先進航空發動機朝著高渦輪前溫度、高推重比、長壽命和低油耗方向發展,除了先進的設計技術,發動機性能的提高強烈依賴于先進材料及制造技術的發展,發動機的關鍵件和重要件亟需耐高溫、高比強度、高比模量、抗氧化和阻燃的新材料。隨著使用溫度的升高,材料的高溫性能尤其是蠕變性能顯得越來越重要。先進材料及制造技術保障了新材料制件及新型結構的實現,使發動機的質量不斷減輕,發動機的工作效率、使用壽命、穩定性和可靠性不斷提高。鈦合金材料在發動機400℃以下低溫段的應用受到密度更小的樹脂基復合材料的競爭,而普通鈦合金材料600℃以上的蠕變、持久、組織穩定性、抗氧化等性能已無法勝任發動機的使用要求 。與鎳基高溫合金相比,600℃高溫鈦合金、Ti-Al系金屬間化合物、SiC纖維增強鈦基復合材料(SiCf/Ti)在500~850℃溫度區間的比強度、比蠕變強度和比疲勞強度方面有明顯優勢,在保持相同服役使用性能的情況下,以鈦代鎳可減重40%以上,這對提高發動機的推重比和使用性能效果顯著,這些新材料與整體葉盤、整體葉環等輕量化結構相結合,有望應用于新一代發動機高壓壓氣機和低壓渦輪部件。在Ti-Al系金屬間化合物家族中,與Ti3Al和Ti2AlNb合金相比,TiAl合金以其顯著的低密度、高比模量、高蠕變抗力、阻燃等優勢,成為發動機高溫結構應用最有潛力的材料之一。鈦火一直是影響發動機安全可靠使用的重大隱患,其發生往往是無征兆的,且在短時間內發生,來不及采取有效控制措施。發動機鈦火問題直接推動了阻燃鈦合金的研究與發展。

隨著600℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金、TiAl合金、SiCf/Ti復合材料這類新材料研究工作的不斷深入,技術成熟度得以提升,逐步積累工程化生產和應用經驗,研制的典型件在新型發動機上進行了強度考核和裝機試用,成為發動機新材料應用領域的新力軍。600℃高溫鈦合金適用于工作溫度為500~600℃的高壓壓氣機整體葉盤、機匣等;阻燃鈦合金適用于高壓壓氣機機匣、葉片等;TiAl合金適用于工作溫度在700~850℃的高壓壓氣機葉片、渦輪葉片等;SiCf/Ti鈦基復合材料適用于高壓壓氣機整體葉環。

雖然600℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金、TiAl合金、SiCf/Ti復合材料在某一項性能方面具有獨特優勢,但并非十全十美,在某些方面還存在明顯不足,如TiAl合金低的室溫塑性和韌性、較差的制造加工工藝性能以及高昂的成本等。因此,在進行選材和制定工藝時,應針對具體零部件的使用性能要求,綜合協調力學性能、工藝性能、生產成本等因素,遵循先進科學的設計準則如損傷容限設計、可靠度設計、概率壽命設計等,改進和提高材料性能,避免出現嚴重影響使用的短板,兼顧結構強度設計、材料研究和部件制造工藝技術,相互推動,促進設計、材料、應用三者的有機融合[4] 。本文綜述近年來我國在先進高溫鈦合金材料及應用技術等方面的研究進展及取得的成果,并提出材料及構件設計、加工和使用亟待突破的關鍵技術及其工程應用需要開展的研究工作。

根據在發動機上的設計使用特點,先進高溫鈦合金系列材料研究的目標始終是致力于提高長時使用溫度,即提高熱強性,同時須具有良好的熱動力學穩定性,即保證部件在設計使用壽命期內保持持續的物理和力學性能。發動機高溫段工作的盤、葉片、整體葉盤、整體葉環等轉動件,要求材料在高溫服役環境下具有足夠的蠕變抗力、高低周疲勞強度、組織穩定性及抗氧化能力,防止過量的蠕變變形和足夠高的疲勞強度是設計關鍵。此外,對于整體葉盤和整體葉環零件,控制氣動力誘發的葉片振動很重要。在400℃以下,普通鈦合金具有足夠的蠕變抗力,使用過程中一般為疲勞破壞為主的失效模式;而在400℃以上,隨著使用溫度的提高,蠕變性能愈來愈成為制約鈦合金使用性能和使用壽命的關鍵因素。同時,應考慮高溫環境下材料的蠕變與疲勞、環境的交互作用,以及過量的蠕變變形會造成葉片與機匣間的非正常摩擦引起的鈦火問題。

我國航空發動機在役和在研的主要高溫鈦合金如表1所示。隨年代的推進,高溫鈦合金的使用溫度呈不斷提高的發展趨勢,現役發動機上使用的鈦合金主要有TC4,TC11,TC17和TA11等,用于發動機風扇和壓氣機低溫段工作的葉片、盤、機匣等零件。20世紀90年代研制的550℃高溫鈦合金TA12,工程化時遇到較大的技術問題,后經成分優化,去除了稀土元素Nd,重新命名為TA32。Ti3Al基金屬間化合物合金TD2和TD3,其機匣典型件通過了強度考核試驗,尚未獲得實際工程應用。近年來,隨著先進發動機對高溫鈦合金的迫切需求,600℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金、TiAl合金和SiCf/Ti復合材料成為新型高溫鈦合金的發展重點。

表1我國航空發動機在役和在研的主要高溫鈦合金

Table1Principalhightemperaturetitaniumalloysinserviceandindevelopingforaero-engineinChina

Note:TB12and TF550are fireproof titanium alloys;TD3is a Ti3Al-based intermetallic.

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