內容導讀

高溫鈦合金制造技術已成為******航空發動機技術的核心與關鍵，近年來受到高度重視。在簡要回顧新型高溫鈦合金、阻燃鈦合金和Ti-Al系金屬間化合物合金發展的基礎上，從大規格鑄錠熔煉、擠壓開坯、整體葉盤模鍛、環件軋制及零件機加工等方面介紹這些高溫鈦合金制造技術研究所取得的重要進展。***后，提出我國高溫鈦合金應用研究中需要重點關注的問題以及進一步發展的建議。

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作者/單位

作者：曹京霞，弭光寶，蔡建明，高帆，周毅，黃旭，曹春曉

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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通信作者簡介

弭光寶（1981—），男，高級工程師，中國航空發動機集團******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金及其納米復合材料、阻燃性能試驗技術等方面研究。2011年畢業于清華大學材料科學與工程專業獲得博士學位。負責和參與完成******973計劃課題、******自然基金和總裝瓶頸技術等項目10余項。曾獲部級科技進步二等獎、部級技術發明三等獎和中國有色金屬科技論文一等獎等學術獎勵。獲授權發明專利6項；發表學術論文40余篇，其中SCI收錄23篇、入選中國精品科技期刊******學術論文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）

******自然科學基金青年科學基金項目（51501155）

科技部國際合作項目（2014DFR50450）

在多年的打拼中不斷完善，不斷改進，不斷創新，在實踐中積累了豐富的經驗與掌握了特殊的加工工藝，無論從高精密機械樣機加工，高精密零件加工，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。所做產品受到諸多國內外知名企業的好評，產品遠銷東南亞。

精要概覽

高溫鈦合金制造技術研究

1.1新型高合金化合金鑄錠制備

真空自耗熔煉工藝是鈦合金鑄錠制備普遍采用的工藝，其主要工序包括電極塊制備、焊接和真空自耗2～4次熔煉。除了真空自耗電弧熔煉爐，******配套設備的應用在鈦合金優質鑄錠制備中也起到了關鍵作用，如自動稱重和混布料系統、真空等離子焊箱等。新型600 ℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金和Ti-3Al合金都已實現3 t級工業鑄錠的制備，突破了高合金化鑄錠成分均勻性控制的關鍵技術。

高合金化是新型高溫鈦合金和Ti-Al系金屬間化合物合金的顯著特點，例如：TA29、TA33鈦合金的合金化元素總量分別接近17%和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、密度差異均較大，因此這些新材料鑄錠制備難度顯著高于普通的TC4、TC11等鈦合金。高熔點元素（如Ta、Nb、Mo等）一般以Al-X、Ti-X或Al-X-Y三元中間合金的形式加入。對于高溫鈦合金，其原料中海綿鈦占比超過80%，海綿鈦能夠很好地將中間合金粘結，電極塊強度基本有所保障。但對于Ti3Al合金，其原料中海綿鈦占比不到60%，Ti2AlNb合金原料中海綿鈦占比更低，電極塊強度控制問題非常突出，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，影響鑄錠成分控制。目前的解決方法主要是優選中間合金和優化混布料工藝。

與高溫鈦合金不同，Ti-V-Cr系阻燃鈦合金不含Al元素，且合金元素的質量分數超過40%，同樣存在原料中海綿鈦占比少的問題，V、Cr元素的加入方式非常關鍵。在認識阻燃合金化原理的基礎上，通過在合金元素加入方式以及電極結構上的創新，實現了TB12和TF550鈦合金3 t級工業鑄錠（直徑620mm）的制備，從根本上解決了Ti-V-Cr系阻燃鈦合金工業鑄錠V、Cr元素偏析問題，對鍛件質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金鑄錠的開坯和棒材制造。長期以來，我國鈦合金擠壓技術主要應用于管材和筒體結構件的制備，近些年也開展了鈦合金型材的擠壓制備，但擠壓技術沒有在鈦合金工業級鑄錠開坯中應用。造成這種局面有2方面的原因：一方面，國內鈦合金加工企業缺乏大型的擠壓設備；另一方面，普通高溫鈦合金、高強鈦合金通過液壓機、快鍛機進行鑄錠開坯、棒材鍛造能夠滿足研制與批量生產的需求。然而，新型高溫鈦合金及Ti-Al系金屬間化合物合金都一定程度上存在鑄造組織狀態下工藝塑性低的問題，其中，對擠壓開坯技術依賴性較強的2類材料分別是阻燃鈦合金和變形TiAl合金，而擠壓技術的應用則為這2類合金棒材的制備提供了一條重要的工藝途徑，尤其是大型擠壓設備的建造，可以解決阻燃鈦合金工業鑄錠開坯的難題。

Ti-V-Cr系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重工合作，在360MN擠壓機上實現了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鈦合金工業鑄錠拔長變形的難題，同時也提高了阻燃鈦合金的工藝塑性。

1.3整體葉盤鍛件研制與組織性能控制

輕量化、整體化是航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制與應用研究均取得了快速發展。高溫鈦合金整體葉盤鍛件大多采用熱模鍛或者近等溫模鍛成形，由于鍛件的對稱性比較好，若單純從鍛件成形角度考慮，完整充型難度不大，但是考慮到整體葉盤服役條件下對不同部位溫度和載荷要求的差異，對于均質整體葉盤，實現關鍵性能的合理匹配是***主要的技術難點，涉及到鍛件微觀組織類型選擇以及組織參數控制。600 ℃高溫鈦合金作為一種近α型鈦合金，室溫拉伸塑性，特別是試樣熱暴露后的塑性（稱為熱穩定性）與高溫蠕變性能之間的矛盾一直是比較突出的問題，單體盤和葉片可以通過采用不同的組織類型分別控制，例如葉片采用雙態組織以獲得良好的熱穩定性能和高周疲勞性能；盤采用β鍛的網籃組織以獲得高的蠕變性能和損傷容限性能。目前，600 ℃高溫鈦合金主要采用α+β兩相區近等溫模鍛工藝制造整體葉盤鍛件，通過固溶和時效處理控制等軸初生α相的體積分數在10%～30%之間，控制β轉變組織中次生α相的分布，以及更微觀尺度的α2相、硅化物相的析出和分布，實現整體葉盤鍛件熱穩定性和蠕變性能的良好匹配。

鈦合金盤和葉片一體化制造在組織性能控制上做了一種工藝上的妥協，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，近些年嘗試開展了雙合金整體葉盤以及雙性能整體葉盤的研制工作，主要包括：①線性摩擦焊工藝，理論上可以實現雙合金或是同一合金雙組織整體葉盤的連接，國內外的研究工作主要集中于線性摩擦焊工藝和接頭組織性能的研究；②真空電子束焊接+近等溫鍛造+熱處理強化界面的復合工藝；③分區控溫鍛造和分區控溫熱處理工藝，理論上能夠將整體葉盤鍛件中葉片與盤體控制為不同的組織類型，以更好地滿足整體葉盤不同部位實際服役條件的要求。

1.4整環和半環鍛件研制

以機匣、內環、安裝邊等為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，環鍛件通常采用軋制工藝制造，主要工序為棒材坯料鐓粗、沖孔、擴孔和***終的軋制成形。通常，坯料沖孔后得到的環坯進一步擴孔和***終的軋制成形都是在擴孔機上完成的。高溫鈦合金以及Ti3Al、Ti2AlNb合金環鍛件制備都能夠采用這種工藝路線，在環鍛件制備的4個工序過程中，坯料的加熱溫度、擴孔和***終軋制成形的變形量控制決定了環鍛件的組織類型，通過固溶、時效處理可以進一步調控環鍛件的微觀組織，獲得所需的力學性能。

1.5典型零件加工技術

由于高溫鈦合金具有導熱差、硬度高、粘刀等特性，造成了這種材料車削、銑削和鉆削加工的難度比鋼要大很多，整體葉盤、機匣等零件的結構復雜性與材料特性的耦合結果更增加了零件加工的難度。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面取得了重要進展。

未來需要重點關注的幾個問題

2.1含W元素的高溫鈦合金鑄錠制備

從合金化的角度，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系金屬間化合物合金的合金化程度較高，且含有Nb、Ta、W等高熔點元素，高熔點夾雜是需要嚴格控制的冶金缺陷，尤其對于熔點超過3 400 ℃的W元素，更應引起重視。目前國內針對航空發動機長期使用正在開展研究的含W高溫鈦合金主要有TC25G和Ti65鈦合金，同時針對航天產品高溫短時應用的含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，對于進一步提升高溫鈦合金的熱強性能，突破600 ℃熱障溫度具有重要意義。

2.2高溫鈦合金鑄錠的純凈化制備

制備高純凈鈦合金鑄錠也是重要的發展方向。應重視高溫鈦合金中Fe、O等雜質元素含量的控制問題，尤其針對整體葉盤、離心葉輪等轉動部件應用的高溫鈦合金材料應嚴格控制Fe元素含量。

2.3大規格棒材組織的精細化控制

新型高溫鈦合金典型件制備用棒材的技術要求與鍛件的技術要求基本相當，以保證大規格棒材可以直接用于鍛件制坯，而不需要進一步改鍛。目前對鈦合金棒材的組織控制主要是對組織類型提出要求，沒有細致到對宏觀和微觀織構的控制，往往大規格棒材中α晶團的明顯取向會遺傳到鍛件中。近α型高溫鈦合金的保載疲勞敏感性與微織構有較強的關聯，因此對于整體葉盤鍛件用高溫鈦合金大規格棒材在制備工藝控制上應體現出對宏觀和微觀織構的控制措施。

2.4大規格棒材擠壓

隨著我國大型擠壓設備配套工裝的完善和應用技術的提升，阻燃鈦合金工業鑄錠包套擠壓開坯工藝仍有優化的空間。前期研究工作中，為配合大規格擠壓筒所采用的厚壁包套結構可以優化成薄壁包套結構，也可嘗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，提高擠壓棒材質量并降低擠壓成本。

2.5低殘余應力的大型鍛件制備技術

鍛件殘余應力水平低，對保證大型復雜零件完整性加工和變形控制非常有意義，對轉動件的長壽命服役也很關鍵。在高溫鈦合金及Ti-Al系金屬間化合物合金大型鍛件制備技術研究中，重點開展了微觀組織與力學性能的關系以及工藝控制研究，而對鍛件的低殘余應力制坯和成形技術也需要給予充分重視，逐步建立和完善鍛件殘余應力監控手段和技術。

2.6雙性能和雙合金整體葉盤的過渡區控制

采用分區控溫熱處理或分區控溫鍛造制備雙性能整體葉盤在工藝上是能夠實現的，但具體到雙性能整體葉盤鍛件綜合性能的控制還有很多細節需要關注，例如2種組織類型的選擇，過渡區設計在哪個部位，過渡區部位的******按需控制，過渡區組織對性能的影響等。雙合金整體葉盤制造過程同樣也面臨上述問題。

2.7Ti-Al系金屬間化合物合金鍛件強韌化

Ti-Al系金屬間化合物合金復雜的相變過程為鍛件組織性能調控提供了空間，需加強Ti3Al、Ti2AlNb合金大型結構件強韌化熱機械處理技術研究。

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圖為北京航空材料研究院采用真空自耗熔煉工藝制備的TD3鈦合金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。

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圖為TF550鈦合金鑄態和擠壓態2種初始組織狀態的熱加工圖。從圖可以看出，無論是鑄態組織（圖a）還是擠壓態組織(圖b），熱加工圖中呈現的失穩區域均分布于高應變速率區域，并且明顯分為2個部分。結合顯微組織和碳化物形態分析，可以判定1 050 ℃以上的變形失穩主要緣于碳化物溶解帶來的脆性，而1050 ℃以下的變形失穩主要緣于局部塑性流動引起的劇烈剪切變形所導致的開裂。與鑄態組織相比，擠壓態組織的局部塑性流動失穩區域明顯縮小，關鍵熱加工區域窗口擴大，有利于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后，棒材的工藝塑性明顯改善，不用包套即可直接在快鍛機上完成鐓粗和拔長變形。已去除表面TiC層的鈦合金齒輪2個不同齒面滲層硬度沿滲層深度的變化曲線。此時，鈦合金齒輪的齒面硬度大體被控制在7~8 GPa范圍內。

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TB12阻燃鈦合金機匣屬于薄壁類環形件，機匣外型面有帶孔的圓柱凸臺，為異形結構，在粗車和粗銑時需要盡量多去余量，提高加工效率，同時還必須保證零件足夠的剛性；TB12鈦合金的機械加工性能較差，切削和銑削加工表面硬化現象比較嚴重，需要大的切削加工力，大切削力加工與剛性保證需求也是一對矛盾，在制定機匣零件加工工藝時這些方面都是重點考慮的。

引用本文

曹京霞，弭光寶，蔡建明，等.高溫鈦合金制造技術研究進展[J].2018,35（1）：1-8.

相關文獻

[1] Zhou Y, Cao J X, Huang X, et al. Effects of aging temperature on the microstructure and mechanical properties of a Ti2AlNb based alloy[J]. Materials Science Forum, 2016, 849: 368-375.

[2] 弭光寶, 黃旭, 曹京霞, 等. 摩擦點火Ti-V-Cr阻燃鈦合金燃燒產物的組織特征[J]. 物理學報, 2016, 65(5): 056103.

[3] 弭光寶, 曹春曉, 黃旭, 等. Ti-V-Cr系阻燃鈦合金的非等溫氧化行為及阻燃性能預測[J]. 材料工程, 2016, 44(1): 1-10.