1、 概述

1.1 高温钛合金生长历程

近年来，，，，，，，，随着科技及军工水平的一直飞升，，，，，，，，对航空发念头推重比性能以及压气机的事情状态要求更为苛刻，，，，，，，，在依赖整体叶盘、叶环等新型结构件的同时，，，，，，，，还要更多地依赖于具有高比强度、低密度和耐高温强的先进合金质料，，，，，，，，而高温钛合金恰恰切合了这一要求。。。。。。外洋先进航空发念头中，，，，，，，，高温钛合金用量已占到发念头结构中的 25%~40%，，，，，，，，足以证实高温钛合金是不可或缺且具有研发性的金属质料 [1] 下面将系统性的先容航空航天用高温钛合金的研究生长历程。。。。。。从 20 世纪 50 年月以来，，，，，，，，英国、美国、俄罗斯和中国等国家竞相研制出差别使用温度的 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 系高温钛合金，，，，，，，，使得高温钛合金走过了快速生长的蹊径。。。。。。1954 年，，，，，，，，美国研发出了第一种适用型高温钛合金 TC4，，，，，，，，高温长时使用温度为 300~350℃，，，，，，，，被普遍使用 [2] 。。。。。。至 20 世纪 60 年月，，，，，，，，美国又乐成开发出可以在 450℃条件下使用的 Ti-6246 和 Ti-6242 合金，，，，，，，，随后其他各国相继研究出使用温度高达 400℃的 IMI550、BT3-1 等钛合金，，，，，，，，450~500℃的 IMI679、IMI685、Ti-6246 等钛合金以及 500~550℃的Ti-6242S、IMI685、IMI829、BT2、BT18Ｙ等钛合金 [3] 。。。。。。航空发念头性能的一直提升对高温钛合金的使用温度提出了更高的要求，，，，，，，，自 20 世纪 80 年月以来，，，，，，，，为知足发念头用材耐热轻质的需求，，，，，，，，600℃高温钛合金相继问世 [4] 。。。。。。1984 年，，，，，，，，英国的 IMT 钛公司和 Rolls-Royce 公司团结开发出了国际上第一个使用温度达 600℃的高温钛合金 IMI834。。。。。。1988 年，，，，，，，，美国开发出适用温度 600℃的 Ti1100 高温钛合金。。。。。。1992 年，，，，，，，，俄罗斯在 BT18Y的基础上用 5%的高熔点 W 取代 1%Nb，，，，，，，，开发出 600℃的高温钛合金 BT36 [5] 。。。。。。经由 50 多年的研究探索，，，，，，，，于21 世纪初，，，，，，，，高温钛合金短时使用温度可稳固抵达 600℃。。。。。。在 600℃及 600℃以上的情形中，，，，，，，，高温钛合金可取代钢或镍基合金用于制造航空发念头压气机轮盘、叶片、整体叶盘、机匣等，，，，，，，，减轻结构 40%左右的质量，，，，，，，，显著提高发念头的推重比和使用性能 [6] 。。。。。。为突破高温钛合金 600℃的热障温度，，，，，，，，美国麦道公司接纳快速凝固/粉末冶金手艺，，，，，，，，乐成研制出一种使用温度抵达 650℃以上的高温钛合金，，，，，，，，并且在 760 ℃下其强度与现在常温下使用的钛合金强度基本一致 [7] 。。。。。。

我国高温钛合金研发事情起步较晚，，，，，，，，从最初的仿制到国际相助以及现在的自主研发，，，，，，，，获得了各具特色因素和性能的高温钛合金，，，，，，，，如图 1 所示为我国航空发念头用高温钛合金生长历程 [8] 。。。。。。其中 Ti-53311S 高温钛合金使用温度为 550℃，，，，，，，，用作航空发念头的耐热部件，，，，，，，，在航天工业领域中普遍应用。。。。。。我国自主研发的 600℃高温钛合金有中科院的 Ti60 合金、西北有色金属研究院的 Ti600 合金、北航研究院的 TG6 合金以及航天所与上海钢铁研制所配合研制开发的 600℃短时 7715D 高温钛合金，，，，，，，，后者于 1994 年乐成用于通讯卫星 FY-25 发念头喷注器并圆满完成太空使命 [9] 。。。。。。在 2007 年后，，，，，，，，由中科院金属研究所、宝钛集团和北京航空质料研究院相助开发了一种十组元短时使用温度 750℃、长时使用温度 650℃的近 α 型高温钛合金—Ti65 合金 [10] 。。。。。。2009年航天三院通过刷新古板钛合金各元素含量配比获得了一种新型短时使用温度为750℃的近α高温钛合金—Ti75 合金 [11] 。。。。。。近十几年来，，，，，，，，我国没有研制出使用温度更高的新型高温钛合金。。。。。。

图 1 我国航空发念头用高温钛合金生长历程

1.2 高温 Ti-Al 基质料生长历程

高温钛合金的生长受到 600℃热障温度的局限性影响，，，，，，，，有序强化型 Ti-Al 系金属间化合物便成为科研学者们的研究重点。。。。。。密度（3.9~4.0g/cm 3 ），，，，，，，，不到镍基合金的 50%，，，，，，，，具有较高弹性模量，，，，，，，，优异的高温强度、抗蠕变性能和抗氧化力等优点，，，，，，，，且高温稳固使用温度可以抵达 700~900℃。。。。。。从 20 世纪 50 年月最先，，，，，，，，苏联和美国等国家热衷于 TiAl 合金的研究事情，，，，，，，，并且发明二元铸造 TiAl 合金具有优异的高温力学性能和优异抗氧化性 [12] 。。。。。。于 1975~1983 年，，，，，，，，TiAl 合金主要研究偏向为合金元素的调控。。。。。。美国 Pratt&Whitney 实验室的M.Blackburn 等人基于塑性和抗蠕变性能研发出 Ti-48Al-1V-0.3C 合金，，，，，，，，其室温塑性可达 2%，，，，，，，，并称之为第一代 TiAl 合金。。。。。。该合金的强度不可知足发念头部件的使用温度要求，，，，，，，，从而最终只停留在实验室研究阶段 [13] 。。。。。。

1986~1991 年间，，，，，，，，由美国空军和 GE 公司配合开发的 Ti-48Al-2Cr-2Nb 铸造合金合金已乐成获得应用，，，，，，，，成为第二代 TiAl 合金中最具有代表性的合金，，，，，，，，该合金具有优异的综协力学性能。。。。。。；；；；旧显谕骋皇逼，，，，，，，，瑞典 ABB公司开发了 Ti-47Al-2W-0.5Si 合金。。。。。。第二代 TiAl 合金平均稳固使用温度 650℃，，，，，，，，于 1992 年，，，，，，，，戴姆勒疾驰集团属下的发念头公司—希哈芬公司首次对合金发念头叶片举行了试验，，，，，，，，在经由 1000 次循环后完好无损；；；；；1995年，，，，，，，，外洋某高明声速航行器的蒙皮首次试用了 TiAl 合金板材，，，，，，，，极大的增进了天下规模内对合金板材的研究与推广；；；；；1996 年，，，，，，，，GE 公司用铸造的要领，，，，，，，，生产制造了适用于航空发念头的 TiAl 合金叶片，，，，，，，，并将其推广应用；；；；；1999 年，，，，，，，，TiAl 基合金首次被商业应用于三菱赛车的涡轮增压机 [14] 。。。。。。第三代 TiAl 合金是由我国北京科技大学陈国良教授首先研究并提出，，，，，，，，其特点为 Nb 含量为 5%~10%（质量分数），，，，，，，，又称为高 Nb-TiAl 基合金，，，，，，，，可大幅度提高 TiAl 合金抗氧化性和高温强度 [15] 。。。。。。在此基础上，，，，，，，，海内外科学家配合起劲，，，，，，，，使 TiAl 合金的熔模铸造手艺取得了重大的突破，，，，，，，，GEnx 航空的第六级和第七级镍基涡轮叶片已经被 Ti-48Al-2Cr-2Nb 叶片取代，，，，，，，，多个该合金的零部件也已经乐成举行发念头装机实验 [16] 。。。。。。2004 年 4 月启动研究开发的“梦想客机”波音 787乐成试飞，，，，，，，，其使用的发念头 GEnx 上接纳了 TiAl 合金的铸造叶片，，，，，，，，这标记着合金应用正在一直走向成熟 [17]在汽车和其他主要应用领域，，，，，，，，TiAl 合金也获得了长足的生长。。。。。。著名航空发念头厂商、全球最顶级豪华汽车制造商 Rolls-Royce，，，，，，，，在车型 courtesy F Appel 上使用了 Ti-45Al-8Nb-0.5（B,C）合金铸造的涡轮 [18] 。。。。。。奥地利Plansee 公司研制了 γ-MET 系列合金，，，，，，，，德国 GKSS 研究中心研制了 Ti-46Al-9Nb（TNB）系列合金，，，，，，，，双方还相助开发了 Ti-48Al-2Cr 合金等 [12] 。。。。。。TiAl 合金的研究已经有了几十年的历史，，，，，，，，可以将其总结为典范的几种，，，，，，，，如表 1 所示为典范几代 TiAl 合金。。。。。。

2 、工艺制备及手艺特点

2.1 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 系高温钛合金

高温钛合金应首先具有高的热强性，，，，，，，，同时兼顾其他力学性能，，，，，，，，因此常接纳近 β 铸造以及 β 固溶处置惩罚等工艺手段来获得具有 α 片层和少量剩余 β 相组织的高温钛合金 [19] 。。。。。。因天下各国对高温钛合金的性能要求差别，，，，，，，，故对高温钛合金制备工艺的选择也不尽相同。。。。。。美国研发高温钛合金的思绪主要是将多元合金化和组织调控相团结，，，，，，，，通过调解合金元素的种类和含量以及热处置惩罚制度来兼顾合金高的疲劳强度和蠕变强度，，，，，，，，使其在高温下能实现热强性与热稳固性的最佳匹配。。。。。。有别于美国，，，，，，，，英国更重视高温钛合金的蠕变强度，，，，，，，，所开发的高温钛合金因素中基本都含有 Si 元素，，，，，，，，研发思绪主要是依赖 α 相的固溶强化来提高质料力学性能。。。。。。早期俄罗斯研发的高温钛合金中除加入合金元素 Al、Mo、Si 外，，，，，，，，还加入有共析型 β 稳固元素 Cr、Fe 来强化 α 和 β 相 [20] 。。。。。。

但通过进一步研究发明，，，，，，，，Fe 虽然是最强的 β 稳固元素之一，，，，，，，，但它的加入会影响高温钛合金的热稳固性，，，，，，，，且熔炼时易爆发偏析，，，，，，，，以是逐渐镌汰了对 Fe 的使用，，，，，，，，后期至今俄罗斯对高温钛合金的研究越发成熟，，，，，，，，现已形成了一套完整的钛合金系统 [21] 。。。。。。现在，，，，，，，，能稳固应用于航空发念头上的钛合金的长时使用温度仍不凌驾600℃，，，，，，，，若高于 600℃，，，，，，，，合金的蠕变抗力和高温抗氧化性则急剧下降，，，，，，，，只能作为短时高温钛合金结构件质料。。。。。。

2.2 TiAl 系高温钛基质料

在已往 10 年左右的时间里，，，，，，，，人们研究的因素规模主要集中在 Al 含量为 44%~48%（原子数）之间的合金。。。。。。高温航空零用部件的需求量越来越大，，，，，，，，许多合金系列都是这些部件的备选质料，，，，，，，，但均有其适当的使用温度。。。。。。TiAl 系合金的目的是在 600~900℃规模内取代超合金。。。。。。其性能对因素高度敏感，，，，，，，，高含量 Nb 加入会加重其室温塑性和断裂韧性的损失；；；；；加工温区太窄，，，，，，，，中低温强度低，，，，，，，，险些很难依赖加工硬化来提高合金的强度；；；；；无 Cr 的 TiAl 基金属间化合物在 500~900℃的耐侵蚀性能差，，，，，，，，元素熔点差别大，，，，，，，，制备高质量合金铸锭工艺繁琐重大并且本钱很高 [22] 。。。。。。现在提高 TiAl 合金室温塑性的途径概略上有三种：通过合金化调解晶体结构，，，，，，，，增添有序结构的对称性；；；；；强化晶界以抑制情形脆性；；；；；形成多相合金，，，，，，，，使用具有较好塑性的第二相，，，，，，，，界面效应和组织细化以减小位错滑移距离等 [23] 。。。。。。

几十年来，，，，，，，，美国、奥地利、德国、日本和俄罗斯在 TiAl 合金板材制备研究较为成熟。。。。。。美国的 UES 的Kim 和 Chani、美国橡树岭国家实验室的 C.T.Liu、德国的 GKSS、中国的西北有色金属研究院、哈工大、北科大、中南大学等都对合金举行了详尽的研究，，，，，，，，并且已经有所收获 [24] 。。。。。。美国的通用电气、霍梅特、普惠、英国的劳斯莱斯和日本的石川岛播磨重工业株式会社等多门第界一流的航空发念头制造商都对合金举行了相关研究，，，，，，，，并且对其应用所需的综合指标举行了系统测试，，，，，，，，有用提高了该合金的产品使用率。。。。。。

3、 优势及应用局限性

3.1 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 系高温钛合金

在 600℃以下 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 系高温钛合金的比强度、比蠕变强度和比疲劳强度方面较结构钢、铝合金以及镍基高温合金优势显着。。。。。。以钛取代镍，，，，，，，，可在坚持一律强度的条件下，，，，，，，，减重 70%并具有较好的服役性能，，，，，，，，在航空发念头的耐高温部位中有着相当大的应用潜力。。。。。。然而，，，，，，，，高温抗蠕变性能和高温抗氧化性能随温度的升高而急剧下降是现在新型高温钛合金及钛基质料研制所面临的主要问题。。。。。。对近 α 钛合金的设计也逐渐趋向多元高合金化，，，，，，，，好比在古板高温钛合金的基础上添加 0.1%~0.5%（质量分数）的 Si，，，，，，，，通过天生硅化物能够显著提高合金的高温强度和抗蠕变性能；；；；；在高温钛合金中添加 Nb、Y、Nd 等稀土元素，，，，，，，，通过稀土元素的内氧化形成高熔点化合物，，，，，，，，降低基体氧含量，，，，，，，，提高合金的高温抗氧化性能和蠕变性能。。。。。。也可接纳特殊加工工艺、耐高温涂层的要领来提高高温钛合金性能。。。。。。而当使用温度高于 600℃时，，，，，，，，合金的热强性与热稳固性难以匹配协调，，，，，，，，合金的抗氧化性急剧下降，，，，，，，，外貌氧化严重，，，，，，，，导致合金热稳固性以及疲劳性能下降，，，，，，，，甚至可能使航空发念头高压压气机部位的零部件保存“钛火”危害。。。。。。

从最初英国的 IMT 钛公司和 Rolls－Royce 公司研发的第一个 600℃高温钛合金 IMI834 到现今近 30 多年的时间里，，，，，，，，国际上仍未有成熟稳固的 600℃以上高温钛合金泛起。。。。。。其主要缘故原由有两点：（1）600℃以上的使用温度下高温钛合金难以实现有用强化及强韧性的匹配。。。。。。（2）600℃以上的使用温度下，，，，，，，，合金外貌将爆发严重氧化，，，，，，，，使得合金外貌不稳固，，，，，，，，性能进一步恶化。。。。。。热强性与热稳固性是限制高温钛合金生长的一对主要矛盾。。。。。。

3.2 TiAl 系高温钛基质料

此类合金在 600~750℃时具有优异的抗蠕变性能，，，，，，，，极限温度可抵达 900℃，，，，，，，，被以为是现在金属间化合物中最有希望作为高温情形下使用的发念头叶片的质料。。。。。。兼具高导热系数，，，，，，，，是 Ni 基合金的两倍，，，，，，，，有望部分取代 Ni 基高温合金，，，，，，，，普遍应用于航空发念头或汽车领域的高温结构部件。。。。。。然而，，，，，，，，TiAl 系高温钛基质料室温延展性欠缺、高温强度以及高温抗氧化性缺乏，，，，，，，，室温塑性较差，，，，，，，，高温强度较低。。。。。。提高其事情温度会受到蠕变、长期、外貌抗氧化、组织稳固性、热盐应力侵蚀等性能的限制，，，，，，，，室温韧性差，，，，，，，，易爆发脆性断裂；；；；；而在 800℃以上的情形中，，，，，，，，抗氧化能力较弱，，，，，，，，变形加工性能较差，，，，，，，，难以加工成结构部件；；；；；850℃以上抗氧化能力缺乏 [25] ，，，，，，，，阻碍了高温钛基质料的应用生长。。。。。。为此，，，，，，，，探索改善 TiAl 基合金以上缺乏的途径和要领成为当务之急，，，，，，，，许多学者为此睁开了大宗的研究，，，，，，，，复合强韧化的头脑被引入进来，，，，，，，，用以改善 TiAl 基合金室温断裂韧性与高温强度 [26,27] 。。。。。。针对 TiAl 合金而言，，，，，，，，为实现其在 800℃～900℃温度下恒久使用，，，，，，，，可接纳原位自生复合要领在 TiAl基体中同时引入多种增强相，，，，，，，，可望通过差别特征的复合相抵达提高或改善 TiAl 基体的多种性能，，，，，，，，而在复合历程中要注重增强相的形态、体积分数、取向以及其漫衍状态等问题 [28] 。。。。。。

4、 高温钛合金及 Ti-Al 基质料未来生长趋势

关于怎样生长高温钛合金及 Ti-Al 基质料的问题，，，，，，，，其基调无外乎是降低工艺生产本钱的同时使产品产量化，，，，，，，，扩大应用领域的同时更要知足工业需求，，，，，，，，即量到质的转变。。。。。。就现在而言，，，，，，，，高温钛合金及 Ti-Al 基质料多应用于古板市场，，，，，，，，航空航天部分是上述质料最大的消耗方，，，，，，，，则需镌汰高温钛合金及 Ti-Al 基质料的生产工艺本钱，，，，，，，，从而包管开源节约的同时提高产品的应用性能，，，，，，，，制备出具有耐高温、优异热稳固性和热强性的长时高温钛合金及 Ti-Al 基合金质料，，，，，，，，为发念头、叶盘、飞机机身等结构质料提供优质货源；；；；；而在古板化学和能源

工业，，，，，，，，兼具耐高温的同时则更应专注于产品的耐蚀度、高强度、抗疲劳及使用寿命。。。。。。在多元化的工业领域中，，，，，，，，不盲目开发，，，，，，，，而是有针对性的公关质料的使用性能，，，，，，，，拓宽质料的应用领域，，，，，，，，研制出新的产品。。。。。。我们可使用现有的行业标准及资源，，，，，，，，基于现有手艺开发水平，，，，，，，，一直探索学习与立异，，，，，，，，将海内外钛手艺融合，，，，，，，，举行大宗的实验及质料评估，，，，，，，，完善产品性能并建设一定的数据库，，，，，，，，为开发出特定情形下使用的高温钛合金及 Ti-Al 基质料产品做好富足的准备。。。。。。

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