航空发动机用先进高温钛合金材料技术研究与发展

新一代高推重比航空发动机压气机和涡轮系统高温环境使用的叶片、盘、机匣、整体叶盘和整体叶环等构件设计通常选用先进高温钛合金材料。本文综述近年来我国600℃高温钛合金、阻燃钛合金、TiAl合金、连续SiC纤维增强钛基复合材料及其应用技术取得的最新研究进展,并提出材料及构件设计、加工和使用亟待突破的关键技术,包括工业铸锭成分高纯化和均匀化控制技术、大规格棒材及特殊锻件制备技术、整体叶盘和整体叶环零件机械加工技术、材料性能评价及应用设计技术等。先进高温钛合金材料的不断应用将有力推动我国航空发动机技术发展。     

氧化石墨烯对600℃高温钛合金微观组织和力学性能的影响

采用控温搅拌混合和热等静压等方法,制备添加氧化石墨烯的600℃高温钛合金复合材料。通过金相观察、能谱和物相分析以及拉伸性能实验,研究复合材料的微观组织和力学性能。结果表明:氧化石墨烯添加量为0.3%(质量分数,下同)时,在600℃高温钛合金粉末中分布比较均匀,二者之间的作用方式主要为物理吸附;与未添加氧化石墨烯的合金相比,添加0.3%氧化石墨烯的复合材料的显微组织得到明显细化,α相的平均尺寸下降约36%,室温抗拉强度和屈服强度分别提高7.8%和10.4%,硬度提高25.6%。氧化石墨烯对600℃高温钛合金的强化机理主要为细晶强化、位错强化以及促进(TiZr) 6Si 3颗粒析出引起的第二相强化。     

航空发动机用关键钛合金部件先进设计及制造技术

钛合金具有优异的各项性能,在航空发动机的关键部件中得到了重要应用。通过介绍世界知名飞机发动机制造公司的钛合金宽弦风扇叶片设计及制造技术、钛合金整体叶盘和叶环设计及制造技术以及钛合金机匣精密成型设计及制造技术的发展现状,指出钛合金宽弦风扇及整体叶盘、整体叶环制备技术和钛合金机匣精密成型技术是我国新型高性能航空发动机开发所必需掌握的关键技术,应当尽早突破。     

焊后热处理对Ti17线性摩擦焊接头组织及力学性能的影响

目的 获得双态组织Ti17钛合金线性摩擦焊接头合适的焊后热处理(PWHT)工艺,以满足该合金在航空发动机整体叶盘线性摩擦焊工程中的应用要求.方法 选用3种热处理温度(600,620,640℃)对接头进行PWHT,利用光镜(OM)及扫描电镜(SEM)观察分析接头微观组织,利用拉伸试验机及显微硬度计测试分析接头力学性能.结...     

固溶和时效温度对7715D钛合金组织和性能的影响

研究了固溶和时效温度对7715D高温钛合金轧棒室温和600℃高温拉伸性能的影响。结果表明,低温固溶材料室温强度高,但高温强度低;低于600℃时效时材料的室温屈服强度和塑性变化不大;高于600℃时效,室温强度略有上升,高温强度降低。组织和拉伸断口分析表明,室温强度与β转变组织大小相关,高温强度受初生α相和β转变组织的相对强度影响更大。建议7715D钛合金在高的固溶温度和适当的时效温度进行热处理,推荐980℃/2 h+600℃/2 h。     

600 ℃高温钛合金发展现状与展望

钛及钛合金具有比强度高、耐腐蚀性能和低温性能好、热强度高等优点,是航空航天工业中重要的结构材料。同时,相比于铝、镁轻合金,钛合金高温性能优异,因而在航空发动机耐高温部件中也有着相当大的应用潜力。1954年,美国研发出了第一种实用型高温钛合金Ti-6Al-4V,高温长时使用温度为300～350℃,综合性能良好,在之后的很长一段时间内被广泛使用。随着航空航天工业的不断发展,尤其是航空发动机的发展,其他各国也都相继研发出了一些使用温度更高的高温钛合金,直至1984年,英国开发出了世界上第一个使用温度达600℃的高温钛合金IMI834。IMI834的典型特点是在原有的近α型高温钛合金Ti-Al-SnZr-Mo-Si体系中加入了0.06%C,扩大了两相区的加工窗口,优化了组织。在此之后,美国于1988年在原有高温钛合金Ti-6542S的基础上通过调整一些合金元素的含量也获得了一种实用温度为600℃的高温钛合金Ti1100。1992年,俄罗斯在BT18Y的基础上用5%的高熔点W代替1%Nb也开发出了一种达600℃的高温钛合金BT36。而国内高温钛合金起步相对较晚,前期以仿制为主,后逐渐形成了以添加稀土元素为特色的高温钛合金体系,典型的有中科院金属研究所和宝钛集团研发的Ti60和西北有色金属研究院自主研发的Ti600,它们的实际使用温度均为600℃,综合性能优异。总体来说,目前高温钛合金的使用温度很难突破600℃,主要是由于使用温度高于600℃时合金的热强性与热稳定性难以匹配协调,并且合金的抗氧化性急剧下降,表面氧化严重,导致合金热稳定性以及疲劳性能下降,甚至可能使航空发动机高压压气机部位的零部件存在"钛火"的风险。本文综述了国内外600℃及600℃以上的高温钛合金的发展现状。重点介绍了美国的Ti1100、英国的IMI834、俄罗斯的BT36、中国的Ti60、TG6和Ti600(600℃高温钛合金)以及中国的Ti65和Ti750(600℃以上高温钛合金)。总结了各国发展高温钛合金的思路,指出了限制高温钛合金向更高使用温度发展的瓶颈并提出了可能的解决途径。从控制α2相大小、形态、含量以及改善热加工工艺的角度对未来高温钛合金的发展进行了展望,以期为进一步提高高温钛合金的使用温度、优化高温钛合金性能提供指导。     

热处理方式对TC25钛合金棒材组织和力学性能的影响

研究了试样坯热处理和整体热处理两种热处理方式对TC25钛合金棒材组织和力学性能的影响。结果表明:经两种方式热处理后,棒材的显微组织为双态组织,即初生α相和β转变组织。试样坯热处理后的初生α相呈短棒状,而整体热处理后的α相呈椭球状。两种热处理方式对棒材的室温、高温拉伸性能影响较大。整体热处理的室温拉伸强度、高温拉伸强度比试样坯的低。     

焊接叶盘组合件加工探析

本文论述的是焊接结构整体叶盘组合件的加工方法。所介绍的零件为发动机压气机风扇三级焊接结构整体叶盘组合件。零件材料为钛合金材料,通过叶片、叶环、盘焊接而成。本文从零件精度要求、加工工艺路线介绍了叶盘整体情况,从叶铣削、车削加工中的零件装夹、程序编制、加工参数、刀具选用和切削用量等方面介绍了加工方案。     

Ti-Al-Sn-Zr-W-Si高温钛合金的蠕变性能

为大幅度拓展Ti-Al-Sn-Zr-W-Si高温钛合金的工程应用,优化了Ti-Al-Sn-Zr-W-Si高温钛合金的热处理工艺,研究了该钛合金的蠕变性能,并采用扫描电子显微镜观察了蠕变实验前后合金的微观组织特征及断口形貌。研究表明,经合理热处理工艺后,该合金在550和600℃均体现出优异的蠕变性能。蠕变实验后,合金的微观组织发生了明显的变化:在颈缩区呈明显的纤维状,而在均匀塑性变形区,由于回复再结晶,合金的显微组织呈现细小的晶粒。     

熔体过热处理技术及其在镍基高温合金中的应用研究进展

镍基高温合金是先进航空发动机高温叶片不可或缺的关键核心材料,目前通过合金化来提高其承温能力已趋于极限。研究表明,材料熔体结构对合金凝固过程、凝固组织、性能以及成形质量具有重要的影响。熔体结构的变化能够直接导致熔体特性发生改变,进而对性能产生影响,然而在实际合金的制备过程中,熔体结构的作用通常被忽略。熔体过热处理技术通过利用合金熔体的遗传效应,将高温熔体的结构保留到低温熔体,从而大幅提高合金性能。系统介绍了熔体过热的原理、主要处理技术以及如何通过X射线衍射和物性参数测量来确定熔体过热处理参数,重点介绍了熔体过热处理技术在优化高温合金凝固组织和提升性能方面的应用,最后提出了熔体过热处理技术发展的方向和面临的挑战。     

高温钛合金中杂质元素Fe的扩散行为及其对蠕变抗力的损害作用

高温钛合金是先进航空发动机压气机应用的理想材料,代替钢或镍基高温合金,可以显著提高发动机的推重比和服役性能.随着钛合金使用温度的提高,高温蠕变抗力越来越成为影响其使用温度和使用寿命最关键的力学性能.在400～600℃的温度范围内,钛合金的蠕变变形一般受位错攀移机制所控制,蠕变激活能近似等于有效扩散激活能,因此,扩散是影响钛合金高温蠕变抗力的最主要因素.杂质元素Fe在钛合金中具有反常大的扩散能力,是Ti自扩散系数的103～105倍,在Ti中的扩散可能受离解扩散机制所控制.钛合金中的微量Fe同时会显著促进Ti的自扩散,提高位错攀移速率,从而降低蠕变抗力.为了改善高温钛合金的蠕变性能,需要严格控制原材料如海绵钛和中间合金中杂质Fe的含量.     

IMI公司的几种高温钛合金

英国IMI钛有限公司研制高温钛合金已有30余年历史,发展了一系列有专利权的高温钛合金应用于航空燃气涡轮发动机,其工作温度分别达到300～600℃。该公司最早重视添加硅对提高高温性能的有利影响,导致发展了α+β和β热处理状态的近α合金。IMI公司面临的挑战是进一步提高钛合金的最高工作温度,实现满意的拉伸、疲劳和蠕变强度,并结合发展可焊性,可加工性,金相稳定性和抗氧化腐蚀性。     

钛合金搅拌摩擦焊研究现状

搅拌摩擦焊是目前钛合金焊接技术研究的热点.从搅拌头材料与结构设计、焊接工艺与组织性能关系、焊接过程数值仿真等方面综述了钛合金搅拌摩擦焊国内外研究现状.以现有的研究结果来看,搅拌摩擦焊是实现钛合金高强可靠连接的有效途径,选择合适的焊接参数和焊后热处理工艺可获得高质量钛合金焊接接头;但由于对钛合金用高温高强高耐磨搅拌头研制...     

某航空发动机整体叶盘耦合振动特性分析

通过建立某航空发动机整体叶盘的三维实体模型,对整体叶盘结构的耦合振动特性进行了固有模态特性分析。根据有限元软件ANSYS的计算结果,绘制了叶片共振转速Campbell图,分析了整体叶盘结构模态振动的基本特性,得到了整体叶盘节径-频率图,分析的结果为进一步研究整体叶盘的结构设计优化和避免共振提供了依据。     

一种整体叶盘加工预变形控制方法

为解决钛合金整体叶盘薄壁弯扭跨音速叶片叶型制造过程中存在的加工变形大、铣削稳定性差等问题,本文提出了一种整体叶盘加工预变形控制方法。采用叶型三维检测技术获取叶型位置度和扭转角,利用叶型铣削变形误差反向补偿方法控制叶片弯曲及扭转变形。在整体叶盘上进行了实验验证,结果表明该方法可有效提高叶型加工精度和成品合格率,具有技术借鉴价值。     

热处理制度对TC17钛合金线性摩擦焊接头组织及力学性能的影响

本工作针对航空发动机整体叶盘常用材料TC17钛合金进行线性摩擦焊试验研究,主要通过OM、SEM、显微硬度和常温拉伸试验方法对不同热处理状态下接头组织的形貌和力学性能进行分析.研究发现,由于焊接过程中复杂的热力耦合作用,接头组织形成了典型的焊缝区、热机影响区和热影响区,且焊接接头性能显著降低;而经过焊后热处理,由于亚稳定β相和亚稳定α相分解,析出弥散分布的针状α相使接头性能大幅提高,常温拉伸都断于母材处;并且弥散分布的针状α相的强化效果与热处理温度密切相关,通过合理热处理制度可以实现TC17线性摩擦焊接头强度和塑性的合理匹配,提高接头的综合性能.     

GH4720Li合金中析出相的研究进展

GH4720Li高温合金因其具有良好的高温强度、抗疲劳和抗腐蚀性能以及长期组织稳定性,被广泛应用于高性能航空发动机涡轮盘等转动部件。本文归纳了GH4720Li高温合金中γ′相的作用机理和演变规律,并分析了γ′相与高温性能之间的关联性和γ′相与残余应力的交互影响规律。此外,还综述了GH4720Li高温合金的改型研究进展,展望了未来分区控冷技术和双组织双性能盘制备技术在高温合金中的应用。     

钛合金功能梯度构件渐变组织主动调控的新思路

为主动调控高温钛合金大型功能梯度构件的渐变组织,提出了局部控温局部加载成形的新思路。基于实现组织的渐变过渡以避免不同组织之间的"弱连接"这一难题,在钛合金功能梯度构件的成形制造过程中,通过对钛合金组织-性能关系与其功能梯度构件成形方法的国内外的研究现状进行分析,拟协同控制温度梯度分布和材料的定向流动,在保证高性能、低成本制造的基础上,实现高温钛合金大型功能梯度构件的柔性成形。     

GH4720Li合金中析出相的研究进展EI北大核心CSCD

GH4720Li高温合金因其具有良好的高温强度、抗疲劳和抗腐蚀性能以及长期组织稳定性,被广泛应用于高性能航空发动机涡轮盘等转动部件。本文归纳了GH4720Li高温合金中γ'相的作用机理和演变规律,并分析了γ'相与高温性能之间的关联性和γ'相与残余应力的交互影响规律。此外,还综述了GH4720Li高温合金的改型研究进展,展望了未来分区控冷技术和双组织双性能盘制备技术在高温合金中的应用。     

热处理制度对TC4钛合金风扇盘组织和性能的影响研究

随着国产大飞机及其发动机的自主研制,TC4钛合金被用来制造发动机风扇盘,该风扇盘锻件尺寸大、结构复杂,且为工作时承受很大载荷的转动件,对TC4钛合金锻件综合力学性能要求苛刻。为提高风扇盘锻件的组织与力学性能水平,需要对其热处理工艺进行系统的研究。研究了不同热处理制度对TC4钛合金风扇盘锻件组织和性能的影响。采用光学显微镜分析了锻件的显微组织,测试了锻件的拉伸性能、断裂韧度和应变控制的低周疲劳性能等力学性能。试验结果表明:与普通退火相比,固溶时效处理后具有更好的组织均匀性和综合力学性能;固溶温度升高,室温、400℃拉伸强度增加,但室温应变控制的低周疲劳性能和断裂韧度稍微有所降低;固溶后的冷却速率增加,室温、400℃拉伸强度增加,室温应变控制的低周疲劳性能和断裂韧度稍微降低;TC4钛合金风扇盘锻件最佳的热处理制度为T_β-(40~60)℃/2 h,WQ+700℃/2 h,AC。