耐热钛合金

耐热钛合金

在高温环境中长期工作的钛合金

耐热钛合金（high temperature titanium alloy），又称高温钛合金。在400～600℃具有较高强度的钛合金。按组织分为 α+β 型和近 α 型钛合金。典型马氏体型 α+β 钛合金有BT9，成分为Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si，使用温度500℃。实用的多数为近 α 合金，Ti-6242合金成分为Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo，使用温度540℃；IMl-834合金成分为Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si，使用温度可达600℃。主要用于制造航空发动机压气机盘和转子叶片。制造压气机盘件要求有高的抗蠕变强度，适于采用双态组织或网篮状组织。制造压气机转子叶片要求室温和高温下有高的疲劳强度，宜采用等轴组织。

中文名

耐热钛合金

外文名

high temperature titanium alloy

别名

高温钛合金

定义

在高温环境中长期工作的钛合金

分类

α、α+β、β钛合金

简介发展过程一般分类工作条件和成分应用TA说参考资料

简介

耐热钛合金（high temperature titanium alloy），以在高温环境中长期应用为目的的钛合金。它在工作温度范围内具有较高的瞬时和持久强度，较好的蠕变抗力和良好的热稳定性能。能在500℃以下长期工作的主要是高铝当量的马氏体 α+β 型耐热钛台金。它们邪含有较多的。稳定元素，铝当量都在6%以上，通过固溶强化。相获得相应的高温持久和蠕变强度；加入适当的β 稳定元素（如钼）提高瞬时强度和热稳定性。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℃以上长期工作的主要是近α 型耐热钛合金。它们既含有铝、锡、锆等多种α 稳定元素，又含有少量的钼、铌等β 同晶稳定元素，而且铝当量几乎都在7%以上。较之马氏体α+β 型耐热钛合金、近 α型耐热钛合金在500℃以上具有更高的蠕变抗力和更好的抗疲劳裂纹扩展和断裂韧度。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。所有耐热汰合金的铝当量一股都小于8%，以保证优良的热稳定性。主要用来制造气机中的盘、叶片、导向器、隔圈、进气机匣及其他零件。[1]

发展过程

耐热钛合金是适合于在较高温度下长期工作的钛合金。它在整个工作温度范围内具有较高的瞬时和持久强度。室温下有较好的塑性、较好的蠕变抗力和良好的热稳定性。在室温与高温下均有好的抗疲劳性能。主要用来制造压气机中的盘、叶片、进气机匣以及飞机结构件。已得到应用的耐热钛合金有固溶强化的α+β 型和近α 型钛合金。能在500℃以下长期工作的α+β 型耐热钛合金，它们都含有较多的α 稳定元素，铝当量都在6以上。加入适当的β 稳定元素，使合金在高温下不仅显示高的瞬时强度，而且具有足够的塑性。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℃以下长期工作的α 型耐热钛合金，它们都含有少量α 稳定元素。铝当量几乎都在7以上，在平衡状态下合金有更多的α 相，因此这些合金在500℃以上具有更高的蠕变抗力和更好的抗疲劳性和断裂韧度。由于近α 型合金具有这些优良的综合性能，而使其成为耐热合金的主要体系。典型的合金有Ti-8Al-1Mo-1V（美国Ti-811）、Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V（俄罗斯BT-20）、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo（美国Ti-6242）和Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.3Mo-0.3Si（英国IMI-829）。

发展使用温度高于500℃的耐热合金，主要是解决合金热强性与热稳定性之间的矛盾。目前国外在500～600℃使用的耐热钛合金有英国的IMI-834（Ti-6Al-4.5Sn-4Zr-1Nb-0.5Mo-0.4Si-0.02Fe），其最高使用温度可达600℃，正在进行评价的有美国的Ti-1100（Ti-6Al-2.7Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si-0.02Fe）。用于温度为600℃的耐热钛合金，是Timet公司1988年研制的近仅钛合金。

人们期望采用具有高损伤容限性能Ti3Al、TiAl为基体的金属间化合物新型耐热钛合金。Ti3Al合金室温塑性低，有代表性的合金为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]

一般分类

钛合金的分类方法有多种。按组织结构可分为α 钛合金、α+β 钛合金及 β 钛合金；按使用温度可分为飞机结构钛合金和发动机结构钛合金；按用途与特性又可分为低强度钛合金、中强度钛合金、高强度钛合金、超高强度钛合金、损伤容限型钛合金、低成本高性能钛合金等。

（1）α 型钛合金

工业纯钛以及Ti中加入α 稳定元素如Al或中性元素Sn、Zr等，而且退火后的显微组织为单一 α 相的合金称为仅型合金。这类合金通过加入 α 稳定元素固溶于 α 相中，以保证合金的热强性和组织稳定性。这类合金一般不能热处理强化，具有中低强度、良好的缺口韧性和高温蠕变性能，以及高的塑性、可焊性和热稳定性，但加工性能较差。

这类合金有工业纯钛（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。其合金牌号用TA表示，如TA1～TA28。

（2）近 α 型钛合金

在仪型合金中加入少量的 β 稳定元素（≤2%）或Mo当量≤2%，如Mn、Mo、V、Nb、Cr等，使合金的平衡显微组织中除了以 α 相为主外，尚有少量的 β 相（≤15%）。这类合金具有仅型合金的优点，同时又因 β 相而改善了加工性能，可以通过热处理达到一定的强化效果，在高温下保持较好的热强性和组织稳定性及良好的综合性能。目前热强钛合金大都属于这一类，如IMI-834、Ti-1100、BT36、Ti-6242S等。此外，由于该类合金不易发生塑脆转变，具有良好的低温性能，可在极低温度下使用，如Ti-5Al-2.5Sn。

这类合金的牌号多用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 钛合金

当钛中含有a稳定性元素和有2%～8%的B稳定元素V、Mo、Cr、Nb、Fe等（或Mo当量为2%～10%）时，平衡态的组织一般是以仅相为主并含有10%～30%β 相，这类合金即为α+β 合金，通常称为两相钛合金。当合金中β 相含量为30%～50%时，又称为富β 合金。合金中 β 相含量的增加，不仅改善了合金的加工性能，而且增加了热处理强化的效果，所以该类型钛合金具有较高的高温拉伸强度和室温拉伸塑性、较好的室温低周疲劳强度等性能，而且还具有较宽的组织可变性，可通过热处理对性能进行调整，使之既可用于低温使用环境（如Ti-6Al-4V ELI），也可用于中等温度区间，如Ti-6Al-4V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo是目前应用最广泛的该类钛合金。α+β 型合金的牌号一般用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 型钛合金

该类钛合金加入的元素主要有Mo、V、Cr等，β 钛合金有较高的强度和优良的冲压性能，可通过淬火和时效进一步强化。在时效状态下，合金的组织为 β 相中弥散分布细小的 α 相颗粒。

典型合金的牌号是TB2，其成分为Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al，适用于制造压气机叶片、轴、轮盘等重载荷零件。[3]

工作条件和成分

高温钛合金主要用于制造航空发动机的压气机部件，如盘、叶片、导向器、隔圈、进气机匣等零件，这些零件要求材料在高温工作条件下（300～600℃）具有较高的比强度、高温蠕变抗力、疲劳强度、持久强度和组织稳定性。随着航空发动机推重比的提高，高压压气机出口温度升高导致高温钛合金叶片和盘的工作温度不断升高。经过几十年的发展，固溶强化型高温钛合金最高工作温度由350℃提高到了600℃。

美国于20世纪50年代初成功研制出了世界上第一种钛合金Ti-64（Ti-6Al-4V），使用温度为300~ 350℃，随后各国相继研制出使用温度可达400℃左右的IMI-550、BT31等合金；使用温度在450℃以上的IMI-679、IMI-685、Ti-6246，Ti-6242（Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo）等合金；使用温度达550～600℃的IMI-829、IMI-834、Ti-6242S、Ti-1100、BT18Y、BT36等合金。其中，应用最广的是Ti-64和Ti-6242两种钛合金牌号材料。我国研制的新型钛合金总数达70多种，正在研制之中的600℃高温钛合金主要有Ti-60、Ti-600等合金，但600℃环境中长期使用的各项性能指标还有待验证。

应用

钛及钛合金是质轻、高强、耐腐蚀的结构材料，在航空、航天、舰船、兵器、化工、石化、冶金、电力、轻工、制盐、建筑、海洋工程、医药、体育用品和日常生活器具等领域获得了广泛的应用。

航空发动机是钛合金应用最早同时也是最有应用前景的领域之一，早在19世纪70年代，钛合金在俄罗斯航空发动机的用量就达到了金属零部件产品的50%。近些年来，值得注意的是钛合金在军用飞机发动机产品中的用量呈现下降的趋势，相反，钛合金在大型民用发动机中的用量却呈现上升的趋势。

这种增加的趋势，主要是由于燃气涡轮发动机在大型客机上的应用比较广泛，钛合金生产与应用经验的积累，以及钛合金性能和可靠性的提高等因索。目前，在大型客机和运输机中使用的涡轮风扇发动机是最先进的。钛合金在新型燃气祸轮风扇发动机上的应用，仅从减重的观点来看，其效益是非常明显的。近些年来，这种发动机的生产量明显增加，并且已经显现出进一步增加的趋势。

相对新型燃涡轮风扇发动机来说，钛合金对军用发动机的用量则呈现出下降的趋势，军用发动机用钛量相对减少的主要原因，既可解释为生产的批量较小，也可以解释为军用飞机所希望使用的发动机是超声速发动机一涡喷发动机， 因此，钛的用量则相对少了一些。

钛合金主要用于制造发动机的风扇和压气机的盘、叶片和隔离装置，以及发动机进气机匣、集气器及其他零件。耐热钛合金一般可在温度500～550℃下工作，甚至在600℃时也可正常工作，而结构钛合金只能工作在300～350℃。

结构钛合金比耐热钛合金具有更好的比强度、塑性和抗断裂性，因此，结构钛合金特别适合于制造大尺寸涡轮风扇的叶盘和叶片。

多种资料和数据表明，飞机发 动机用钛合金取代钢材料，可减轻发动机结构重量的30%～40%。减轻重量的经济性，主要取决于结构钛合金的用量和设计

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