內容導讀
高溫鈦合金製造技術已成為******航（háng）空發動機技（jì）術（shù）的核心與關鍵，近年來受到高度重視。在簡要回顧新型（xíng）高溫鈦合金、阻燃鈦合金和Ti-Al係金屬間化合物合金發展的基礎上，從大規格鑄錠熔（róng）煉、擠壓開坯、整體（tǐ）葉盤模鍛、環件軋（zhá）製及零件機加工等方麵介紹這些高溫鈦（tài）合（hé）金製造技術研（yán）究所取得的重要進展。***後，提出（chū）我國高溫鈦合金應用研究中需要（yào）重點關注的問題以及進一步發展的建議（yì）。
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作者/單位
作者：曹京霞（xiá），弭光寶（bǎo），蔡建明，高（gāo）帆，周毅，黃旭，曹春曉（xiǎo）
單位：中國航發北京航空材料研究院 ******鈦合金航空科技重點實驗室
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通信作者簡（jiǎn）介
弭光寶（1981—），男，高級工（gōng）程師，中國航空發動機（jī）集團******鈦合金重點實驗室******中青年，主要從事航空發動機用高溫鈦合（hé）金及其納米複合材料（liào）、阻燃性能試驗技術等方麵研究。2011年畢業於（yú）清華大學材料（liào）科學與工程專業獲得博士學位。負責和參（cān）與完成******973計劃課題、******自然基金和總裝瓶頸技術等項（xiàng）目（mù）10餘項。曾獲部級科技進步二（èr）等獎、部級技（jì）術發明三等獎和中國有色金屬科技論文一等（děng）獎等學術獎勵。獲授權發明專利6項；發（fā）表學術論文40餘篇，其中SCI收（shōu）錄23篇、入選中國精品科技期刊******學術論（lùn）文1篇。
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基金項目
******自然科學基金項目（51471155）
預研基金項目
中國航發創新基金項目（2014E62149R）
******自然科（kē）學基金青年科學基（jī）金項目（51501155）
科技部國際合作項目（2014DFR50450）
在多年（nián）的打拚中不斷完善，不斷改（gǎi）進，不斷創（chuàng）新，在實踐中積累了豐（fēng）富的經驗與掌握了特（tè）殊的加工工藝，無論從高（gāo）精密機械樣機加工，高精密（mì）零件加工，高精密模型樣機加工，北京cnc數控加工，北京夾具工裝加工 ，尺寸精度還是外觀品質都令客戶拍手。所做產品受（shòu）到諸多國內外知名企（qǐ）業的好評，產品遠銷東南亞。
精要概覽
高溫鈦合金製造技術研（yán）究
1.1新型高合金化合金鑄錠製備
真（zhēn）空自耗熔煉工藝是鈦合金鑄錠製備普遍采用的工藝，其（qí）主（zhǔ）要工序包括電（diàn）極塊製備（bèi）、焊（hàn）接和真（zhēn）空自耗2～4次熔（róng）煉。除了真空自耗電弧熔煉爐，******配套設（shè）備的應用（yòng）在鈦合金（jīn）優質鑄錠製備中也（yě）起到了關（guān）鍵作用，如自動稱重和混布料係統、真空（kōng）等離子（zǐ）焊箱等。新型600 ℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金和Ti-3Al合金都已實現3 t級工業鑄錠的製備（bèi），突（tū）破（pò）了高（gāo）合金化鑄錠成分（fèn）均勻性控製的關鍵技術。
高合金化是新型（xíng）高溫鈦合金和Ti-Al係金（jīn）屬間化合物合金的（de）顯著特點，例如：TA29、TA33鈦合金的合金化元素總量分別（bié）接近17%和（hé）16%，TD3、Ti2AlNb合金的合金化元素總量分別接近43%和54%，且合金化元素熔點（diǎn）、密度差異均較大（dà），因此這些新材（cái）料鑄錠製備難度顯著（zhe）高於普通的TC4、TC11等鈦合金。高熔點元素（如Ta、Nb、Mo等）一（yī）般以Al-X、Ti-X或Al-X-Y三元中間合金的（de）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（hé）金粘（zhān）結，電（diàn）極（jí）塊強度基本有所保障。但對於Ti3Al合金，其（qí）原料中海綿鈦占比不到60%，Ti2AlNb合金原料中海綿鈦占比更低，電極（jí）塊強度控製問題非常突出，工藝不恰當就會造成電極塊開裂，或電極塊強度偏低，在搬運、焊接和熔煉時發生掉塊（kuài），影響鑄錠成（chéng）分控（kòng）製。目前（qián）的解決方（fāng）法主要是優選中間合金和優化混布料工藝。
與高溫（wēn）鈦合金不（bú）同，Ti-V-Cr係阻燃鈦合金不含Al元素，且合金元素的質（zhì）量分數超過40%，同樣存在原料中海綿鈦占比少的問（wèn）題，V、Cr元素的加入方（fāng）式非常關（guān）鍵。在認識阻燃合金化原理的基礎上，通過在合金（jīn）元素加入方式以及（jí）電極結構（gòu）上的（de）創新，實現了TB12和TF550鈦合金3 t級工業鑄錠（直徑620mm）的製備，從根本上解決（jué）了（le）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（zhì）量提升起到了至關重要的作用。
1.2低工藝塑性合金的擠壓開坯
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，非常適合低工藝塑性合（hé）金鑄錠的開坯和棒（bàng）材製造。長期以來，我國鈦合金（jīn）擠壓技術主要應用於管材和筒體結構件的製備，近些年也開展了（le）鈦合（hé）金型材的（de）擠（jǐ）壓製備，但擠（jǐ）壓技術沒有在鈦合金工業級鑄錠開坯中應用。造成這種局麵有2方麵的原因：一方麵，國內（nèi）鈦合金加（jiā）工企業缺乏大型的擠壓設備；另一方麵（miàn），普通高溫鈦合金、高強鈦（tài）合金通過液壓機（jī）、快（kuài）鍛機進行鑄錠（dìng）開坯、棒材鍛造能夠（gòu）滿足研製與批量生產的需求。然而，新型高溫鈦合金及Ti-Al係金屬間化合物合金都一定程度上存（cún）在鑄造組織（zhī）狀態下工藝塑性低的（de）問（wèn）題，其中，對擠壓（yā）開坯（pī）技術依賴性較（jiào）強的（de）2類材料分別是阻燃鈦合（hé）金和變形TiAl合金，而擠壓技術的（de）應用則為這2類合金（jīn）棒材的（de）製（zhì）備提供了一條（tiáo）重要的工藝途（tú）徑，尤其是大型擠壓設備的建造，可以（yǐ）解決阻（zǔ）燃（rán）鈦合金工業鑄錠（dìng）開坯的難（nán）題。
Ti-V-Cr係阻燃鈦合金的顯著特點是鑄造組織狀態下工藝塑性非常低，基本不（bú）能實現無約束條件下自由鍛造。2009—2010年，北京航空材料研究院與北方（fāng）重工合作，在360MN擠壓機上實現了（le）TB12和TF550鈦合金多個3 t級鑄錠的包套擠壓開坯。擠壓開坯不僅解決了阻燃（rán）鈦合金工業鑄（zhù）錠拔長變形的難題，同時也提高了阻燃鈦合金的工藝塑性。
1.3整體葉盤鍛（duàn）件研製與組織性能控製
輕量化、整體化是航（háng）空發動機部件的重要發展方向，******航空發動機轉動部件普遍采用了整體葉盤結構。TC4、TC17、Ti6242和600 ℃高溫鈦合金的整體葉盤研製與應用（yòng）研究均取得了快速發展。高溫鈦合金整體葉（yè）盤（pán）鍛件（jiàn）大多采用熱模鍛或者近等溫模鍛成形，由於鍛件的對稱性比較（jiào）好，若單純從鍛件成形角度考慮，完整充型（xíng）難度不大，但是考慮（lǜ）到整體葉盤服役條件下對不同部位溫度和載荷要求的差（chà）異，對於均質整體（tǐ）葉盤，實現關鍵性能的（de）合理匹配是***主要的技術難點，涉（shè）及到鍛件（jiàn）微觀組織（zhī）類（lèi）型選擇以及組織參數控製。600 ℃高溫鈦合金作為一種近α型鈦合金，室溫拉伸塑性，特別是試樣熱暴露後的塑性（稱為熱穩定性）與高溫蠕變性（xìng）能之間的矛盾一直（zhí）是比較突出的問題，單體盤和葉片可以通過（guò）采用不同的組織類型分別控製，例如葉片采用雙態組織以獲得良好的熱（rè）穩定性能和（hé）高周疲勞性能；盤采用β鍛的網籃（lán）組織以獲得高的蠕變性能和損傷（shāng）容限性能。目前，600 ℃高（gāo）溫鈦合金主要采用α+β兩相區近等溫模（mó）鍛工藝製造整體葉盤鍛件，通（tōng）過固溶和時效處理（lǐ）控（kòng）製（zhì）等軸初生α相的體（tǐ）積分數在10%～30%之間，控製β轉變組織中次生α相的分布，以及更微觀尺度的α2相、矽化物相的析（xī）出和分布，實現整體葉盤鍛件（jiàn）熱穩定性和蠕變性能的良好匹配。
鈦合金盤和葉片一體化製造在組織性能控製上（shàng）做了一種（zhǒng）工（gōng）藝上的妥協（xié），為了能夠充分發揮高溫鈦合金各種微觀組織形態或合金***優勢的性能，近些年嚐試開展了雙（shuāng）合金整體葉盤以及雙性能整體葉盤的研製工作，主（zhǔ）要包（bāo）括：①線性摩擦焊工藝，理論上可以實現雙合金或是同（tóng）一合金雙組織整體葉盤（pán）的（de）連接，國內外的研（yán）究工作（zuò）主要集中於線性摩擦焊工藝和（hé）接頭組織性能的研究；②真空電子束焊接+近等溫鍛造+熱處理強化界麵的複合工藝；③分區控溫鍛造和分區控溫熱（rè）處理工（gōng）藝，理論上能夠將（jiāng）整體葉盤鍛件中葉片與盤體控製（zhì）為不同的組織類（lèi）型（xíng），以更好地滿足（zú）整體葉盤不同部位實際服役條件的要求。
1.4整環和半（bàn）環鍛件研製
以機匣、內環、安裝邊等為（wéi）代表的環形件結構也是航空發動機中比較重要的結構形式，環（huán）鍛件通常采用軋製（zhì）工藝製造，主要工序（xù）為（wéi）棒材（cái）坯料（liào）鐓粗、衝孔（kǒng）、擴孔和***終的軋製成形。通（tōng）常，坯料衝孔後得到（dào）的環坯進一步擴孔和（hé）***終的（de）軋製成形都是在擴孔機上（shàng）完成的。高溫鈦合金以及Ti3Al、Ti2AlNb合（hé）金環鍛件製備都能夠（gòu）采用這種工藝路線，在環鍛件製備的4個（gè）工序過程中，坯料的加熱（rè）溫度、擴孔和***終軋製成形（xíng）的（de）變形量控製決定（dìng）了環鍛（duàn）件的組織類型，通過固溶、時效處理可以（yǐ）進一步調控環（huán）鍛件的微觀（guān）組織（zhī），獲得所需的力（lì）學性能。
1.5典型零件加工技術
由於高溫鈦（tài）合金具有導熱（rè）差、硬度高、粘刀等特性（xìng），造成了這種材（cái）料（liào）車（chē）削、銑削和鑽削加工的難度比鋼要大很多，整體（tǐ）葉盤、機匣等零件的結構複雜性與材（cái）料特性的耦合結果更增加了（le）零件加工的（de）難度。通過技術攻關，在阻燃鈦合金機匣、600 ℃高溫鈦合金整體葉盤、Ti3Al合金靜子內環及TiAl合金葉片等零件的加工技術方麵取得了重要進展。
未來（lái）需要（yào）重點關（guān）注的（de）幾（jǐ）個問（wèn）題
2.1含（hán）W元素的高溫鈦合金鑄錠製備（bèi）
從合（hé）金化的角度，應重視高熔點元素的加入方式和中間合金的質量。新型高溫鈦合金及Ti-Al係金屬間（jiān）化合物合金的（de）合金化（huà）程度較高，且含有Nb、Ta、W等高熔點元素，高（gāo）熔點夾（jiá）雜是需要嚴格控製的冶金缺陷，尤其對於熔點超過3 400 ℃的W元素（sù），更（gèng）應引起重視。目前國內針對（duì）航空發動機長（zhǎng）期使用（yòng）正在（zài）開展研究的含W高溫鈦合金（jīn）主（zhǔ）要有TC25G和Ti65鈦合（hé）金，同時針對航天產品高溫短時應用的含（hán）W鈦合金一些專利中也有所報道，解決好W元素的添加問題，對於進一步提升高溫鈦合金的熱（rè）強性（xìng）能（néng），突（tū）破600 ℃熱（rè）障溫（wēn）度具有重要意義。
2.2高溫鈦合金（jīn）鑄錠的純淨化製（zhì）備
製備高純淨鈦合金鑄錠也是重要的（de）發（fā）展方向。應重（chóng）視高溫鈦合金（jīn）中Fe、O等雜質元素含量的控製問（wèn）題，尤其針對整體葉盤、離心葉（yè）輪等轉動部件應用的高溫（wēn）鈦合金材料應嚴格控製Fe元素含量。
2.3大規格棒材組織的精細化控製
新型高溫鈦合金典型件製備用（yòng）棒材的技術要求與鍛件的技術要求基本相當（dāng），以保證（zhèng）大規（guī）格棒材可以直接用於鍛件製坯，而不（bú）需要進一（yī）步改鍛。目前對鈦合金棒材的組織控製主要是對（duì）組織類型提出要求，沒有（yǒu）細致到對宏觀和微觀織構的控製，往往大規格棒材中α晶團的明顯取向會遺傳（chuán）到鍛件中。近α型高（gāo）溫鈦（tài）合金的保（bǎo）載疲勞敏感性與微織構有（yǒu）較強的關聯，因此對於整體葉盤鍛件用高溫鈦合金大規格棒材在（zài）製備工藝控製上（shàng）應體現出對宏觀（guān）和微觀織構的控製措施（shī）。
2.4大（dà）規格棒材擠壓
隨著（zhe）我國大型擠壓設備配套（tào）工裝的完善和應（yīng）用技術的提升，阻燃鈦合金工業鑄錠包套擠壓開坯工藝仍有優化的空間（jiān）。前期研究工作中，為配合大規格擠壓筒所（suǒ）采用的厚壁包套結構可以優化成薄壁包套結構（gòu），也可嚐試無包套擠壓開坯技術，進一步提高擠壓開坯的工藝可控性，提高擠壓棒材質（zhì）量並降低擠壓成本。
2.5低殘餘應力的大型鍛件製備技術
鍛（duàn）件殘餘應力（lì）水平低，對保證大型複雜零件完整性加工和變形控製非常有意義，對（duì）轉動件的長壽命（mìng）服役也很關鍵。在高溫鈦合金及Ti-Al係（xì）金屬間化合物（wù）合金大型鍛件製備技術研究中，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（jiū），而（ér）對鍛件的低殘餘應力製坯和成形技術也需要給予充分重視，逐步建立和完善（shàn）鍛件殘餘應力監控手段和技術。
2.6雙性能和雙合金整體（tǐ）葉盤（pán）的（de）過（guò）渡（dù）區控製（zhì）
采用分區控溫（wēn）熱處理或（huò）分（fèn）區控溫鍛造（zào）製備雙性能整體葉盤在工（gōng）藝上（shàng）是能夠實現的，但具（jù）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關注，例如2種組（zǔ）織類型的選擇，過渡區設計在哪個部位，過渡區部（bù）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（tí）。
2.7Ti-Al係金屬間（jiān）化合物合金鍛件強韌化
Ti-Al係金（jīn）屬間化合（hé）物合金複雜的相變過程為鍛（duàn）件組織性能調控提供了空（kōng）間，需加強Ti3Al、Ti2AlNb合金大型結（jié）構件強韌化熱機械處理技術（shù）研究。
1/3
圖為北京航空材料研究院采用真空（kōng）自耗熔煉工藝製備的TD3鈦合（hé）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，可見合金元素Al、Nb、Mo分布均比較均勻（yún）。
2/3
圖（tú）為TF550鈦合金鑄態和擠壓（yā）態2種（zhǒng）初始組織狀態的（de）熱加工（gōng）圖。從圖可以看出，無論是鑄態組織（zhī）（圖a）還是擠（jǐ）壓態組織(圖（tú）b），熱加工（gōng）圖中呈（chéng）現的失穩區域均分布於（yú）高應變速率區域（yù），並且明顯分（fèn）為2個部分。結合顯微組織和碳化物形（xíng）態分析，可以判定1 050 ℃以上的變（biàn）形失穩主要緣於碳化物溶（róng）解帶來的脆性（xìng），而1050 ℃以下的變形失穩主要緣於局部塑性流動引起的劇烈剪切變形所導致的開裂。與（yǔ）鑄態組織相（xiàng）比，擠壓（yā）態組織的局部塑（sù）性流動失穩區域明顯（xiǎn）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。實際鍛造中也發現經過擠壓開坯後，棒材（cái）的工藝（yì）塑性明（míng）顯改善，不（bú）用包套即可直接（jiē）在快鍛機（jī）上完成鐓粗和拔長變形。已去除表麵TiC層的鈦合（hé）金齒輪2個不同齒麵滲（shèn）層硬度沿滲（shèn）層深度的變化曲線。此時，鈦合金齒（chǐ）輪的齒麵硬度大體被控製在7~8 GPa範圍內（nèi）。
3/3
TB12阻燃鈦合金機匣屬於薄壁類環形件，機匣外型麵有帶（dài）孔的圓柱凸台，為異形（xíng）結構，在粗車和粗銑時需要盡量多去餘量，提高加工效率，同時還必（bì）須保證零（líng）件足夠的（de）剛性；TB12鈦（tài）合金的機械加工（gōng）性能較差，切削和銑削加工表麵硬（yìng）化現象（xiàng）比較嚴重，需要（yào）大的切削加工力，大（dà）切削力加工（gōng）與剛性保證需求也是一對矛盾，在製定機匣零件加工工藝時這些方麵都是重點考慮的。
引用本文（wén）
曹京霞，弭（mǐ）光寶，蔡建明，等.高溫鈦合金製造技術研究進展[J].2018,35（1）：1-8.
相關文獻
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