1、高温钛合金概况

国内表高温钛合金的钻研一向极为活跃，极为沉要，但其发展过程却极为艰苦，这重要是由于高温钛合金重要用于飞机发起机的压气盘、叶片和机匣等[1]。因发起机对高温钛合金的要求刻薄：它要求资料拥有优良的室温机能、高温强度、蠕变机能、热不变性、委顿机能和断裂韧性等的匹配，而这些机能对资料的成分和组织的要求是矛盾的，典型高温钛合金的机能特点如表1 所示。

目前已成功地利用在军用和民用飞机发起机中的新型高温钛合金有：英国的IMI829、IMI834合金，美国的Ti1100 合金，俄罗斯的BT18Y、BT36合金等，使用温度达550～600℃。国表在传统高温钛合金的基础上仍在进行深入钻研。我国研造出了Ti55、Ti633G、Ti53311S、Ti-65Nd、Ti60、7715D 及Ti600 等7 种高温钛合金，比美、英、俄三国的总和还多两个。表2 为部门国度高温钛合金的使用温度及化学成分。但我国研造的高温钛合金在航空上并没有得到真正利用[2]，Ti533llS 和7715D550高温钛合金反而在航天上得到很好利用。作者对美国、俄罗斯、欧洲和中国等国度高温钛合金的发展、近况及趋向进行了介绍，评述了高温钛合金的发展趋向，为我国高机能钛合金的研发及利用提供肯定的思路和启迪。

2、国表高温钛合金钻研近况

高温钛合金以其良好的热强性和高的比强度，在航空发起机中获得了宽泛的利用，以其为资料出产的零件蕴含电扇盘、叶片、压气机盘等。美国、英国、俄罗斯等航空工业蓬勃国度先后研造出了在350～600℃环境中使用的高温钛合金。高温钛合金的使用温度逐步提高，目前在研发中的高温钛合金使用温度覆盖了550~850℃的领域。

2.1 美国高温钛合金的发展

美国是世界上最先研造出钛合金的国度，美国在钛合金钻研领域，获得了举世瞩主张成就，这可从美国登载在历届国际钛合金学术论文集的钻研论文中看出，无论从数量还是质量上都居首位，美国研造的一系列实用性高和善高强钛合金，为其军事工业的发展提供了壮大的动力。

1954 年，美国人成功研造出世界上第一个实用迪胙合金Ti-6Al-4V，奠定了耐热钛合金发展的基础，其工作温度仅300℃，但是由于其拥有优良的综合机能和较低的成本，至今仍是使用量最多迪胙合金。但随着使用前提的提高，Ti - 64 合金也逐步露出出了一些不及，重要有:冷加工性较差、淬透性不梦想、耐热性不够好、造备工艺复杂等。上世纪60 年代，开发了Mo含量较高的Ti - 6246和Ti - 6242 合金，将使用温度提高到450℃左右。Ti - 6246 合金的β不变动水平进一步提高，固溶时效和双沉退火后的低周委顿强度显著高于相应的Ti - 64 合金，同时拥有较高高温蠕变强度和瞬时强度。70 年代，美国活性金属公司通过增长Si元素，开发了使用温度超过500℃的Ti - 6242S合金，该合金的最高使用温度为540℃，室温的σb=930MPa[3]，特点是拥有强度、蠕变强度、韧性和热不变性的优良结合，并拥有优良的焊接机能，重要利用于燃气涡轮发起机零件、发起机结构板材零件、 飞机机体热端零件[4]。

80 年代初，发起机造作商对高温钛合金的抗蠕变机能提出了更高的要求，因而美国钻研开发了钼含量较低的Ti-1100 合金。该合金是Ti-6242S 的改进型合金，是以其使用温度为1100OF 而定名的。Ti-1100(Ti - 6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si)合金是近α型钛合金，使用温度达到600℃，特点是拥有较低的韧性和较大的委顿裂纹扩大速度。该合金已用于造作莱康明公司T55-712 改型发起机的高压压气机轮盘和低压涡轮叶片等零件[5]。

进一步提高合金的工作温度往往受到蠕变温度、组织不变性和表表抗氧化能力的限度。美国冶金学家用0.5%~1% Ta (质量分数)包办IMI834 合金中的Nb，称为IMI834-Ta。IMI834-Ta 合金的高温机能与IMI834 险些一样，600℃时屈服强度达580MPa、蠕变机能高于IMI834[6]。

近几年国表把选取急剧凝固/粉末冶金技术研造钛合金作为高温钛合金的发展方向，使钛合金的使用温度可提高到650℃以上。美国麦路公司选取这种技术成功地研造出一种高纯度、高致密性钛合金，在760℃下其强度相当于目前室温下使用迪胙合金强度[7]。

2.2 俄罗斯（含前苏联）高温钛合金的发展

高温钛合金以其良好的热强性和高比强度，在航空发起机上获得了宽泛的利用。为了满足设计高机能航空发起机的需要，多年来，俄罗斯十吩祺沉对高温钛合金的研造与开发。早在20 世纪50年代末期就开发出了BT6、BT3-1、BT8、BT9 等商标迪胙合金，六七十年代又研造和开发了BT18、BT25合金。为了提高高温钛合金的机能和工作寿命，在原有合金的基础上改进研造了BT18y、BT25y、BT8M、BT8-1 和BT8M-1 等商标的高温钛合金。此表，综合机能良好的BT22(Ti -5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr)、BT6 合金也被列入航空发起机选用资料系列中。如BT22 合金既可用于造作在350~400℃下持久工作的机身、机翼受力件及操作系统等的紧固件，也可用于造作工作温度不高于350℃的发起机的电扇盘和叶片等。这些合金的热强机能由低到高的挨次顺次为BT22、BT6、BT8、BT8M-1、BT9、BT25y、BT18y、BT36，为此，俄罗斯新型发起机多选取综合机能良好迪胙合金。

当工作温度不大于350℃时使用BT22 和BT6 合金；而在400~500℃领域使用BT8-1、BT8M-1合金，在500~550℃领域使用BT25y合金；在550~600℃领域使用BT18y合金。而BT3-1、BT9、BT25等合金仅在老式发起机上使用。这些经验可为中国高温钛合的研造、开发和选用上述合金提供参考[8]。

全俄资料钻研院在BT36 合金钻研方面投入了很大的力量，高温钛合金BT36 是一种含W 的8元复杂钛合金[9]，并用其造作了压气机盘[10]。BT36 合金是俄罗斯目前耐热温度最高的高温钛合金，可在600℃工作。与BT18Y 合金在成分上的差距在于用5%W 包办了1%Nb，钨的熔点(3410℃)和蠕变极限(95MPa)都比铌要高得多(2000℃，43 MPa)，W的参与有利于提高合金的室温强度、悠久强度和抗蠕变机能，尤其在550~600℃时越发显著。因而，该合金比BT18Y（其使用温度在500~550℃之间）更具竞争力，已在某发起机上得到了利用。在多元合金系基础上增长W 元素(0.7%~5.0%)是俄罗斯高温钛合金发展的新趋向[11]。

此表，由于大型航空发起机压气机对工作温度在300～350℃用材的必要，俄罗斯全俄轻合金钻研院钻研了同时增添锡和锆的BT22 合金的强度和高温蠕变机能，研造出了机能优于BT22的一种新的航空用钛合金。新合金的名义化学成分为：Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr-1.7Sn-2.5Zr，被赋予正式商标BT37。用该合金来取代传统的BT3-1，BT6 热强钛合金来造作在300～350℃工作的压气机大尺寸盘和叶片，可使质量减轻20%～25%[9]。

高温钛合金今后的发展方向将是突破600～650℃使用温度，有报路说俄罗斯已研造出650℃使用的高温钛合金[13]。

2.3 欧洲

70 年代以来，在美国和日本技术冲击下，欧洲列国感应发展高技术已成为同美日竞争中决定输赢的关键成分。推进了以军事为布景迪胙合金利用钻研的迅速发展。例如，用于高机能航空发起机的高温钛合金IMI829、IMI834 合金已当吓宗美国，高温钛合金和TiAl 金属间化合物及其造备技术已获得了很猛进展；钛合金和TiAl化合物的雾化造粉和沉积成形技术钻研也属世界先进水平[10]。

2.3.1 法国

法国在新合金开发方面，使用Ti-17 合金造作了GE90 和M88 发起机零件，其工作温度为350~400℃。用Ti-6242 和Ti-6246 合金造作了MTR390 发起机零件。法国人还利用Ti-6246 合金造作了阿里亚娜-5 发射器的结构零件；将β-CEZ 钛合金用于M88-X 未来型发起机中，其工作温度为400~450℃[10]。

2.3.2 英国

英国是最早钻研高温钛合金的国度之一，但在开发钛合金的领导思想上与美国分歧，以α相固溶强化作为提高蠕变强度的重要伎俩，侧沉于钻研以提高蠕变强度为指标的近α型钛合金。由于意识到Si元素对合金蠕变机能的沉大影响，所以英国的高温钛合金险些都是含Si的[7]。

IMI 550 合金是英国于20世纪50年代中期研造成功的，与同期的美国合金Ti - 64 相比，抗拉强度提高了10%，使用温度提高到400℃，Si 元素的参与有效地提高了蠕变强度。至此，英国确立了开发高温钛合金的基础技术。60 年代，为进一步提高蠕变强度，研造开发了IMI 679 和IMI 685合金。两者均拥有较低的Mo 含量，IMI 679 含有11%Sn 元素，这在高温钛合金中是不多见的，其使用温度为450℃，抗拉强杜纂Ti - 6242 合金相当，蠕变强杜着于美国的Ti - 64 和Ti - 811 合金。IMI685 合金是高Al、低Mo、中Zr 的近α型钛合金，合金通过节造针状组织来提高高温蠕变强度，使用温度在500℃以上，是一个专门为航空发起机设计的、同时拥有优良蠕变机能、加工机能和焊接机能的合金[7]。

20 世纪70~80 年代，英国钻研开发了以改善委顿强度为主的IMI 829 和IMI 834 合金，属于Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Si合金系，IMI834(Ti-5.8A l - 4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si)合金是英国在1984年研造成功的一种近α型钛合金。IMI 834 还含有0.06%C。这样的成分使合金的抗氧化能力和蠕变机能大大提高，并且有效地细化了宏观和微观组织，工作温度可望达到近600℃。IMI 834 合金是α+β处置的近α合金，其组织是针状转变β+少量的初生α；IMI 829 合金经β处置的组织是针状α+少量转变β，使合金拥有最好的抗蠕变机能和断裂韧性。试验证明：当组织为5%α相+95%针状转变β时，合金拥有高温蠕变机能和委顿机能的最佳结合。两合金已别离在RB211 535E4 和Trent600-800，EJ200 和PW350 等发起机上得到了利用。另表，进一步提高这些合金的工作温度往往受到蠕变温度、组织不变性和表表抗氧化能力的限度[12]。

英国迪胙公司重要是帝国金属工业公司(IMI)，它固然也被美国的Timet 归并，但在钛合金钻研方面也获得了肯定的成就。如IMI 834 钛合金就宽泛用于罗尔斯-罗依斯Trent700 发起机中，其工作温度可达600℃，沉量比镍基超合金一致部件减轻了50kg。在Trent800 高压压气机中，前3 级使用的也是IMI834 钛合金。

但 IMI834 合金自身的不变性、表表易氧化弊端及高温机能使其在使用温度上受到了限度。据英刊报路，在合金中增长硅和铁是至关沉要的间题，硅能有效地扭转蠕变强度；相反，增长铁含量对蠕变强度却有致命影响，铁含量必须节造在0.015%以下。削减偏析水平和同化物，对提高高温合金的机能有显著的作用。要保障委顿强度和蠕变强度，在α+β区固溶处置后的初生α相量肯定要节造在7%~15%，这已是尝试所证明的[13]。

2.3.3 德国

德国目前钻研了Ti-6Al-4V 雾化球形粉末注射成形并经烧结和热等静压处置后，其机能显著优于铸造件的情况。德国宇航中心对SiC/IMI834、SiC/Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo(原子分数)和SiC/Ti-22Al-25Nb(原子分数)复合伙料进行了具体的钻研。钻研了局批注，这些复合伙料拥有优良的机能和利用远景，其使用温度可达700℃以上，将是宇航发起机压气机部件的优选资料。

3、中国高温钛合金的发展

高温钛合金钻研一向是钛领域的主导课题。但我国高温钛合金在开发和利用方面落后于工业蓬勃国度，英国的600℃高温钛合金IMI834 已正式利用于多种航空发起机，美国的Ti-1100 也起头用于T55-712 改型发起机，而我国在20 世纪80 年代以前一向走仿造的路路[14]。近20 年来，我国钛脊合金研造走的是仿造与自主研发相结合的路路。70 年代末到80 年代初重要实现400～450℃高温钛合金钻研，‘九五’期间重要从事600～620℃高温钛合金钻研。随着钻研进展，高温钛合金的使用温度会不休提高。我国高温钛合金研造的初期大多是仿造俄罗斯和英国的，尔后逐步走上自己创造的路路。如西北有色金属钻研院在英国IMI829 合金基础上，研造的550℃高温钛合金Ti633G(Ti-6.5Al-3Sn-3Zr-1Nb- 0.3Mo-0.3Si-0.2Gd)通过稀土元素Gd的内氧化粒子Gd2O3获得了热强性与热不变的优良匹配。与此同时研造的Ti-53311S(Ti-5Al-3Sn-3 Zr-1Nb -1Mo -0.25 Si)通

过增长抗氧化性元素铌含量，550℃的热不变性提高了。上海钢铁钻研所研造的540℃使用的高温钛合金7715C(Ti-6.5Al-2.2Sn-1.2 Zr- 2Mo-2.2Nb-0.2 Si- B-Ce)通过硼与稀土元素Ce的交互作用，加强了相界及α 和β 相的强化成效，获得优良的抗蠕变机能，538℃/315MPa/100h 前提下残存变形量为0.157%，σb(540℃/510MPa)悠久152h。该合金造成的盘件和叶片已在等型发起机上通过了持久工艺试车[5]。自主研造了在550℃使用高温钛合金TA12( Ti- 55) [15]。该合金中参与了稀土元素Nd， 通过熔炼过程内氧化，形成与基体非共格的弥散散布的富Nd 第二相颗粒，降低了基体中的氧含量，从而提高了合金的热不变性。随后， 在 TA12 合金的基础上， 研造了Ti- 60 合金。该合金适当增长了Al、Sn、Si 的含量， 进一步提高了合金的高温蠕变机能和强度， 使合金的使用温度达到了600 ℃。最近又在美国Ti- 1100 合金的基础上， 增长约0.1% Y， 研造出Ti- 600 合金。该合金在600～650 ℃均拥有优良的力学机能， 尤其是蠕变机能更好。700～1000℃ 下使用迪胙合金重要有Ti3Al 金属间化合物、TiAl 基合金、高Nb-TiAl 基合金( 钻研批注，TiAl 中参与Nb 是提高TiAl 合金高温机能最有效的伎俩之一) 等。它们均拥有低的密度，高的弹性模量，良好的高温强度以及优良的抗氧化性和抗点火性。但这类合金的室温塑性和断裂韧性较低，故障了它们的现实利用［16］。表3 列出了我国自主研发的部门高温钛合金。

值得一提的是我国550～600℃使用的高温钛合金都含有少量稀土元素(如Gd、Nd、Y、Er、Ce等)，稀土的参与有两种蹊径:一是稀土的参与量严格节造在基体合金的固溶领域内，使其在凝固后保留在过鼓和固溶体内，随后热机械加工和热处置、热露出后可能有少量藐幼弥散的稀土氧化物析出，大部门保留在基体合金固溶体内，起固溶强化作用，对细化晶粒和抗蠕变机能有显著的改善，凭据这一准则西北有色金属钻研院和上海钢铁钻研所发展了Ti633G、Ti600 和Ti7715D 合金；另一种蹊径是参与0.4%～1.0%的稀土 (如Nd)，这大大超过了基体合金的固溶度，因而在合金凝固中形成粗壮的稀土氧化物粒子和稀土金属间化合物，通过对基体的净化能够显著增长合金Al当量裕度，同时显著细化晶粒和改善合金的抗蠕变和热不变性，为此沈阳金属钻研所和北京有色金属钻研总院发展了Ti55， Ti60 及Ti65-Nd一系列含Nd高温钛合金[17]。

在实用的航空资料方面，近年钻研开发的沉点是Ti-55、Ti-17、Ti-6242、Ti-811、Ti-15-3、Ti-10-2-3及B21S等合金，并获得了较猛进展。例如，由550℃用的高温钛合金Ti-55 造成的高压压气机盘、鼓筒和叶片通过了超转、分裂、委顿试验，并经受了持久试车考验[18]。

目前我国在发展600℃和600℃以上使用的高温钛合金钻研，表4 为600℃ 钛合金的重要机能。近年来，高温钛合金钻研重要集中在600℃高和善650℃高温的复合伙料。600℃高温钛合金钻研重要是Ti60 和Ti600，蕴含合金设计、加工工艺、合金的相结构、第二相及稀土元素钕的作用、焊接机能、热不变性、蠕变形为、高温氧化行为、委顿行为等的钻研[19]。

总体上来说，我国600℃及其以上高温钛合金还处于钻研阶段，在国内航空发起机上还没有得到利用。

4、实现语

高温钛合金的研造与利用一向受到列国钻研者的高度器沉和当局的大力支持，在中国亦是如此，但国内研造高温钛合金与国表有较大差距，这种差距不仅是在钻研水平上，更是在工业化出产水平和利用上，尤其是利用上。国内500℃以上高温钛合金虽多多，但目前得到现实利用的只有Ti53311S合金，无数是尝试室或半工业试造性的成就。只管如此，高温钛合金钻研仍是一个热点领域，资料研造部门研造高温用钛合金己从仿造走向创新。凭据国际研造近况，笔者以为高温钛合金的发展趋向是：

（1）已在航空发起机上利用的传统高温钛合金的最高使用温度仍为600℃。在600℃以上，蠕变抗力和高温抗氧化性的急剧降落是限度钛合金向更高温度发展的两大重要阻碍，研造600℃的新型高机能的高温钛合金，即在维持优良抗蠕变强度、委顿强度、抗氧化机能和热不变性的前提下，提高钛合金使用温度火烧眉毛[20]。

(2)合金朝着多元强化的方向发展。合金成分的优化越来越沉要， Ti - Al - Sn-Zr-Mo-S i - (Re)系近α钛合金占主导职位；Si元素是高温钛合金中必不成少的沉要元素[19]。

(3)稀土元素是高温钛合金中拥有利用远景的沉要元素，稀土元素在高温钛合金中的作用尚待进一步钻研。稀土元素在合金中的机造作用需进一步钻研，为含稀土元素的高温钛合金的发展奠定理论基础。

(4)持续研造开发拥有特殊用处的高温钛合金。

(5)目前金属间化合物型耐热钛合金成为钻研热点， 为适应航空航天工业发展的需要， 钻研开发了Ti- Al 系金属间化合物为基的合金。

(6)国内涵老合金挖潜方面远远落后于国表，如针对典型的TC4合金，国表发展了深档次的加工工艺与组织机能关系的钻研，改善了TC4合金的机能，扩大了合金的利用，而国内较少发展老合金的挖潜钻研工作[21]。

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