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            我國 TC8 鈦合金研制進展與性能評價

            發布日期:2020-11-27  瀏覽次數:118
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               王 儉  馮秋元  張永強  陳志勇  喬 璐   毛玲玲   李 巍王鼎春   高 頎    寶集團有限公司寶鈦研究院    寶雞鈦業股份有限公司寶鈦研究院    中國科學院金屬研究所
              摘要: 從實驗室研制到工業化批量生產及應用角度,闡述了 TC8 鈦合金的研制進展,詳述了材料研制突破的關鍵技術,介紹了該鈦合金在不同溫度下的拉伸、持久、蠕變、熱穩定、疲勞等力學性能和線膨脹系數、比熱等物理性能,并與俄羅斯 BT8鈦合金進行對比,綜合評價材料性能; 通過利用該合金棒材制作轉子葉片鍛件,驗證其工藝性能。結果表明,TC8 鈦合金具有優異的力學性能,其力學性能符合技術條件要求,達到甚至超過 BT8 鈦合金的性能水平,完全滿足發動機用高溫鈦合金材料需求; 該鈦合金鍛造性能良好,可采用常規的熱處理方式,切削加工性好,表現出較好的工藝性能。
              關鍵詞: 鈦合金; TC8 鈦合金; BT8; 材料性能; 力學性能
              高溫鈦合金以其優良的熱強性和高比強度,在航空、航天等領域獲得了廣泛的應用。為了滿足設計高性能航空發動機的需求,蘇聯在 20 世紀 50 年代 末 期 開 發 出 BT6 ( 國 內 牌 號 TC4 )、 BT3-1(TC6)、BT8、BT9 ( TC11) 等牌號的鈦合金[1 - 2]。為進一步提高高溫鈦合金的性能和工作壽命,20 世 紀 90 年代,俄羅斯在 BT8 鈦合金的基礎上改進研制了 BT8-1 及 BT8M-1 鈦合金[3 - 5]。我國在 20 世紀 60 年代對 BT8 鈦合金進行了實驗室仿制。進入 21 世紀,為滿足我國艦船、航空等領域對高溫鈦合金的應用需求,相 繼 開 展 了BT8[6 - 7]、BT8-1 和 BT8M-1 鈦合金的仿制,研制的TC8[8 - 9]、TC8-1[10 - 12]和 TC8M-1[13]鈦合金,在燃氣渦輪發動機和航空發動機上獲得應用。本文從材料技術角度對 TC8 鈦合金研制和應用的歷史進程進行回顧,重點介紹其研制進展,對該合金研制過程中突破的關鍵技術進行梳理,并與 BT8 鈦合金在不同溫度下的拉伸、持久、蠕變、熱穩定等力學性能及其物理性能 (包括熱膨脹系數、比熱、熱導率和熱擴散率) 進行對比評價,為合金的進一步開發和選用提供參考。
              1  研制進展
              1.1 20 世紀 60 年代初—1982 年—實驗室仿制階段我國于 20 世紀 60 年代初期對 BT8 鈦合金進行了實驗室仿制,并列入冶金部頒部標準 (YB),被命名為 TC8 鈦合金[3],合金成分與俄羅斯 1958 年的鈦合金成分相同。由于沒有需求牽引,TC8 鈦合金仿制后一直沒有規模化生產和應用,因此,1982年的國標中沒有列入該合金牌號。該時期 TC8 鈦合金的發展因缺少基礎研究、工業規模生產與應用等多個環節而處于停滯狀態。
              1.2 2003 年—2009 年—工業規模研制及艦船領域應用階段
              “十五”期間,海軍某艦艇用燃氣渦輪發動機高壓壓氣機動葉片需求 500 ℃環境工作時間 50000 h的耐熱鈦合金。動葉片不僅在高溫負荷下長期承受循環應力作用,而且經常開動與停車,要求材料熱穩定性、高溫持久性能、抗疲勞性能俱佳。鑒 于TC8 鈦合金的綜合性能能夠滿足燃氣渦輪發動機的設計要求,確保其長壽命使用,2003 年為了適應我國艦船工業發展,滿足制作長壽命某燃氣渦輪發動機高壓壓氣機八、九級動葉片的需求,受中國船舶重工集團委托,中國科學院金屬研究所和寶雞有色金屬加工廠 (現寶鈦集團) 共同承擔了耐熱鈦合金材料研究任務,制定了相關的技術條件,再次啟動了 TC8 鈦合金的研制工作。通過研究,首先確定了合金成分范圍。按照俄羅斯 OCT190013—81 標準中化學成分的要求,在實驗室熔煉了 12 種不同成分的10 kg 合金鑄錠,鍛造成直徑 Φ15 mm 的棒材,研究了合金成分上下限對其性能的影響。經過檢測和分析,結果表明,當 Al、Mo 含量處于標準要求中限或中限偏上時,該合金綜合性能較好。
              在實驗室成分研究基礎上,利用真空自耗電弧爐 (VAR) 熔煉了 2 噸級 Φ622 mm 工業規模的 TC8鈦合金鑄錠,對合金熔煉工藝進行了研究。通過對原料進行嚴格的復驗、挑選,并對熔煉過程進行嚴格控制,熔煉出成分均勻、冶金質量良好、滿足后續加工要求的 TC8 鈦合金鑄錠。利用該鑄錠,基于鈦合金加工經驗,結合 TC8 鈦合金的工藝塑性圖,確定了該合金中間坯料的熱加工工藝制度,并對Φ32 和 Φ25 mm 精鍛棒材,以及 Φ20 mm 軋制棒材的鍛造和軋制工藝 (加熱溫度、時間和變形量等)進行了研究[6 - 8],獲得了綜合力學性能較佳的合金棒材,突破了小規格 TC8 鈦合金棒材熱加工技術。通過研究不同熱處理溫度對棒材室溫拉伸性能的影響[14],得 到 TC8 鈦合金適宜的熱處理制度為:920 ~ 950 ℃ /1 ~ 4 h,AC + 570 ~ 600 ℃ /1 h,AC。
              對研制的 TC8 鈦合金小規格棒材的化學成分、高低倍組織、硬度、沖擊韌性、室溫和高溫拉伸性能、高溫持久性能、熱穩定性[10]、高周疲勞性能等進行分析、測試,結果表明,研制的棒材滿足技術條件和使用要求。先后交付了 3 個批次近 2 t 的棒材,加工、制作成渦輪發動機葉片,并進行了裝機考核。考核結果表明,研制的 TC8 鈦合金可保證燃氣渦輪發動機 50000 h 的整體壽命,滿足 500 ℃ 下3500 h 工作的性能穩定性、高溫持久能力和長時間疲勞性能要求。
              TC8 鈦合金小規格棒材工業規模試制成功,突破了 TC8 鈦合金噸級鑄錠熔煉技術、小規格棒材鍛造、軋制技術及熱處理技術,實現了替代進口和葉片用棒材的國產化,滿足了燃氣渦輪發動機的研制需求,為該合金后續的批量化生產和應用奠定了基礎。該合金也率先在艦船燃氣渦輪發動機上得到了應用。在 2007 年修訂的國家標準 GB /T 3620. 1—2007[15]中,該合金再次被新增入鈦合金牌號中。
              1.3 2009 年—至今—工業化批量生產及航空領域應用階段
              2009 年針對中國航發成都發動機有限公司某型飛機發動機高溫鈦合金材料需求,寶鈦集團有限公司承擔了航空發動機用 TC8 鈦合金棒材研制,與使用單位共同制定了該合金棒材的技術條件。針對航空發動機葉片用棒材需求,開展了 TC8 鈦合金 3 噸 級 Φ720 mm 大型鑄錠熔煉工藝研究。與前期研究相比,鑄錠錠型從 Φ622 mm 增大至 Φ720 mm。鑄錠錠型增大,合金元素偏析程度增加,成分均勻性控制難度隨之增大。通過對合金元素的揮發規律進行深入研究,調控熔煉工藝參數,熔煉出成分均勻、冶金質量優良的大型鑄錠。航空發動機除直徑小于Φ36 mm 葉片用棒材外,還有直徑 Φ50 ~ Φ100 mm螺母、安裝座、托架用棒材。在前期小規格棒材研制基礎上,通過對加熱溫度、加熱時間和變形量等加工工藝參數進行優化,突破了 TC8 鈦合金大規格棒材鍛造技術,研制出組織、性能滿足技術條件和使用要求的棒材,使其在某型航空發動機上獲得了初步應用。
              2012 年 9 月,針對某航空發動機對高溫鈦合金材料的迫切需求,由貴發所召開鈦合金材料研制協調會,在國外樣機解剖和 TC8 鈦合金研制基礎上,由材料研究、生產和應用單位組成聯合課題組,開展了 TC8 系列鈦合金 (包括 TC8、TC8-1 和 TC8M-1鈦合金) 研制[10 - 13]。金屬所承擔樣機解剖任務, 寶鈦集團承擔新材料研制任務,與使用單位 (中航工業黎明航空發動機有限公司和貴州安大航空鍛造有限責任公司分別承擔發動機葉片和壓氣機盤制作任務) 共同制定了材料的專用技術標準,確定了棒材的規格。根據高壓壓氣機轉子葉片用鈦合金材料需求,開展了 TC8 鈦合金鑄錠熔煉工藝和棒材加工工藝優化研究。
              通過深入研究,突破了 TC8 鈦合金棒材工業化批產技術。自 2012 年至 2018 年,先后熔煉 TC8 鈦合金 Φ720 mm 鑄錠近 20 個,投料量 60 余噸。經統計分析表明,TC8 鈦合金同一鑄錠縱向主元素成分極差為: Al 0. 1%、Mo 0. 1%、Si 0. 02%、O 0. 01% ,而不同鑄錠同一元素的成分極差為: Al 0. 2% 、Mo0. 3% 、Si 0. 05% 、O 0. 04% ,說明 TC8 鈦合金鑄錠的質量一致性和批次穩定性較好。
              圖 1 為 TC8 鈦合金鑄錠橫截面 13 點成分取樣分析結果。由圖 1 可知,鑄錠橫截面上主元素的成分極差為: Al 0. 1% 、Mo 0. 1% 、Si 0. 01% 。與標準GB /T 3162. 0—2007[16]中 Al、Mo 和 Si 元素的允許偏差 ± 0. 4% 、 ± 0. 3% 和 ± 0. 05% 對比可知,合金的化學成分均勻性較好。通過選擇熔點和密度與鈦相近的中間合金以及采用適當的熔煉工藝參數,可保證合金鑄錠的冶金質量。
              利用熔煉的鑄錠,研制出葉片用小規格棒材和螺母、凸臺等用大規格棒材,同時對 TC8 鈦合金的熱處理工藝進行了優化,結果表明經 920 ℃ /2 h,AC + 580 ℃ /1 h,AC 處理后,可使棒材獲得強度與塑性的最佳匹配[17]。
              中航工業黎明公司利用寶鈦集團研制的 TC8 鈦合金 Φ24 mm 棒材,加工成高壓壓氣機 4 ~ 7 級轉子葉片。經分析測試表明,葉片性能完全符合技術條件要求。TC8 鈦合金的研制經歷了實驗室仿制—停滯—工業規模研制—工業化批量生產階段。進入 21 世 紀,在航空領域尤其是在航空發動機需求牽引下,該合金的工程化應用得到快速發展。經過 10 余年的研制和生產表明,TC8 鈦合金鑄錠化學成分均勻,棒材的質量一致性和批次穩定性較好。中航工業貴發所的裝機考核和應用驗證表明,TC8 鈦合金完全能夠滿足新型航空發動機用高溫鈦合金材料要求。
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              圖 1 TC8 鈦合金鑄錠橫截面上主元素成分的極差
              2  性能評價
              2.1  力學性能
              2.1.1 拉伸性能
              TC8 鈦合金和 BT8 鈦合金不同溫度下的典型力學性能如表 1 所示,其中,Rm為抗拉強度,Rp0. 2為 延伸強度,A 為伸長率,Z 為斷后收縮率。將不同溫度下 TC8 和 BT8 鈦合金的抗拉強度和塑性性能進行對比,分別如圖 2 和圖 3 所示。由圖 2 可知: 當溫度低于 400 ℃ 時,TC8 鈦合金的抗拉強度與 BT8鈦合金的基本相當; 當溫度大于 400 ℃ 時,其抗拉強度高于 BT8 鈦合金。由圖 3 可知,TC8 鈦合金在不同溫度下的塑性性能均優于 BT8 鈦合金。
              2.1.2 持久強度和蠕變性能
              表 2 為 TC8 鈦合金和 BT8 鈦合金的持久強度和蠕變性能。由表 2 可知,TC8 鈦合金的持久強度和蠕變性能與 BT8 鈦合金基本相當[3],其中,σ100 和 σ500分別代表 100 和 500 h 的持久強度,σ0. 2 /100 和 σ0. 2 /500分別代表 100 和 500 h 的蠕變性能。
              2.1.3  熱穩定性能
              表 3 為 TC8 和 BT8 鈦合金的熱穩定性能。由表3 可知,熱暴露后 TC8 鈦合金的強度與 BT8 鈦合金相當 ,而其塑性性能則優于 BT 8 鈦 合 金 。此外 ,TC8 鈦合金熱暴露 500 h 后測得的拉伸性能與熱暴露 100 h 的較為接近,表明該合金是一種耐高溫、長壽命的鈦合金,可在高溫服役條件下長期使用。
              表 1 TC8 和 BT8 鈦合金在不同溫度下的典型力學性能


              圖 2 TC8 和 BT8 鈦合金不同溫度下的抗拉強度對比
              圖 3 TC8 和 BT8 鈦合金不同溫度下的塑性性能對比
              表 2 TC8 和 BT8 鈦合金的持久強度和蠕變性能
              2.1.4 疲勞性能
              表 4 為 TC8 和 BT8 鈦合金在不同溫度下的疲勞性能 (107周次)。由表 4 可知,在室溫和 500 ℃高溫下,TC8 鈦合金的疲勞性能均優于 BT8 鈦合金,表明合金具有較好的抗疲勞裂紋擴展能力。
              表 3 TC8 和 BT8 鈦合金的熱穩定性能
              表 4 TC8 和 BT8 鈦合金的疲勞性能
              2.2  物理性能
              表 5 為 TC8 和 BT8 鈦合金的線膨脹系數[3]。由表 5 可知,20 ~ 200 ℃ 以上時,TC8 鈦合金的線膨脹系數略高于 BT8 鈦合金。隨著溫度升高,TC8 和BT8 鈦合金的線膨脹系數均呈增大趨勢。
              表 5 TC8 和 BT8 鈦合金的線膨脹系數 α ( × 10 - 6 /℃)
              表 6 為 TC8 和 BT8 鈦合金的比熱、熱導率和熱擴散率。由表 6 中數據可知,BT8 鈦合金的比熱、熱導率和熱擴散率略高于 TC8 鈦合金。與線膨脹系數類似,隨溫度升高,合金的比熱、熱導率和熱擴散率均呈增大趨勢。
              2.3 工藝性能
              2.3.1鍛造性能對 TC8 鈦合金的等溫壓縮研究表明[18],以10 s - 1 的應變速率等溫壓縮時,在 相 變 點 以 上1030 ℃ 變形時的流變應力為 105 MPa,在相變點以下 980 ℃變形時的流變應力為 114 MPa,而在900 ℃變形時的流變應力不足 300 MPa,如圖 4 所示。由此可見: TC8 鈦合金塑性好( 室溫伸長率大于等于16% ),變形抗力小,鍛造性能好。
              表 6 TC8 和 BT8 鈦合金的比熱、熱導率和熱擴散率

              圖 4 TC8 鈦合金在 10 s - 1應變速率等溫壓縮時的應力 - 應變曲線
              通過研究 TC8 鈦合金鍛造工藝適應性以及加熱溫度、變形程度對低倍組織、顯微組織及力學性能的影響,并利用 Φ24 mm TC8 鈦合金棒材制備轉子葉片[19]。研究表明,TC8 鈦合金具有良好的鍛造性能,采用較低的鍛造加熱溫度就能夠獲得初生 α 相含量更高的等軸組織,變形程度在 40% 以下獲得的組織均勻性較好。采用擠壓制坯 + 終鍛的成形工藝,加工出表面質量良好、幾何尺寸符合設計要求的TC8 鈦合金轉子葉片鍛件,如圖 5 所示。
              選用 Tβ (β 轉變溫度) + 30 ~ 100 ℃ 和 Tβ -30 ~ 100 ℃的軋制溫度、不同變形量對 Φ30 mm TC8鈦合金棒材進行軋制工藝研究[7]。研究表明,在合金成分不變的情況下,通過控制軋制工藝參數可得到相應的內部組織,并獲得良好的機械性能。TC8鈦合金不僅可以通過鍛造加工得到 Φ50 ~ Φ100 mm的鍛 造 棒 材 ( 用 于 制 作 凸 臺、 安 裝 座、 托 架等) , 而 且可以通過軋制加工得到 Φ12 ~Φ24 mm的軋制棒材 ( 用于制作緊固件、轉子葉片等) ,表明該合金具有較好的變形加工性能和綜合性能。
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              圖 5 TC8 鈦合金葉片鍛件
             
              2.3.2  熱處理性能
              在合金成分一定的情況下,通過適當的熱處理工藝使合金得到相應的組織,是合金獲得良好性能的有效途徑之一。TC8 鈦合金屬于馬氏體 α + β 兩相鈦合金,其顯微組織主要是由熱加工和熱處理工藝決定的。通過測試 TC8 鈦合金在不同軋制溫度和熱處理工藝下 (940 ℃固溶處理 2 h,采取 3 種不同的冷卻方式,即空冷、水冷和爐冷 + 600 ℃ 時效處理 1 h,空冷) 的拉伸性能[8],研究合金在不同熱處理工藝下的顯微組織。結果表明,合金的拉伸性能主要與軋制的變形量和熱處理的冷卻速度有關,空冷處理可使合金獲得強度與塑性的較佳匹配。與水冷和爐冷處理相比,空冷處理既簡便又經濟。因 此,TC8 鈦合金可以采用常規的熱處理方式,具有較好的工藝性能。
              2.3.3  切削加工性能
              經測試,TC8 鈦合金的硬度值約為338 HBS,與工業上應用量最大的 TC4 鈦合金的硬度 (340 HBS) 相 當。TC8 鈦合金中主要含 Al、Mo 和 Si 這 3 種合金化元素,成 分 簡 單,其 [Al]eq = 7. 5,[Mo]eq =3. 3,屬于中強高塑鈦合金,其切削加工性好。采用一般的 切 削 加 工 方 法[20 - 21],選擇硬質合金刀具(一般采用 YG8)、合適的切削參數和切削液等切削條件,即可對合金進行車削、銑削、鉆削、磨削等切削加工。
              3  結語
              TC8 鈦合金的研制經歷了實驗室仿制—停滯—工業規模研制—工業化批量生產階段。該合金的研制,不僅突破了耐高溫、長壽命材料加工關鍵技術,完善了我國的高溫鈦合金體系,實現了材料的國產化,填補了國內空白,而且滿足了艦船、航空、航天等領域對高溫鈦合金的迫切需求,提高了軍用關鍵新材料的保障水平。與 BT8 鈦合金研究和應用的成熟性相比,近年來我國 TC8 鈦合金的研制和工程應用取得了長足的進步,合金的性能水平達到或優于 BT8 鈦合金,可用于制造 450 ~ 500 ℃ 下長時間工作的高壓壓氣機轉子葉片等結構件。今后將繼續開展 TC8 鈦合金長時 (2000、10000 h) 持久、蠕變(2000 h) 和斷裂性能等力學性能的測試與評價,開展該合金鑄造性能、焊接性能等的研究,進一步補充、完善合金的全面力學性能和工藝性能數據,為該合金的選用提供參考和依據。
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