置，以及發動機進氣機匣、集氣器及其他零件。耐熱鈦合金一般可在溫度500～550℃下工作，甚至在600℃時也可正常工作，而結構鈦合金只能工作在300～350℃。

結構鈦合金比耐熱鈦合金具有更好的比強度、塑性和抗斷裂性，因此，結構鈦合金特別適合于制造大尺寸渦輪風扇的葉盤和葉片。

多種資料和數據表明，飛機發 動機用鈦合金取代鋼材料，可減輕發動機結構重量的30%～40%。減輕重量的經濟性，主要取決于結構鈦合金的用量和設計

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