內容導讀
高（gāo）溫鈦合金製造技術已成為（wéi）******航空發動機技術的核心與（yǔ）關鍵，近年來受到高度重視。在簡要回顧新型高溫鈦合金、阻燃鈦合金和Ti-Al係金屬間化合物合金發展（zhǎn）的基礎上，從大規格鑄錠熔煉、擠壓開坯、整體葉盤模鍛、環件軋製及零件機加工等方麵介紹這些高溫鈦合金製造技術研究所取得的重（chóng）要進（jìn）展。***後，提（tí）出我國高溫鈦合金應用研究中需要重點關注（zhù）的問題以（yǐ）及進（jìn）一步發展的建議。
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作者（zhě）/單位
作者：曹京霞，弭光寶，蔡（cài）建明（míng），高（gāo）帆，周毅，黃（huáng）旭，曹（cáo）春曉
單位：中國航（háng）發北（běi）京（jīng）航空材料研究院 ******鈦（tài）合金（jīn）航空科技（jì）重點實驗室
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通信作者簡介
弭光寶（1981—），男，高級工程師，中（zhōng）國航空發動機集團******鈦合金重（chóng）點實驗室******中青年，主要從事航空發動機用高溫鈦合金及其納米複合材（cái）料、阻燃性能試驗技術等方麵研究。2011年畢業於清華大學材料科學與工程專業獲得博士學位。負責和（hé）參與完成（chéng）******973計劃課題（tí）、******自然基金和總裝瓶頸技術等項（xiàng）目10餘項。曾獲（huò）部級科技進步二等（děng）獎、部級技術發明三等獎（jiǎng）和中國有色金屬科技論文一等獎等學術獎勵。獲授權發（fā）明專利6項；發（fā）表學術論（lùn）文40餘篇，其中SCI收錄23篇、入選中國精品科技期刊******學術論文1篇。
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基金項目
******自然科學基（jī）金項（xiàng）目（51471155）
預研基金項目（mù）
中國航發創新基金項目（2014E62149R）
******自然科學基金青年科學基金項目（51501155）
科技部（bù）國際（jì）合作項目（mù）（2014DFR50450）
在多年（nián）的（de）打拚中不斷完善，不斷改進（jìn），不斷創新，在實踐中積累了豐富的經驗與掌握了（le）特殊的加（jiā）工工藝，無論從高精密機械樣（yàng）機加工，高精密零件加工，高精密模型樣（yàng）機加工，北京cnc數控加工，北京夾具工裝加（jiā）工 ，尺寸精度（dù）還是外觀品（pǐn）質都令客（kè）戶拍手。所做產品受到諸多國內外知名企業的好評，產品遠（yuǎn）銷東南亞。
精要概覽
高溫鈦合金製（zhì）造技術研（yán）究
1.1新型高（gāo）合金化合金鑄錠製（zhì）備
真（zhēn）空自耗熔煉工藝是鈦（tài）合金鑄錠製備普遍采用的工藝（yì），其主要工序包括電極塊製備（bèi）、焊接和真空自耗2～4次熔煉。除了真空自（zì）耗電弧熔煉爐，******配套設備（bèi）的應用在鈦合金優質（zhì）鑄錠製備中也起到了關鍵作用，如自動（dòng）稱重和混布料係統、真空等離子（zǐ）焊箱等（děng）。新型600 ℃高溫（wēn）鈦（tài）合金、阻燃鈦合金和Ti-3Al合金都已實（shí）現3 t級工業（yè）鑄錠的（de）製（zhì）備（bèi），突破（pò）了高合金化鑄錠成（chéng）分均勻性控製的關鍵技術。
高合金（jīn）化是新型高溫鈦合金和Ti-Al係金屬間化合物合金的顯（xiǎn）著特點，例如：TA29、TA33鈦合金的合金化元素總量分別接近17%和16%，TD3、Ti2AlNb合金的合金化元素總量分別接（jiē）近43%和54%，且合金化元素熔（róng）點（diǎn）、密度差（chà）異均較大，因此這些新材料（liào）鑄錠製備難度顯著高於普通的TC4、TC11等鈦合金。高（gāo）熔（róng）點元素（sù）（如Ta、Nb、Mo等（děng））一般以Al-X、Ti-X或Al-X-Y三元中間合金的形式加入。對於高溫鈦合金，其原料中海綿鈦占比超過80%，海綿鈦能夠很好地將中間合金粘結，電極塊強度基本有所保障。但對於Ti3Al合金，其原料中海綿鈦占比不到（dào）60%，Ti2AlNb合金原（yuán）料中海綿鈦（tài）占比更低，電極塊強度控製問題非（fēi）常突出，工藝不恰（qià）當就會造成（chéng）電極塊開裂，或電極塊強度偏低，在搬運、焊接和熔煉（liàn）時發生掉塊，影響鑄錠成分控製。目前的（de）解決方法主要是優選中間合金和優化混布料（liào）工藝。
與高溫鈦合金不同，Ti-V-Cr係阻燃鈦合金不含Al元素，且合金（jīn）元素的質量分數超過40%，同樣存在原料中海綿鈦占比少的問題，V、Cr元素的加入方式非常關（guān）鍵。在認識阻燃合金化原理的基（jī）礎上，通過在合金元素加入方（fāng）式以及電極結構（gòu）上的創新，實現了TB12和（hé）TF550鈦合金3 t級工業鑄錠（直徑620mm）的製備，從（cóng）根本上解決（jué）了Ti-V-Cr係阻燃鈦合金工業鑄錠V、Cr元素偏析問題，對鍛件質量（liàng）提升起到了至關重要的作用。
1.2低工藝塑性合金（jīn）的擠壓開坯
擠壓變形是在三向壓應力作用下完成的，裂紋不易形成和擴展，非（fēi）常適合低工藝塑性合金鑄（zhù）錠的開（kāi）坯和棒材製造。長期以來，我（wǒ）國鈦（tài）合金擠壓技術主要應用於管材和筒（tǒng）體結（jié）構件的（de）製備（bèi），近（jìn）些年也開展（zhǎn）了鈦（tài）合金型材（cái）的擠壓製備，但擠壓（yā）技術沒有（yǒu）在鈦合金工業（yè）級鑄錠開（kāi）坯中（zhōng）應用。造成這種局麵有2方麵的原因：一方麵，國內鈦合金加工企業缺（quē）乏大型的擠壓設（shè）備（bèi）；另（lìng）一方麵，普通高溫鈦合金、高強鈦合金通過液壓機、快鍛機（jī）進行鑄錠開坯、棒材鍛造（zào）能夠滿足（zú）研製與批量生產的需求。然而，新型高溫（wēn）鈦合金及Ti-Al係金屬間化合物合（hé）金都一定程度上存在鑄造組織狀態下工藝塑性低的問題，其中，對擠壓（yā）開坯技術依賴性較強的2類材料分（fèn）別是阻燃鈦合（hé）金和變形TiAl合金，而擠壓技術的應用則為這2類合金棒材的製（zhì）備提供了一條重要（yào）的工藝途徑，尤其是大型擠（jǐ）壓設備（bèi）的建（jiàn）造，可以解決阻燃鈦合金工業（yè）鑄錠（dìng）開坯的難題。
Ti-V-Cr係阻燃鈦合金的顯著特點是鑄造組織狀態（tài）下工藝塑（sù）性非常低，基本不能實現無約束條件下（xià）自由鍛造。2009—2010年，北京航空（kōng）材料研究院與北方重工合作，在360MN擠壓機上實現了TB12和TF550鈦合金多（duō）個3 t級鑄錠的包（bāo）套擠壓開坯。擠壓開坯不僅解（jiě）決了阻燃鈦合金工業鑄錠拔長變形的難題，同時也（yě）提高了阻燃鈦合金的工藝塑性（xìng）。
1.3整體（tǐ）葉盤鍛件研製與組織性能控製
輕量化、整體化是航空發動機部件的重要發展（zhǎn）方向，******航空發動機轉動部件（jiàn）普（pǔ）遍采用了整體葉（yè）盤結構。TC4、TC17、Ti6242和600 ℃高溫鈦合金的整體葉盤研製（zhì）與應用研究均取得（dé）了（le）快速發展。高溫鈦合金整體葉盤鍛件大多采用熱模鍛或者近等（děng）溫模鍛成形，由於鍛件的（de）對稱性比較好，若單純（chún）從鍛件成形角度考慮，完整充型難度不大，但是考慮到整體葉盤服役（yì）條件下對不同部位溫度和（hé）載荷要求的差異，對於均質整體葉盤，實現關鍵性能的合理匹配（pèi）是***主要的技術難點，涉及到鍛件微觀組織類型選擇以及組織參數控製。600 ℃高溫鈦合金作為一種近（jìn）α型鈦合金，室溫拉伸塑性，特別是試樣熱暴露後的塑性（稱為熱穩定（dìng）性）與高溫蠕變性能之間的矛盾（dùn）一直是比較突出（chū）的問題，單體盤和葉片可以通過采用不同的組織類型分別控製，例如葉片采用雙態組織以（yǐ）獲得良好的熱穩定性能（néng）和高周疲勞性能；盤采（cǎi）用β鍛的網籃組織以獲得（dé）高的蠕（rú）變性能和損傷容（róng）限性能。目前，600 ℃高溫鈦合金主要采用α+β兩相區近等溫模鍛工藝製造整體葉盤鍛件，通過固溶和時效處理控製等軸（zhóu）初生α相的體積分數在10%～30%之間，控製β轉（zhuǎn）變組織中次生（shēng）α相的分布，以及更微觀尺度的α2相、矽化物相（xiàng）的析出和分布，實現整體葉盤鍛件熱穩（wěn）定性和蠕變性能的良好匹（pǐ）配。
鈦合金盤和葉片一體化製造（zào）在組織性（xìng）能控製上做了一種工藝上的妥協，為了能夠充分發揮高溫鈦合金各種微觀組（zǔ）織形態或合金***優勢的性能，近些（xiē）年嚐試開展了雙合金整體葉盤以（yǐ）及雙（shuāng）性能整體葉（yè）盤的研製工作，主要包括：①線（xiàn）性摩（mó）擦焊工藝（yì），理（lǐ）論上可以實現雙合金或是（shì）同一合金雙組織整體葉盤的連接，國內外的（de）研究工作主要集中於線性摩擦焊工藝和接頭組織性能的研究；②真空電子束焊接+近（jìn）等溫鍛造+熱處理強（qiáng）化界麵的複合工藝；③分區控溫鍛造和分區控溫熱（rè）處（chù）理工藝，理論上能夠將整（zhěng）體葉（yè）盤（pán）鍛件中葉片與盤體控製為不同的組織類型，以更（gèng）好地滿足整體葉盤不同部位實際服（fú）役條件的（de）要求。
1.4整環和半環鍛（duàn）件研製
以機匣、內環、安裝邊等為代表（biǎo）的環形件結構也是航空發動機中比較重要的結構形式，環鍛件通（tōng）常采用軋製（zhì）工藝製造，主要工（gōng）序（xù）為（wéi）棒材坯料（liào）鐓粗、衝孔、擴孔和***終（zhōng）的軋製成形。通常，坯（pī）料衝孔後得到的（de）環（huán）坯（pī）進一步擴（kuò）孔和***終的軋製成形都（dōu）是在擴（kuò）孔機上（shàng）完成的。高溫鈦（tài）合金以及Ti3Al、Ti2AlNb合金環鍛件製（zhì）備都能夠采用這種（zhǒng）工藝路線，在環鍛件製備的4個工序過程（chéng）中，坯料的（de）加熱溫度、擴孔（kǒng）和（hé）***終軋製成形的變形量控製決定了（le）環鍛件的組織類型，通過（guò）固溶、時效處理可以（yǐ）進一步調控環鍛件的微觀（guān）組織，獲得所需的力學性（xìng）能。
1.5典型零件加工技術
由於高溫鈦合金具有（yǒu）導熱差、硬度高、粘刀等特性，造成了這種材（cái）料（liào）車削、銑削和鑽削加工的難度比鋼要大很多，整體葉盤、機匣等零件（jiàn）的結構（gòu）複（fù）雜性與材料特性的耦合結果更增加了零件加工的難度。通過技術攻關（guān），在阻燃鈦合金機匣、600 ℃高溫鈦合（hé）金整體葉盤、Ti3Al合金靜子內環及（jí）TiAl合金葉片等零件的加工技術方麵取得了重要進展（zhǎn）。
未來需要重點關注的幾個問題
2.1含W元素的高溫鈦合金鑄（zhù）錠製備
從合金化的（de）角度，應重視高熔點元素的加入方式和中間（jiān）合金的質量。新型高（gāo）溫鈦合金及Ti-Al係金屬（shǔ）間化合物合金的合金（jīn）化程度較（jiào）高，且含有Nb、Ta、W等高熔點元素，高熔點夾（jiá）雜是需要嚴格控製的冶金（jīn）缺陷（xiàn），尤其對（duì）於熔點超過3 400 ℃的W元素，更應引起重視。目（mù）前國內針對航空發動機（jī）長期使用正在開展研究的含W高溫鈦合金主（zhǔ）要有TC25G和Ti65鈦合金，同時針對航天產品高溫短時應用的含W鈦合金一些專利中也有所報道，解決好W元（yuán）素的添（tiān）加問題，對於進（jìn）一（yī）步提升高溫鈦合金的熱強性能，突破600 ℃熱障（zhàng）溫度具有重要意義。
2.2高溫鈦合金鑄錠的純淨化（huà）製備
製備高純（chún）淨鈦合（hé）金鑄錠也是重要（yào）的發（fā）展方向（xiàng）。應重視高溫鈦合金中Fe、O等雜質元素含量的（de）控製問題，尤其針對整體葉盤、離心葉輪等（děng）轉（zhuǎn）動部件應（yīng）用的高溫（wēn）鈦合金材料應（yīng）嚴格控製Fe元素含量。
2.3大規格棒材組織的精細化控製（zhì）
新型高（gāo）溫鈦合金典型件製備用棒材的技術（shù）要求與鍛件的技術要求基本相當，以保證大規格棒材可（kě）以直接用（yòng）於鍛件製坯（pī），而不需要進一步改鍛。目前對鈦（tài）合金棒（bàng）材的組織（zhī）控製主（zhǔ）要是（shì）對組織類型提出要（yào）求，沒（méi）有細致到對宏觀和（hé）微觀織構的控製，往往大規（guī）格棒材中α晶團的明顯取向會遺傳到（dào）鍛件中。近α型高溫鈦合金的（de）保載疲勞（láo）敏感性與微織（zhī）構有較強的關聯，因此對於整體葉盤（pán）鍛件用高（gāo）溫鈦合金大規格（gé）棒材在製備（bèi）工（gōng）藝控製上應體現出對宏觀（guān）和微觀織構的控製措施。
2.4大規格棒材擠壓
隨著我國大型（xíng）擠壓設備（bèi）配套工裝（zhuāng）的完善和應用（yòng）技術的提（tí）升，阻燃鈦（tài）合金工業鑄錠包套擠壓開坯工藝仍有優化（huà）的空間。前（qián）期研究工作中，為配合大規格擠壓筒所采用的厚壁包套（tào）結構可以優化成（chéng）薄壁包套結構，也可嚐試無包套擠壓開（kāi）坯技術，進一步提高擠壓開坯的工藝可控性（xìng），提高擠壓棒材質量並降低擠壓成本。
2.5低殘餘應力的大型鍛件製備（bèi）技術
鍛件殘餘應力水平低，對保證大型複雜零件完整（zhěng）性加工（gōng）和變形控製非常有意義，對（duì）轉動件的（de）長壽命服役也很關鍵。在（zài）高溫鈦合金及Ti-Al係金屬間化（huà）合物合金大型鍛件製備（bèi）技術研究中，重點開展了微觀組織與力學性能的關係以及工藝控製研究，而對（duì）鍛件（jiàn）的低殘餘（yú）應力製坯和成形技術也需要給予充分重視，逐步建立和（hé）完（wán）善鍛件殘餘（yú）應力監控手段和技（jì）術。
2.6雙（shuāng）性能和雙合（hé）金整體葉盤（pán）的過渡區控製
采（cǎi）用分區控（kòng）溫熱處理或分區控溫鍛造製備雙性能整體葉盤在工藝上是能夠實現的，但具體到雙性能整體葉盤鍛件綜合性能的控製還有很多細節需要（yào）關注，例如2種組織類型的選擇，過渡區設計在哪個部位，過渡區部位的******按需控製，過渡區組織對性能的影響等。雙合金整體葉盤製造過程同樣也麵臨上述問題。
2.7Ti-Al係金屬間化合物合金（jīn）鍛件強韌化
Ti-Al係金屬間化合物合金複雜的相變過程為鍛件組織性能調控提供（gòng）了空間，需加強Ti3Al、Ti2AlNb合金大型結構件強韌化熱機械處（chù）理（lǐ）技術研究。
1/3
圖為北京航空材料（liào）研究院采用真空自耗熔煉工（gōng）藝製備的TD3鈦合金3 t鑄錠（直徑600 mm）照片及鑄錠頭、中、尾外圓周取樣的成分分析結果，可見合金元（yuán）素Al、Nb、Mo分布均比較均勻。
2/3
圖為TF550鈦合金鑄態和擠（jǐ）壓態2種初始組織狀態的熱加工圖。從圖可以（yǐ）看出，無論是鑄態組織（圖a）還是擠壓態組織(圖b），熱（rè）加（jiā）工圖中呈現的失（shī）穩區域均（jun1）分布於高應（yīng）變速率區域，並（bìng）且明顯分為2個部分。結合顯微組織和碳（tàn）化物形態分（fèn）析，可以判定1 050 ℃以上的變形失穩主要（yào）緣於碳化物溶解（jiě）帶來的（de）脆性，而1050 ℃以下的變形失穩主（zhǔ）要緣於局（jú）部塑性流動引起的劇烈剪切變形所（suǒ）導致的開（kāi）裂。與鑄態組（zǔ）織相比，擠壓態組織的局部塑性流動失穩區域明顯縮小，關鍵熱加工區域窗口擴大，有利於擠壓棒材的進一步鍛造加工（gōng）。實際鍛造中（zhōng）也發現經過擠壓開（kāi）坯後，棒材的（de）工藝塑性明顯改善，不用包套即可直接（jiē）在快鍛機上完成鐓粗和拔長變形。已去除表麵TiC層的鈦合金齒輪2個（gè）不同齒麵滲層硬度沿滲層深度（dù）的變化曲線。此時，鈦合金齒輪（lún）的齒麵（miàn）硬度大體（tǐ）被控製在7~8 GPa範圍內。
3/3
TB12阻燃鈦合金機匣屬（shǔ）於薄壁（bì）類環形件，機匣外型麵有（yǒu）帶孔的圓柱凸台（tái），為異形結構，在粗車和粗銑時（shí）需要盡（jìn）量多去餘量，提高加工效率，同時還必須保證零件足夠的剛性；TB12鈦合金的（de）機械加工性能較差，切削和銑削加工表麵（miàn）硬化現象（xiàng）比較嚴重（chóng），需要大的切削（xuē）加工力，大切削力加工（gōng）與剛性保證需求也是（shì）一對矛盾，在製定機匣零件加工工藝時這些方麵都是（shì）重點考慮的。
引（yǐn）用本文（wén）
曹京霞，弭光寶，蔡（cài）建明，等.高溫鈦合金製造技術研究（jiū）進展[J].2018,35（1）：1-8.
相關文獻
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