600℃高溫鈦合金、阻(zu)燃鈦(tai)合金、TiAl合金、SiCf/Ti復合材料(liao)是(shi)新(xin)型的(de)高(gao)性能(neng)高(gao)溫(wen)鈦(tai)合金,與普通鈦(tai)合金材料(liao)相(xiang)比(bi),其(qi)技術(shu)成(cheng)熟度較低。針(zhen)對先進發(fa)動(dong)(dong)機的(de)服役特點(dian)和(he)設(she)計要求,特別是(shi)用(yong)(yong)(yong)于(yu)高(gao)溫(wen)環境(jing)(jing)的(de)轉動(dong)(dong)部(bu)(bu)件(jian),需開展大(da)量的(de)工程(cheng)(cheng)化應用(yong)(yong)(yong)研究(jiu),如高(gao)溫(wen)環境(jing)(jing)下蠕變-疲勞-環境(jing)(jing)交互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)、阻(zu)燃性能(neng),微織構對疲勞性能(neng)的(de)影(ying)響(xiang),表面(mian)完整性技術(shu),鍛件(jian)和(he)零件(jian)內部(bu)(bu)和(he)表面(mian)殘余應力(li)分析(xi)及其(qi)對使用(yong)(yong)(yong)性能(neng)影(ying)響(xiang),使用(yong)(yong)(yong)壽命預測及失(shi)效分析(xi)等(deng),解決工程(cheng)(cheng)化應用(yong)(yong)(yong)相(xiang)關的(de)材料(liao)設(she)計、制造加(jia)工工藝等(deng)關鍵技術(shu)。

工業鑄錠成分高(gao)純化和均(jun)勻化控(kong)制技術

TA29,TB12以(yi)及TiAl合(he)金(jin)的(de)合(he)金(jin)化復雜、合(he)金(jin)元素含量(liang)高,且塑(su)性低,這類合(he)金(jin)鑄錠的(de)制(zhi)備難度大,主要表現(xian)在:錠型(xing)擴大時因(yin)凝固熱應(ying)力(li)易出現(xian)開裂,成(cheng)分均勻性控制(zhi)難度大,容易產(chan)生(sheng)偏(pian)析。采(cai)用(yong)傳統的(de)真空自(zi)耗電(dian)極電(dian)弧爐熔(rong)煉(lian)(lian)工(gong)藝(yi)(yi),應(ying)適當增加熔(rong)煉(lian)(lian)次(ci)數,并控制(zhi)熔(rong)煉(lian)(lian)電(dian)流、提縮電(dian)流、錠型(xing)尺(chi)寸、坩(gan)堝冷(leng)卻方式等。對于(yu)TiAl合(he)金(jin),可以(yi)采(cai)用(yong)等離(li)子體(ti)冷(leng)爐床熔(rong)煉(lian)(lian)工(gong)藝(yi)(yi)生(sheng)產(chan)鑄錠。采(cai)用(yong)冷(leng)爐床熔(rong)煉(lian)(lian)工(gong)藝(yi)(yi)可以(yi)有效去除夾雜和改(gai)善成(cheng)分偏(pian)析,這對于(yu)發動(dong)機關鍵(jian)轉動(dong)件用(yong)的(de)鈦合(he)金(jin)材料(liao)顯得(de)尤為重要。我國已擁(yong)有多臺等離(li)子體(ti)冷(leng)爐床熔(rong)煉(lian)(lian)設備,具備了實驗(yan)室研(yan)究、工(gong)業化生(sheng)產(chan)的(de)能力(li)和條件。

大規格棒材(cai)和特(te)殊鍛件制(zhi)備(bei)技術

航空鍛(duan)(duan)(duan)(duan)件(jian)(jian)用(yong)(yong)的(de)(de)鈦合金(jin)(jin)原材(cai)料(liao)一(yi)般采(cai)用(yong)(yong)棒(bang)材(cai),輪盤(pan)、機匣(xia)、整體(ti)葉(xie)(xie)盤(pan)、風扇葉(xie)(xie)片(pian)等大型鍛(duan)(duan)(duan)(duan)件(jian)(jian)一(yi)般采(cai)用(yong)(yong)大規格(ge)棒(bang)材(cai),對于小(xiao)型的(de)(de)壓(ya)(ya)氣(qi)機葉(xie)(xie)片(pian)、渦輪葉(xie)(xie)片(pian)鍛(duan)(duan)(duan)(duan)件(jian)(jian),采(cai)用(yong)(yong)小(xiao)規格(ge)棒(bang)材(cai)。隨著先進發動機趨向于采(cai)用(yong)(yong)整體(ti)葉(xie)(xie)盤(pan)、整體(ti)葉(xie)(xie)環的(de)(de)結(jie)構形(xing)(xing)(xing)式,相應鍛(duan)(duan)(duan)(duan)件(jian)(jian)和棒(bang)材(cai)的(de)(de)規格(ge)尺寸加大,控制(zhi)大規格(ge)棒(bang)材(cai)的(de)(de)組織(zhi)均勻性(xing)對于保證鍛(duan)(duan)(duan)(duan)件(jian)(jian)的(de)(de)質量至關重要,需要選(xuan)擇(ze)合適的(de)(de)鍛(duan)(duan)(duan)(duan)壓(ya)(ya)設備,優化設計鍛(duan)(duan)(duan)(duan)造(zao)工(gong)藝。對于TB12和TiAl合金(jin)(jin)的(de)(de)鑄錠,因鑄態金(jin)(jin)屬的(de)(de)鍛(duan)(duan)(duan)(duan)造(zao)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)抗力大、工(gong)藝塑性(xing)低、對變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)溫度(du)敏感(gan)、容(rong)易出現鍛(duan)(duan)(duan)(duan)造(zao)開(kai)裂,鑄錠宜采(cai)用(yong)(yong)高(gao)溫擠壓(ya)(ya)開(kai)坯(pi)工(gong)藝制(zhi)備大規格(ge)棒(bang)材(cai),不僅可以(yi)提(ti)高(gao)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)的(de)(de)均勻性(xing)、保證有(you)足夠的(de)(de)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)量,還(huan)可以(yi)提(ti)高(gao)棒(bang)材(cai)的(de)(de)生產效率和批次穩定(ding)性(xing)。

鈦合(he)金(jin)(jin)的(de)顯(xian)微組織(zhi)(zhi)和(he)(he)晶體學織(zhi)(zhi)構是(shi)影響力學性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)的(de)主要(yao)(yao)因(yin)素,原因(yin)在于α相的(de)各向異性(xing)(xing)(xing)。控(kong)制鍛件顯(xian)微組織(zhi)(zhi)的(de)形態(tai)以及顯(xian)微組織(zhi)(zhi)和(he)(he)織(zhi)(zhi)構的(de)均勻性(xing)(xing)(xing),不僅可以改善平均的(de)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)水平,還可以提(ti)高零部件的(de)蠕變-疲勞交互作(zuo)用性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng),即保載疲勞性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng),減小不同批次部件的(de)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)數(shu)據分散性(xing)(xing)(xing)。對于這(zhe)些(xie)新型高溫鈦合(he)金(jin)(jin),特別是(shi)TiAl合(he)金(jin)(jin),因(yin)有序結(jie)構的(de)引入,使(shi)得織(zhi)(zhi)構問題(ti)更(geng)為復雜和(he)(he)重(zhong)要(yao)(yao),對高低周(zhou)疲勞性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)和(he)(he)保載疲勞性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)的(de)影響也更(geng)為復雜。在棒(bang)材和(he)(he)鍛件制備時要(yao)(yao)嚴格(ge)控(kong)制組織(zhi)(zhi)和(he)(he)織(zhi)(zhi)構。

整(zheng)體(ti)(ti)葉(xie)盤和整(zheng)體(ti)(ti)葉(xie)環零件(jian)機械(xie)加(jia)工技(ji)術(shu)

由于先進發動機性(xing)(xing)(xing)能水平的不斷提高,整(zheng)(zheng)體(ti)(ti)葉(xie)盤(pan)、整(zheng)(zheng)體(ti)(ti)葉(xie)環等已成為發展趨(qu)勢。整(zheng)(zheng)體(ti)(ti)葉(xie)盤(pan)葉(xie)片(pian)(pian)(pian)的結構復雜、通(tong)道開(kai)敞性(xing)(xing)(xing)差、葉(xie)片(pian)(pian)(pian)薄、彎扭大、剛性(xing)(xing)(xing)差、易變形,設計時(shi)對其(qi)幾何精度(du)水平、綜合質(zhi)量水平要(yao)求越(yue)來(lai)越(yue)高,機械加工(gong)和表(biao)(biao)面(mian)完整(zheng)(zheng)性(xing)(xing)(xing)的保證變得越(yue)來(lai)越(yue)困難[30] 。對于葉(xie)片(pian)(pian)(pian)尺寸較小的壓氣機整(zheng)(zheng)體(ti)(ti)葉(xie)盤(pan)和整(zheng)(zheng)體(ti)(ti)葉(xie)環,葉(xie)型(xing)一般采用高速數控銑削方法加工(gong),控制零件加工(gong)變形,采用振動光(guang)飾(shi)去應力(li)技術以(yi)改善零件表(biao)(biao)面(mian)殘余應力(li)分布,之(zhi)后對葉(xie)片(pian)(pian)(pian)部分型(xing)面(mian)進行修磨(mo)和磨(mo)粒流拋光(guang),葉(xie)型(xing)尺寸精度(du)高,葉(xie)型(xing)誤差小于0.1mm,葉(xie)片(pian)(pian)(pian)表(biao)(biao)面(mian)粗糙度(du)Ra達到0.2μm的水平,提高零件的表(biao)(biao)面(mian)質(zhi)量和表(biao)(biao)面(mian)完整(zheng)(zheng)性(xing)(xing)(xing)。應采用電(dian)化(hua)學方法來(lai)加工(gong)TiAl合金葉(xie)片(pian)(pian)(pian)的型(xing)面(mian)。

材料性能評價及(ji)應用設計技術

上述(shu)4類材(cai)料(liao)(liao)還處于工程(cheng)化研(yan)究和(he)(he)(he)(he)試用(yong)(yong)階段,積累的(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)(xing)能(neng)(neng)數據(ju)不充分(fen),影(ying)響了材(cai)料(liao)(liao)和(he)(he)(he)(he)部(bu)(bu)件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)設計(ji)(ji)(ji)(ji)選(xuan)材(cai)和(he)(he)(he)(he)強(qiang)度(du)計(ji)(ji)(ji)(ji)算(suan)。與普通鈦(tai)合(he)(he)(he)金相比,這(zhe)4類高溫(wen)(wen)鈦(tai)合(he)(he)(he)金材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)塑(su)性(xing)(xing)、斷(duan)裂韌度(du)、沖(chong)擊韌度(du)均更(geng)低(di),缺口敏感性(xing)(xing)大(da),裂紋尖端的(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)力(li)(li)(li)通過局部(bu)(bu)塑(su)性(xing)(xing)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)而下(xia)降的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)力(li)(li)(li)較差。特(te)別是TiAl合(he)(he)(he)金,具有相當低(di)的(de)(de)(de)(de)(de)室(shi)溫(wen)(wen)拉伸塑(su)性(xing)(xing)和(he)(he)(he)(he)抗疲勞(lao)裂紋擴(kuo)展性(xing)(xing)能(neng)(neng),但在接(jie)近(jin)700℃時(shi)會顯著改(gai)善[31] ,而且初始(shi)蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)速(su)率(lv)大(da)。根據(ju)這(zhe)類材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)特(te)點,設計(ji)(ji)(ji)(ji)并制(zhi)定科學合(he)(he)(he)理(li)的(de)(de)(de)(de)(de)技術指(zhi)標,發揮熱強(qiang)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)同時(shi),應(ying)保證有足夠(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)塑(su)性(xing)(xing),充分(fen)重視制(zhi)件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)斷(duan)裂性(xing)(xing)能(neng)(neng)。發動機(ji)設計(ji)(ji)(ji)(ji)選(xuan)材(cai)和(he)(he)(he)(he)強(qiang)度(du)計(ji)(ji)(ji)(ji)算(suan)時(shi),需要建立完整(zheng)的(de)(de)(de)(de)(de)材(cai)料(liao)(liao)設計(ji)(ji)(ji)(ji)性(xing)(xing)能(neng)(neng)數據(ju)庫。對于低(di)塑(su)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)TiAl合(he)(he)(he)金,應(ying)根據(ju)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)特(te)性(xing)(xing),確定合(he)(he)(he)理(li)的(de)(de)(de)(de)(de)部(bu)(bu)件(jian)設計(ji)(ji)(ji)(ji)和(he)(he)(he)(he)定壽(shou)方法,以及成本合(he)(he)(he)算(suan)的(de)(de)(de)(de)(de)供應(ying)鏈(lian)[32] 。合(he)(he)(he)理(li)控(kong)制(zhi)TiAl合(he)(he)(he)金制(zhi)件(jian)結構(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)設計(ji)(ji)(ji)(ji)應(ying)力(li)(li)(li)水平(ping),避免出現明顯的(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)力(li)(li)(li)集中(zhong),提高表面完整(zheng)性(xing)(xing)[31] 。科學評價這(zhe)些(xie)鈦(tai)合(he)(he)(he)金的(de)(de)(de)(de)(de)阻燃性(xing)(xing)能(neng)(neng)也(ye)至關重要。此(ci)外,無論整(zheng)體葉盤還是整(zheng)體葉環,在高溫(wen)(wen)下(xia)使用(yong)(yong)時(shi),同一(yi)個零件(jian)上存在溫(wen)(wen)度(du)梯(ti)度(du),一(yi)部(bu)(bu)分(fen)材(cai)料(liao)(liao)會約(yue)束另一(yi)部(bu)(bu)分(fen)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing),在溫(wen)(wen)度(du)梯(ti)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)作用(yong)(yong)下(xia)會引(yin)起(qi)熱應(ying)力(li)(li)(li),影(ying)響部(bu)(bu)件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)疲勞(lao)性(xing)(xing)能(neng)(neng)和(he)(he)(he)(he)使用(yong)(yong)可靠性(xing)(xing)。

超高周疲勞性能研究

實際上鈦合(he)(he)金(jin)材(cai)料(liao)不存在高周(zhou)疲(pi)(pi)勞(lao)(lao)極限。美(mei)國的(de)發(fa)(fa)動(dong)機結(jie)構完整性項(xiang)目(Engine Structural Integrity Program,ENSIP)1999版(ban)和(he)(he)2004版(ban)均要求鈦合(he)(he)金(jin)發(fa)(fa)動(dong)機零部件(jian)的(de)高周(zhou)疲(pi)(pi)勞(lao)(lao)壽命最低(di)(di)應達到109周(zhou)次[33] 。隨著作用應力(li)的(de)下降,疲(pi)(pi)勞(lao)(lao)裂(lie)紋萌生位置由表面傾向(xiang)于(yu)(yu)在內部發(fa)(fa)生[34] 。對(dui)于(yu)(yu)600℃高溫鈦合(he)(he)金(jin)整體葉(xie)(xie)盤、鈦基復(fu)合(he)(he)材(cai)料(liao)整體葉(xie)(xie)環(huan)以及TiAl合(he)(he)金(jin)葉(xie)(xie)片,因葉(xie)(xie)片的(de)疲(pi)(pi)勞(lao)(lao)性能(neng)對(dui)振(zhen)動(dong)應力(li)非(fei)常敏感,應充(chong)分研究其(qi)超(chao)高周(zhou)疲(pi)(pi)勞(lao)(lao)行為(wei)及性能(neng)。合(he)(he)理選用適當(dang)的(de)表面強(qiang)化手段,如激光(guang)沖(chong)擊強(qiang)化和(he)(he)低(di)(di)塑性拋(pao)光(guang)等,以提高葉(xie)(xie)片的(de)超(chao)高周(zhou)疲(pi)(pi)勞(lao)(lao)性能(neng),防止葉(xie)(xie)片失(shi)(shi)效(xiao)引起內物損傷和(he)(he)災(zai)難性失(shi)(shi)效(xiao)。