航空发动机用高温钛合金锻件的热稳定性研究进展

钛合金具有低密度、高比强度、耐蚀耐热等诸多优点，在航空航天工业得到广泛应用。然而，航空发动机工况复杂，工作时温度可达600℃以上[1-3]，在这种高温、长时工作的苛刻要求下，发动机工作的可靠性尤为重要。

钛合金的使用温度取决于其热强性和热稳定性，热强保证其在高温使用条件下不至于因强度失效而导致事故，热稳定保证其在高温条件下保持自身组织稳定，不至于因组织变化或析出第二相而使构件失效[４]。其中，热稳定性是指合金在高温暴露下能保持自身性能稳定的能力，通常用室温拉伸性能和断裂韧性来表征[6]，是衡量发动机工作可靠性的主要指标之一，与热强性共同决定钛合金的使用温度。热稳定性又包含组织稳定性和表面稳定性2方面。组织稳定性是指在使用过程中组织和结构不发生变化的倾向，一旦过饱和的α、β、α′等亚稳定相发生等温分解，对热稳定性的影响是不可预估的，故对高温钛合金热稳定性的研究实际上是对其组织的研究。从现有研究来看，通过添加合金元素可以保证热强性，但合金元素含量过多会增加第二相的析出趋势，给热稳定性带来损害[５]。

为此，从合金元素和加工工艺2方面综述了近些年来关于钛合金组织热稳定性的研究，以期为制备具有优良 热稳定性、热强性和更高使用温度的高温钛合金提供参考。

1、合金元素对热稳定性的影响

纯钛具有优异的热稳定性，但抗拉强度低是其固有短板，为了满足实际生产中的各项要求，需要定量加入一些合金元素。依据对β相转变温度的影响，可将合金元素分为3类:α相稳定元素Al、B、Ｃ、O、N等，中性元素Sn、Zr等，β相稳定元素Mo、V、Nb、Fe、Cr、Si等[７]。依据元素自身特性以及对合金性能的影响，目前已形成了近α型Ti-Al-Sn-Zr-MO-Si高温钛合金体系[８]。多元元素在协同改善钛合金机械性能，使合金保持良好热强性的同时，还可避免合金在长时间热暴露下因析出物增多而引起的组织改变，即合金在满足热强性要求的同时还能够保持一定的热稳定性[９]。

1.1α相稳定元素

在高温钛合金中，Al是不可或缺的合金元素，其作用有以下几点:①提高钛合金的室温和高温强度；②提高 钛合金的高温抗氧化性能；③降低钛合金的密度[７]。Al在钛合金中的存在方式有2种，一种是以固溶方式 存在，起到固溶强化的作用；另一种以析出物的形式存在，即α₂有序相，α₂相虽 然能够起到强化作用，但其尺寸、存在位置、分布情况会严重影响合金的热稳定性[10]。

为表征合金中α₂相的析出倾向，ＲOｓｅNbｅｒｇ等[４]提出了铝当量计算公式，具体如下: [Al]当＝[Al]＋[Sn]/3＋[Zr]/6＋[O＋2N＋Ｃ]×10

或[Al]当＝[Al]＋[Sn]/3＋[Zr]/6＋[Si]×４显而易见，铝当量越低，α₂相析出倾向越低，合金的热稳定性越好。一般控制[Al]当≤８％，使得合金中不会析出α₂相，以保证热稳定性满足 使用要求。

李东等[11-13]采用ΣNｉｆｉα表征各合金元素和热稳定性的关系，其中Nｉ代表第ｉ个元素的价电子数， ｆｉα代表第ｉ个元素在α相中的原子数分数。元素的电子浓度和Ti3Ｘ相界之间存在着一定的关系，在进 行合金设计时，根据电子浓度、热暴露时间、使用温度确定平均电子浓度值NＰ，使ΣNｉｆｉα≤NＰ，便 可以使合金在充分合金化保证强度的前提下，确保不析出Ti3Ｘ相以满足热稳定性的要求。

α₂相通常在长期时效或热暴露过程中析出[1４]，其析出形式主要为共格析出，与基体存在一 定的取向关系，目前发现的有(0001)α₂∥(0001)α、<1120>α₂∥(1120)α 等[1５]。ＺｈａNｇ等[16]在研究Ti-6-22-22合金热稳定性时发现，经过三重热处理后形成的细小 α₂相不会影响合金的力学性能，而粗大的α₂相会造成力学性能严重下降。崔文芳 等[1７]在研究ＩMＩ８3４钛合金的热稳定性时发现，经过600℃/100ｈ热暴露后，基体析出均匀弥散分布的 α₂相，平均尺寸约为8.8NM；当热暴露温度升高至７５0℃时，α₂相尺寸大幅增加 ，合金伸长率由10.9％剧烈下降至6.7％，热稳定性明显降低。Ｌｉ等[1８]在研究Al对ＴＡ2９钛合金热稳 定性的影响时发现，热暴露８ｈ后，能够观察到大量直径<0.5NM的球形α₂相，这些 α₂相以共格方式从基体中析出；随着热暴露时间的延长，α₂相发生粗化，100ｈ 后α₂相长大至８NM，５00ｈ后形状过渡为纺锤状，此时合金虽然保持了一定的塑性，但断裂韧 性显著降低。

α₂相的析出行为也受到其他元素的协同影响。Ｘｕ等[1９]在研究Ｗ元素对Ti-6.5Al-2Sn-４Ｈｆ-2Nb合金影响时发现，热暴露过程中Ｗ会影响α相与β相中元素的再分配。随着热暴露时间的延长，Ｗ在β相中富集，同时使Nb在α相中富集，α相中Nb元素的增多使得晶格畸变程度增加，抑制了α₂相的析出，减缓了有序化进程。另外，Ｗ还能细化α₂沉淀相，添加４％的Ｗ可 使α₂沉淀相长轴方向由33NM降低至21NM，短轴方向由20NM降低至1４NM，从而减小 α₂相对合金塑性的影响，使合金的热稳定性提升。张尚洲等[20]研究发现，高温钛合金中加入 Ｃ元素时会形成树枝状的Ti3AlＣ、Ti3Ｃ或有序Ti2Ｃ碳化物，碳化物的存在减缓了热暴露过程中 α₂相的形成，提高了钛合金的热稳定性。另外，Ｃ元素的加入扩大了两相区温度范围[21]，使 得合金在α＋β两相区热处理时Al元素的偏析行为发生变化，促使Al在初生α相和β相分布得更加均匀，降 低了α₂相的析出量，从而提高了合金的热稳定性。

1.2中性元素

高温钛合金中添加的中性元素主要是Sn和Zr，与其他元素一起加入可以起到补充强化的作用。Zr和Si之间有着很强的结合力，故Zr影响着Si在基体中的分布。在高温钛合金中，硅化物中一般会富集Zr，形成(Ti，Zr)５Si3化合物，且Zr在Ti中的扩散速率比Si小，因此在长时间的热暴露过程中硅化物的形核长大速率取决于Zr[22]。ＴＣ11钛合金中含有Zr和Ｓｉ元素，Zr能够置换出Ti５Si3中的少量Ti，使析出物变为均匀分布且错配系数更小的(Ti，Zr)５Si3，大幅降低Si的不利影响，使得合金具有良好的热稳定性[23]。Zr对Ti-1100合金中硅化物的析出也有很大影响，随着Zr含量的增加，Si的溶解度降低，硅化物析出倾向增加，析出位置由β相逐渐转移到α相[2４]。目前鲜有关于Sn元素对高温钛合金热稳定性影响的报道。

1.3β稳定元素

在高温钛合金中，添加的β稳定元素有Mo、Si等。Mo本身并不会形成析出物，主要起固溶强化、细化晶粒和改善合金热加工性能的作用。高含量的Mo会促进α₂相的析出，改变合金的断裂方式，当Mo含量达到3％时，合金的热稳定性迅速降低，断裂方式转变为脆断[2５]。不同的合金有着不同的最佳Mo含量。Mo含量一般控制在1％以下，以避免因含量过高促进α₂相析出，导致蠕变性能与热稳定性失调。 Ti-5.5Al-4.0Sn-3.4Zr-0.3Nb-1.0ta-0.45Si-0.8Ｗ-ｘMo合金的最佳Mo含量为0.6％，其在6５0℃/100ｈ高 温暴露后的伸长率为5.5％，比不含Mo时高出2％[26]。

Si在合金中有2种存在形式，一种是固溶形式，其在α相中的固溶度仅为0.45％，而在β相中的固溶度达到3 ％；另一种是以析出物的形式存在，主要为Ti５Si3、Ti6Si3等[2７-2９]。大量研究[1５，1８，30]表明， 硅化物会优先在两相区边界或α基体的位错密集处形核长大，其与基体没有固定的位向关系，形状多为球状 、纺锤状。

曾立英等[30]在研究Si对Ti-600合金热稳定性的影响时发现，尺寸微小且均匀分布的硅化物可以提高合金的 力学性能，尺寸较大且分布不均的硅化物则会降低合金的力学性能。ＴＡ2９钛合金中含有一定量的Si，在 热暴露过程中硅化物首先会在α片层内形核长大，并逐渐由球形转变为椭球形[16]。热暴露初期形成的细小 硅化物可以阻止片层间的滑动，维持合金的热稳定性，但随着热暴露时间的增加，长大的硅化物导致位错缠 结堆积加重，并诱发产生微裂纹，极大降低合金的塑性和断裂韧性，热稳定性急速下降。

高温钛合金中加入的Nb、Mo、Ｔｃ等元素均能吸附Si元素，提高Si的固溶作用，延缓基体硅化物的析出[31] 。而Ｃ的加入能够增加Si在基体中的溶解度，使硅化物的析出数量和尺寸减小，在高温处理时，还能使硅化 物分布的更为均匀，更有利于合金的热稳定性[20]。

造成合金热稳定性降低的主要因素是α₂相还是硅化物，目前尚无定论。蔡建明等[1５]认为， 导致合金热稳定性下降的主要因素是α₂相的析出。在一些过时效合金中，当α₂相 重溶而硅化物仍然大量存在时，合金的塑性会明显提升。辛社伟等[32]在研究Ti600合金在600℃下的组织热 稳定性时，得出了和蔡建明相同的结论，即在α₂相与硅化物协同降低合金塑性的过程中， α₂相的影响起主要作用。而另一种观点认为，硅化物对合金塑性下降起主要作用，在高温处理 时硅化物发生溶解，合金塑性提升[33]。

1.４稀土元素

高温钛合金中添加的稀土元素主要有Ｇｄ、Nｄ、Ｙ、Ｅｒ等。邓炬等[3４]在研究ＩMＩ８2９钛合金时发现 ，添加Ｇｄ元素可以提高蠕变性能和热稳定性。Ｇｄ原

子与基体中的O结合，形成稳定细小的氧化物弥散分布在基体中，既可以阻止α₂相的析出，又 能分散析出硅化物，因此极大提高了合金的热稳定性。在高温钛合金中添加Ｙ元素具有同样的作用[3５]。 丁蓓蓓等[36]在对新型600℃高温钛合金Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si-0.8Nｄ进行研究时发现，Nｄ元素的存在细 化了合金晶粒，使晶粒尺寸由200μM减至100μM。

Nb元素还能与基体中的O和Sn原子结合，降低合金的铝当量和平均电子浓度，从而抑制α₂相析 出，提高合金的热稳定性。Ti60合金中Nｄ元素的作用亦是如此[3７]。韩鹏等[3８]研究发现，在Ti-6Al- 2.5Sn-4Zr-0.3Mo-1Nb-0.35Si合金中添加Ｅｒ元素后虽然能够形成稀土氧化物，但氧化物尺寸较大，且分布 不均匀，并不能抑制α₂相和硅化物的析出，因而不能有效提高合金的热稳定性。

2、加工工艺对热稳定性的影响

高温钛合金的使用性能还取决于合金的显微组织形态，而组织形态又取决于合金的热处理和热加工过程[3９ ]。高温钛合金在经过热处理或热加工后，可以得到等轴、网篮、双态和片层组织等典型组织[７]。研究表 明，等轴和双态组织的热稳定性好，片层组织的热稳定性差。因此，研究高温钛合金在高温作用下的组织转 化以及析出物特征对提高合金性能至关重要。

2.1热处理

高温钛合金中所使用的热处理主要是固溶时效，也称为双重退火。根据文献[４0]，称为固溶时效更为准确 。对于近α型钛合金来说，固溶温度越高，初生α相的含量越低，导致塑性变形能力越差，热稳定性下降， 因此低的固溶温度有助于提高合金的热稳定性。段锐等[４1]分别在1000、1020℃对近α型ＴＧ6钛合金进行 2ｈ固溶处理，在７５0℃进行2ｈ时效处理，最后进行600℃/100ｈ热暴露，发现较低温度固溶的样品在热暴 露后塑性降低率更低，对应着更优良的热稳定性。对于β型钛合金，应采用低的固溶温度，这是因为高的固 溶温度使得合金中α相的析出量增多，甚至连接成网状，晶界的连续性被破坏，使得合金在热暴露中的热稳 定性下降。

赵红霞等[４2]研究了固溶温度对β型Ti-35V-15Cr-0.15Si-0.05Ｃ合金热稳定性的影响。结果表明，８５0 ℃/1.５ｈ固溶处理后，合金再经５４0℃热暴露后塑性几乎没有损失，而经９５0℃/1.５ｈ固溶处理后塑性 降低约20％。对于两相钛合金，应在单相区固溶处理。储茂友等[４3]研究发现，在单相区固溶处理的BＴ2 ５ｙ高温钛合金，经７00℃/200ｈ热暴露后析出的硅化物均匀细小，且随着固溶温度的提高，析出的硅化物 尺寸越来越大。

时效温度和时间对高温钛合金的热稳定性也有影响。王旭等[４４]分别在７00℃和７５0℃对Ｔｉ6５合金进 行了５ｈ的时效处理，随后进行6５0℃/100ｈ的热暴露试验，研究了时效温度及时间对热稳定性的影响。结 果表明，经热暴露后，７５0℃时效处理样品的伸长率较７00℃时效处理样品降低约1％。在７00℃对Ti6５ 合金分别进行2、５、７ｈ时效，随着时效时间的延长，热暴露后合金的伸长率呈现先增加后稳定的趋势。 对于Ti-1100合金，在５９3℃时效166ｈ后就已经析出硅化物，而Ti3Al化合物的析出速率较慢，时效1000ｈ 后才完全析出[４５]。

ＺｈａNｇ等[４6]研究时效处理对Ti-6Al-2Cr-2Mo-2Sn-2Zr合金热稳定性影响时发现，随着时效温度的升高 ，断裂韧性有所提高，而延长时效时间则会导致断裂韧性下降；在４５0℃时效时间即使长达1000ｈ，也不 会析出硅化物，而在6５0℃时效５00ｈ时所形成的硅化物尺寸已经达到100~300NM，且这 种硅化物没有单一的化学式，成分介于(Ti，Zr)５Si3和(Ti，Zr)6Si3之间，严重影响合金的力学性能。

赵永庆等[４７]研究了不同热处理对Ti４0合金热稳定性的影响。当仅对Ti４0合金进行退火处理时，如分别 在７00℃和600℃进行４ｈ退火，随后进行５00℃/100ｈ热暴露，发现退火温度较高的样品拥有更高的延伸 率，即较好的热稳定性；而退火温度对抗拉强度的影响不大。对Ti４0合金进行淬火＋预时效＋时效处理时 ，淬火温度对热稳定性的影响很大[４８]。当淬火温度为850℃时，经５00℃/100ｈ热暴露后，其延伸率仅 为3.5％，相比未热暴露试样(延伸率为15.3％)降低了约70％；在550℃下进行热暴露时，随着热暴露时间的 延长，晶界析出相逐渐连成一体，严重影响热稳定性[４７]。而当淬火温度升高至９00℃时，热暴露后合金 塑性丧失，热稳定性下降严重。这是因为Ti４0合金有着极高的钼当量，较高温度的淬火促进了析出物在晶 界的形核与析出，弱化了晶界，加之预时效使得晶界平直化，造成热稳定性降低。

2.2热加工

钛合金通常要经过锻造、轧制等热加工才能满足使用要求，不同的加工方式对合金的热稳定性有着不同的要 求。王田等[４９]研究了热加工方式对Ti-８11合金热稳定性的影响。利用精锻、连轧＋精锻、连轧3种工艺 方式将原料加工成ϕ４0MM的棒材，然后进行适宜的固溶时效处理。研究发现，连轧棒材的延伸率较高，精锻 棒材的延伸率较低，但也达到了1８％，仅比连轧棒材低3％。经过４2５℃/100ｈ热暴露后，精锻棒材的延 伸率略有升高，连轧＋精锻棒材的延伸率几乎不变，而连轧棒材的延伸率略有降低，和精锻棒材持平。经3 种加工方式获得的棒材均具有良好的热稳定性，适合在４2５℃下长时间使用。

纪小虎[５0]研究了多向锻造对TA15钛合金热稳定性的影响。在经过多向锻造之后，TA15钛合金的α相主要 为初生α相和次生α相。一方面，随着锻造道次的增加，晶粒得到了细化，但是在热暴露过程中，初生α相 会快速长大，使得热稳定性变差。

另一方面，多向锻造后次生α相保持着“本征”稳定性，其在热暴露过程中几乎不发生长大，有着很好的热 稳定性。

锻造温度对钛合金的热稳定性有很大的影响，对于不同类型的钛合金其规律有所不同。ＹａNｇ等[５1]研究 了等温锻造温度对α＋β型BＴ2５ｙ钛合金热稳定性的影响，发现锻造温度会影响α相的形态与分布，进而 影响热稳定性。锻造温度为９４0℃时，基体中的α相发生静态球化，这些细小弥散分布的α相能够很好地 协调变形，使合金保持良好的热稳定性；但随着锻造温度的升高，等轴α晶粒逐渐连接成层片状，堆积在晶 界处，打破了β晶粒的连续性，使得晶粒间的变形协调性降低，合金的热稳定性严重下降。而对于近α型钛 合金，提高锻造温度可使合金晶粒在热暴露前就保持较大的尺寸，在热暴露过程中晶粒长大十1.0Nb- 1.0Ta-0.4Si-0.2Ｅｒ合金热稳定性的影响，发现锻造温度不仅影响初生α相的数量，还会影响初生α相中 球状α相和板条状α相的分配。

经过1000℃锻造后，合金组织由31％的球状α相、10％的板条状α相和59％的次生α相组成，而经过10500 ℃锻造后则由18％的球状α相、22％的板条状α相和60％的次生α相组成。6５0℃热暴露试验结果表明，在 较高温度下锻造的合金有着更好的热稳定性；热暴露过程中沿α/β相边界析出的硅化物能够抑制晶界迁移 和位错滑移，从而提高材料的热稳定性。

以上研究表明，热加工通过影响不同相的含量与分布来影响高温钛合金的热稳定性。故对于不同的高温钛合 金，应当选择与其相适应的热加工工艺来获得多态混合组织，使得热稳定性满足使用要求。

3、结语

针对常规高温钛合金的热稳定性，国内外学者进行了大量的研究，并取得了丰硕的成果，但依旧存在一些问 题:①元素对高温钛合金热稳定性的影响是通过研究是否添加该元素来获得的，忽略了所添加元素与合金中 其他元素的相互作用；②高温钛合金中合金元素的作用不是孤立单一的，而是多种合金元素之间相互影响的 协同作用，要厘清这些元素的协同作用是比较困难的；③高温钛合金中添加的元素种类多、含量少，在批量 生产过程中易出现偏析，难以保证成分均匀化以及有效控制杂质含量，传统的热加工和热处理也很难消除这 些影响；④目前对于热稳定性的研究过多的强调结果分析，缺乏对析出物形成过程中扩散效应的理论研究。 因此，可以将高温钛合金的成分控制、热处理及热加工工艺的优化作为下一步研究方向。借助计算机，利用 现有钛合金数据库，建立元素含量、热加工及热处理参数与组织稳定性之间的关系。相信随着研究的深入和 技术的发展，热稳定性相关问题将会得到妥善解决，高温钛合金将在航空航天中发挥越来越重要的作用。

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