船舶海洋工程用新型高溫鈦合金Ti75的發(fā)展與性能

一、高溫鈦合金

1、 高溫鈦合金的發(fā)展與應(yīng)用

上世紀(jì)四十年代，鈦首次投入工業(yè)化生產(chǎn)，經(jīng)過八十年來的發(fā)展，鈦和鈦合金成為了航空航天、化工等幾十個(gè)工業(yè)領(lǐng)域必不可少的材料。鈦是輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，是最重的輕金屬，鈦合金比強(qiáng)度高，具有優(yōu)秀的耐高低溫性能，是航空領(lǐng)域主要應(yīng)用材料之一[2]。目前，TC4鈦合金在研究和應(yīng)用中最為常見，其綜合性能達(dá)到了大部分常規(guī)應(yīng)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(xiàn)。TC4 的使用溫度在 350℃，已經(jīng)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(dá)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(dá)到 550℃~600℃的 BT18、Ti-1100 等鈦合金的出現(xiàn)，拉開了高溫鈦合金的序幕。在 550℃溫度下長時(shí)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(jì) 60 年代，美國研發(fā)團(tuán)隊(duì)在傳統(tǒng)鈦合金 Ti64 的基礎(chǔ)材料中加入一定含量的 Mo 元素，提升了 Ti64 的高溫蠕變強(qiáng)度，研制出Ti-6242 合金并成為航天器發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(qiáng)度進(jìn)一步提升，研制出 Ti-6242S，使用細(xì)化β晶粒的方法來實(shí)現(xiàn)控制針狀組織的作用，從而使得高溫性能提升。在 565℃高溫實(shí)驗(yàn)中鈦合金的強(qiáng)度、剛度和抗蠕變強(qiáng)度都能保持良好的狀態(tài)。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(nèi)氧化作用促使 REXOV 顆粒的形成，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化。通過內(nèi)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(zhuǎn)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(yōu)秀的熱穩(wěn)定性。

20 世紀(jì) 90 年代，高溫鈦合金得到了進(jìn)一步發(fā)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(fā)動(dòng)機(jī)的冷端（風(fēng)扇）轉(zhuǎn)向到發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端（渦輪）應(yīng)用，用途進(jìn)一步推進(jìn)。

英國研發(fā)的 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Si 系合金 IMI834 是世界上首個(gè)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(jìn)行元素調(diào)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(kuò)展速率較大。我國的高溫鈦合金發(fā)展事業(yè)起步較晚，Ti600 由西北有色金屬研究院在學(xué)習(xí)其他國家高溫鈦合金的基礎(chǔ)上加入我國特有的設(shè)計(jì)元素研制而出，其特有設(shè)計(jì)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(qiáng)度以及高溫抗蠕變性能顯著提升，具有良好的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，工作溫度也到達(dá)了 600℃。

近年來，不斷有新的高溫鈦合金出現(xiàn)，使用溫度不斷提升的同時(shí)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(shù)，在760℃合金強(qiáng)度不會(huì)削弱并且能進(jìn)行工作，已應(yīng)用于高壓壓氣機(jī)閘等部位[5]。德國宇航中心將高溫鈦合金和特殊材料結(jié)合，研制出SiC/IMI834復(fù)合材料，其性能比基體鈦合金IMI834得到了進(jìn)一步提升并且將使用溫度也提高至700℃，目前并未得到應(yīng)用[6]。我國高溫鈦合金事業(yè)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(fā)動(dòng)機(jī)的要求。西北有色金屬研究院也利用TiC顆粒增強(qiáng)鈦基，采用預(yù)

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

中國科學(xué)院金屬研究所研制的Ti750是在傳統(tǒng)鈦合金基礎(chǔ)上改進(jìn)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(shí)使用溫度為750℃，合金中Al元素含量較傳統(tǒng)高溫鈦合金有所提升，增強(qiáng)了合金的高溫強(qiáng)度和塑性，是我國使用溫度最高的鈦合金。一些常見的國內(nèi)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?yàn)棣料嗄芙o鈦合金帶來很好地高溫抗氧化性以及強(qiáng)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(tǒng)高溫鈦合金基礎(chǔ)上調(diào)整了元素含量，最高短時(shí)使用溫度能達(dá)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(jīng)過 1020℃的固溶強(qiáng)化以及 750℃的時(shí)效處理，其力學(xué)性能和高溫性能得到了顯著的提升。該新型合金在熱穩(wěn)定性和抗高溫蠕變強(qiáng)度上相較于傳統(tǒng)高溫鈦合金也得到了一定的優(yōu)化，因此，本文研究該新型合金的切削機(jī)理對Ti750切削加工具有重要的理論意義和實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。