600℃高溫鈦合金、阻(zu)燃鈦(tai)合(he)金、TiAl合(he)金、SiCf/Ti復合(he)材(cai)料是新(xin)型的(de)(de)高(gao)性(xing)能高(gao)溫(wen)鈦(tai)合(he)金,與普通鈦(tai)合(he)金材(cai)料相比,其技術成熟度較低。針對先(xian)進發動機的(de)(de)服役特點和設計要求,特別是用(yong)于高(gao)溫(wen)環(huan)境(jing)的(de)(de)轉動部件,需開展(zhan)大(da)量的(de)(de)工(gong)(gong)程化應(ying)用(yong)研(yan)究,如高(gao)溫(wen)環(huan)境(jing)下(xia)蠕變-疲勞-環(huan)境(jing)交互作用(yong)、阻(zu)燃性(xing)能,微織構對疲勞性(xing)能的(de)(de)影(ying)響(xiang),表(biao)面(mian)完整(zheng)性(xing)技術,鍛件和零件內(nei)部和表(biao)面(mian)殘(can)余(yu)應(ying)力分析及其對使用(yong)性(xing)能影(ying)響(xiang),使用(yong)壽(shou)命預(yu)測及失(shi)效分析等,解決(jue)工(gong)(gong)程化應(ying)用(yong)相關(guan)的(de)(de)材(cai)料設計、制造加工(gong)(gong)工(gong)(gong)藝(yi)等關(guan)鍵技術。

工業(ye)鑄錠成分高純化(hua)(hua)和均勻化(hua)(hua)控制(zhi)技術

TA29,TB12以及TiAl合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)化復(fu)雜、合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元素含量高,且塑性低,這(zhe)類合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)鑄錠的制備(bei)難度大,主要表現在:錠型(xing)擴大時因凝固(gu)熱應(ying)力易出現開裂,成(cheng)分(fen)均勻(yun)性控(kong)制難度大,容易產生偏(pian)析。采(cai)用傳(chuan)統(tong)的真空自耗電極電弧爐(lu)熔(rong)煉(lian)工(gong)藝(yi),應(ying)適當增加熔(rong)煉(lian)次數,并控(kong)制熔(rong)煉(lian)電流、提縮電流、錠型(xing)尺(chi)寸、坩堝冷(leng)卻(que)方(fang)式等。對于(yu)TiAl合(he)(he)金(jin)(jin)(jin),可以采(cai)用等離子體冷(leng)爐(lu)床熔(rong)煉(lian)工(gong)藝(yi)生產鑄錠。采(cai)用冷(leng)爐(lu)床熔(rong)煉(lian)工(gong)藝(yi)可以有效去除(chu)夾雜和改善(shan)成(cheng)分(fen)偏(pian)析,這(zhe)對于(yu)發動機關鍵轉動件用的鈦(tai)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)材(cai)料顯得(de)尤(you)為重(zhong)要。我國(guo)已擁有多臺等離子體冷(leng)爐(lu)床熔(rong)煉(lian)設(she)備(bei),具備(bei)了實驗室研究(jiu)、工(gong)業(ye)化生產的能力和條(tiao)件。

大(da)規格(ge)棒材和特殊鍛件(jian)制備(bei)技術

航空(kong)鍛(duan)(duan)件(jian)(jian)用(yong)的(de)(de)鈦合金原材(cai)(cai)料一般采(cai)(cai)用(yong)棒(bang)材(cai)(cai),輪(lun)盤、機匣、整體(ti)葉(xie)(xie)盤、風(feng)扇(shan)葉(xie)(xie)片等大(da)型鍛(duan)(duan)件(jian)(jian)一般采(cai)(cai)用(yong)大(da)規(gui)格(ge)(ge)(ge)棒(bang)材(cai)(cai),對(dui)于小(xiao)型的(de)(de)壓氣機葉(xie)(xie)片、渦輪(lun)葉(xie)(xie)片鍛(duan)(duan)件(jian)(jian),采(cai)(cai)用(yong)小(xiao)規(gui)格(ge)(ge)(ge)棒(bang)材(cai)(cai)。隨(sui)著先進發動機趨向于采(cai)(cai)用(yong)整體(ti)葉(xie)(xie)盤、整體(ti)葉(xie)(xie)環的(de)(de)結構形(xing)式,相應鍛(duan)(duan)件(jian)(jian)和(he)(he)棒(bang)材(cai)(cai)的(de)(de)規(gui)格(ge)(ge)(ge)尺寸加大(da),控制大(da)規(gui)格(ge)(ge)(ge)棒(bang)材(cai)(cai)的(de)(de)組織均勻性對(dui)于保證鍛(duan)(duan)件(jian)(jian)的(de)(de)質量至關(guan)重要,需(xu)要選擇(ze)合適的(de)(de)鍛(duan)(duan)壓設(she)備,優化設(she)計鍛(duan)(duan)造(zao)工藝(yi)。對(dui)于TB12和(he)(he)TiAl合金的(de)(de)鑄錠,因鑄態(tai)金屬的(de)(de)鍛(duan)(duan)造(zao)變(bian)形(xing)抗力大(da)、工藝(yi)塑性低(di)、對(dui)變(bian)形(xing)溫(wen)(wen)度敏(min)感、容易(yi)出現鍛(duan)(duan)造(zao)開(kai)裂,鑄錠宜(yi)采(cai)(cai)用(yong)高(gao)溫(wen)(wen)擠(ji)壓開(kai)坯工藝(yi)制備大(da)規(gui)格(ge)(ge)(ge)棒(bang)材(cai)(cai),不僅可(ke)以提(ti)高(gao)變(bian)形(xing)的(de)(de)均勻性、保證有足夠的(de)(de)變(bian)形(xing)量,還可(ke)以提(ti)高(gao)棒(bang)材(cai)(cai)的(de)(de)生(sheng)產效率和(he)(he)批(pi)次穩定(ding)性。

鈦(tai)合金的(de)(de)顯微(wei)組(zu)織(zhi)(zhi)和(he)(he)晶體學織(zhi)(zhi)構(gou)是(shi)影(ying)響(xiang)力學性(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)主要因素,原因在于(yu)α相(xiang)的(de)(de)各向異(yi)性(xing)(xing)。控制(zhi)鍛件顯微(wei)組(zu)織(zhi)(zhi)的(de)(de)形態以及(ji)顯微(wei)組(zu)織(zhi)(zhi)和(he)(he)織(zhi)(zhi)構(gou)的(de)(de)均勻性(xing)(xing),不僅可(ke)以改善平(ping)均的(de)(de)性(xing)(xing)能(neng)水平(ping),還可(ke)以提高零部件的(de)(de)蠕變-疲(pi)勞交互作(zuo)用性(xing)(xing)能(neng),即保載(zai)疲(pi)勞性(xing)(xing)能(neng),減(jian)小不同批次部件的(de)(de)性(xing)(xing)能(neng)數據分散性(xing)(xing)。對(dui)于(yu)這些新型高溫鈦(tai)合金,特別是(shi)TiAl合金,因有序結構(gou)的(de)(de)引入,使(shi)得織(zhi)(zhi)構(gou)問題更為(wei)復雜和(he)(he)重要,對(dui)高低周疲(pi)勞性(xing)(xing)能(neng)和(he)(he)保載(zai)疲(pi)勞性(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)影(ying)響(xiang)也更為(wei)復雜。在棒(bang)材和(he)(he)鍛件制(zhi)備時要嚴(yan)格(ge)控制(zhi)組(zu)織(zhi)(zhi)和(he)(he)織(zhi)(zhi)構(gou)。

整體葉(xie)盤(pan)和整體葉(xie)環零件機械加工技術

由(you)于(yu)先進發動(dong)機性(xing)能水平的(de)(de)不(bu)斷(duan)提高(gao),整(zheng)體(ti)(ti)葉(xie)(xie)(xie)(xie)盤(pan)(pan)、整(zheng)體(ti)(ti)葉(xie)(xie)(xie)(xie)環等已(yi)成為發展(zhan)趨勢。整(zheng)體(ti)(ti)葉(xie)(xie)(xie)(xie)盤(pan)(pan)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片的(de)(de)結構復雜、通道開敞性(xing)差(cha)、葉(xie)(xie)(xie)(xie)片薄、彎扭大、剛性(xing)差(cha)、易(yi)變形,設計時對(dui)其幾何精(jing)度(du)水平、綜(zong)合(he)質量水平要求(qiu)越來(lai)越高(gao),機械加工(gong)(gong)和表面(mian)完整(zheng)性(xing)的(de)(de)保證(zheng)變得越來(lai)越困難(nan)[30] 。對(dui)于(yu)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片尺(chi)寸(cun)較小的(de)(de)壓氣(qi)機整(zheng)體(ti)(ti)葉(xie)(xie)(xie)(xie)盤(pan)(pan)和整(zheng)體(ti)(ti)葉(xie)(xie)(xie)(xie)環,葉(xie)(xie)(xie)(xie)型(xing)(xing)一(yi)般采(cai)用高(gao)速(su)數控(kong)銑削方法(fa)加工(gong)(gong),控(kong)制零件(jian)加工(gong)(gong)變形,采(cai)用振動(dong)光飾去應(ying)(ying)力(li)技(ji)術以改善零件(jian)表面(mian)殘(can)余應(ying)(ying)力(li)分(fen)布,之后對(dui)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片部分(fen)型(xing)(xing)面(mian)進行修(xiu)磨(mo)和磨(mo)粒流(liu)拋光,葉(xie)(xie)(xie)(xie)型(xing)(xing)尺(chi)寸(cun)精(jing)度(du)高(gao),葉(xie)(xie)(xie)(xie)型(xing)(xing)誤差(cha)小于(yu)0.1mm,葉(xie)(xie)(xie)(xie)片表面(mian)粗(cu)糙度(du)Ra達到(dao)0.2μm的(de)(de)水平,提高(gao)零件(jian)的(de)(de)表面(mian)質量和表面(mian)完整(zheng)性(xing)。應(ying)(ying)采(cai)用電(dian)化學方法(fa)來(lai)加工(gong)(gong)TiAl合(he)金葉(xie)(xie)(xie)(xie)片的(de)(de)型(xing)(xing)面(mian)。

材料(liao)性能評價及應用設計技術

上述4類材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)還處于(yu)工程化研究和(he)試用(yong)(yong)階段,積累的(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)能(neng)(neng)數據(ju)不充分,影響了(le)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)和(he)部(bu)(bu)件的(de)(de)(de)(de)(de)設(she)(she)計選(xuan)(xuan)材(cai)(cai)(cai)(cai)和(he)強度(du)計算(suan)(suan)。與普通鈦合(he)(he)金(jin)相比,這(zhe)4類高溫鈦合(he)(he)金(jin)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)塑(su)性(xing)、斷裂(lie)韌(ren)度(du)、沖擊韌(ren)度(du)均更低,缺(que)口(kou)敏感(gan)性(xing)大,裂(lie)紋(wen)尖端(duan)的(de)(de)(de)(de)(de)應力通過局部(bu)(bu)塑(su)性(xing)變(bian)(bian)形而下降的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)力較差。特(te)別是TiAl合(he)(he)金(jin),具有相當低的(de)(de)(de)(de)(de)室溫拉伸塑(su)性(xing)和(he)抗疲(pi)勞裂(lie)紋(wen)擴展(zhan)性(xing)能(neng)(neng),但在(zai)(zai)接(jie)近700℃時會(hui)(hui)顯著改善[31] ,而且(qie)初始蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形速率大。根據(ju)這(zhe)類材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)特(te)點,設(she)(she)計并制(zhi)(zhi)定(ding)(ding)科學(xue)合(he)(he)理的(de)(de)(de)(de)(de)技術(shu)指標,發(fa)揮熱強性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)同時,應保證有足夠的(de)(de)(de)(de)(de)塑(su)性(xing),充分重(zhong)視制(zhi)(zhi)件的(de)(de)(de)(de)(de)斷裂(lie)性(xing)能(neng)(neng)。發(fa)動機設(she)(she)計選(xuan)(xuan)材(cai)(cai)(cai)(cai)和(he)強度(du)計算(suan)(suan)時,需要建(jian)立完整(zheng)(zheng)的(de)(de)(de)(de)(de)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)設(she)(she)計性(xing)能(neng)(neng)數據(ju)庫(ku)。對于(yu)低塑(su)性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)TiAl合(he)(he)金(jin),應根據(ju)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)特(te)性(xing),確定(ding)(ding)合(he)(he)理的(de)(de)(de)(de)(de)部(bu)(bu)件設(she)(she)計和(he)定(ding)(ding)壽方法,以及成(cheng)本合(he)(he)算(suan)(suan)的(de)(de)(de)(de)(de)供應鏈[32] 。合(he)(he)理控制(zhi)(zhi)TiAl合(he)(he)金(jin)制(zhi)(zhi)件結構的(de)(de)(de)(de)(de)設(she)(she)計應力水平(ping),避免出現(xian)明顯的(de)(de)(de)(de)(de)應力集中,提高表面完整(zheng)(zheng)性(xing)[31] 。科學(xue)評價這(zhe)些鈦合(he)(he)金(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)阻燃性(xing)能(neng)(neng)也(ye)至關重(zhong)要。此外,無論整(zheng)(zheng)體葉盤還是整(zheng)(zheng)體葉環,在(zai)(zai)高溫下使用(yong)(yong)時,同一個(ge)零件上存在(zai)(zai)溫度(du)梯(ti)度(du),一部(bu)(bu)分材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)會(hui)(hui)約束另一部(bu)(bu)分材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)形,在(zai)(zai)溫度(du)梯(ti)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)作用(yong)(yong)下會(hui)(hui)引起熱應力,影響部(bu)(bu)件的(de)(de)(de)(de)(de)疲(pi)勞性(xing)能(neng)(neng)和(he)使用(yong)(yong)可靠(kao)性(xing)。

超高周疲勞性能研究(jiu)

實際上鈦(tai)合(he)(he)金(jin)材(cai)料不存(cun)在(zai)高周(zhou)疲(pi)(pi)勞(lao)極限。美國的發(fa)動機結構(gou)完整(zheng)(zheng)性(xing)(xing)項目(Engine Structural Integrity Program,ENSIP)1999版和2004版均要求(qiu)鈦(tai)合(he)(he)金(jin)發(fa)動機零(ling)部件的高周(zhou)疲(pi)(pi)勞(lao)壽(shou)命(ming)最低(di)應(ying)(ying)達到109周(zhou)次(ci)[33] 。隨(sui)著作用(yong)應(ying)(ying)力的下降,疲(pi)(pi)勞(lao)裂紋萌生位置由(you)表(biao)面(mian)(mian)傾向于在(zai)內(nei)(nei)部發(fa)生[34] 。對于600℃高溫鈦(tai)合(he)(he)金(jin)整(zheng)(zheng)體(ti)葉(xie)盤、鈦(tai)基復合(he)(he)材(cai)料整(zheng)(zheng)體(ti)葉(xie)環以(yi)(yi)及(ji)TiAl合(he)(he)金(jin)葉(xie)片(pian),因(yin)葉(xie)片(pian)的疲(pi)(pi)勞(lao)性(xing)(xing)能(neng)對振動應(ying)(ying)力非常敏感,應(ying)(ying)充分(fen)研究其超高周(zhou)疲(pi)(pi)勞(lao)行(xing)為及(ji)性(xing)(xing)能(neng)。合(he)(he)理(li)選用(yong)適當的表(biao)面(mian)(mian)強化手段,如激光沖擊強化和低(di)塑性(xing)(xing)拋(pao)光等,以(yi)(yi)提高葉(xie)片(pian)的超高周(zhou)疲(pi)(pi)勞(lao)性(xing)(xing)能(neng),防止葉(xie)片(pian)失(shi)效引(yin)起內(nei)(nei)物損(sun)傷和災難性(xing)(xing)失(shi)效。