俄航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫鈦合金發(fā)展綜述

1、俄航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫鈦合金發(fā)展綜述魏壽庸' 何 瑜i王青江2劉羽寅彳仃1寶雞有色金屬加工廠寶雞721014）（21中科院金屬研究所，沈陽110016）摘要:介紹了俄羅斯高溫鈦合金的成分特點(diǎn)、相組成特點(diǎn)、性能比較和應(yīng)用情況,可作為中國高溫鈦合金研制 和開發(fā)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)選材的參考。尖鍵詞:航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫鈦合金性能development of the aero - engine heat resistingtitanium alloys in russiawei shouyong1 he yu1 wang qingjiang2 liu yuyin2 (1 ibaoji non - ferrou

2、s metal works, baoji 721014 ,china) (21 institute of metal research , chinese academy of sciences , shenyang 110016 ,china) abstract:development and applications of the heat - resisting titanium alloys in russia are introduced these can give a reference to aviation industly in chinakey words : aero

3、engine ; heat - resisting titanium alloys; performance1引言高溫鈦合金以其優(yōu)良的熱強(qiáng)性和高比強(qiáng)度，在 航空發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得了廣泛的應(yīng)用。為了滿足設(shè)計(jì)高 性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，多年來 俄羅斯（含前蘇聯(lián)） 十分重視對高溫鈦合金的研制與開發(fā)。早在20世 紀(jì)50年代末期就開發(fā)出了 bt6、bt31、bt8、bt9 等牌號的鈦合金，六七十年代又研制和開發(fā)了 bt18.bt25合金。為了提高高溫鈦合金的性能和 工作壽命，在原有合金的基礎(chǔ)上改進(jìn)研制了 bt18y. bt25y、bt8m、bt81和bt8m - 1等牌號的高溫 鈦合金。各時(shí)期高溫鈦合金工作溫度

4、和壽命情況見 表1。近年來又在進(jìn)行bt36合金的硏制開發(fā)工作。本文綜述了有關(guān)俄羅斯（含前蘇聯(lián)）高溫鈦合金 的成分、性能和應(yīng)用情況以供國內(nèi)硏制開發(fā)和應(yīng)用 該類鈦合金作參考。牌號研發(fā) 時(shí)間工作溫度（°g允許工作時(shí)間（h）退火狀態(tài)熱處理狀態(tài)bt61956 年35() 400無限1000bt3- 11957 年4503000500400無限60004506000100()bt91958 年50050010055()100450無限6000bt81958 年5006000500bt181963 年500 600500450無限bt251971 年50060005503000btlsv1972

5、年600bt25v80年代550bt8m90年代450bt8 - 190年代500bt8m- 190年代450表i俄高溫鈦合金的工作溫度和壽命注:研發(fā)時(shí)間中的年代均為20世紀(jì)。旳箱fi期刃)0407012俄高溫鈦合金的成分和相組成特點(diǎn)211成分特點(diǎn)俄羅斯早期（前蘇聯(lián)）研發(fā)的高溫鈦合金（如 b t31）是含有共析型b元素cr和fe的tial mocrfesi系合金，見表2。隨后又硏發(fā)了 bt8 xbt9和b tl 8合金，這些合金均不含有共析型 p元素因而合金的熱強(qiáng)性能和工作壽命均有所振 高。于20世紀(jì)70年代研發(fā)的高溫鈦合金中加入了 1 %的w ;雖然w也是一種共析型p元素，但是它出 共極反應(yīng)

6、溫度較高（715。0 ,因此可以認(rèn)為含w的 合金比含cr的合金具有更好的熱穩(wěn)定性和更高菸 熱強(qiáng)性能。到了 80年代，在原有合金成分基礎(chǔ)上， 改進(jìn)和研發(fā)了 bt18y、bt25y、bt81和bt8m1 等合金，除bt25y合金含有w元素外，其他合金e 含有al、sn、zr等a穩(wěn)定元素和部分mo、nb等p穩(wěn) 定兀素 ，以及微量的si。這些經(jīng)改進(jìn)的合金較原合 金均有更好的綜合性能，并延長了使用壽命| 5。 2.2相組成特點(diǎn)按照亞穩(wěn)定狀態(tài)相進(jìn)行分類，高溫鈦合金一矗 屬于近a和馬氏體a尬型鈦合金。高溫鈦合金中合金鋁和鉗當(dāng)量可按照下列公式 計(jì)算3 :a,= %a1+ t%sn+t%zr + 10%

7、6;mo= %mo + %nb/3.3 + %w/2 +%v/1.4+ %cr/ （）.6+ %fe/o. 5（2）根據(jù)式（1）,（2）,俄羅斯（含前蘇聯(lián)）高溫鈦合金 的鋁和鋁當(dāng)量的計(jì)算結(jié)果見表2。從表2可以看出，俄羅斯（含前蘇聯(lián)）高溫鈦合 金（除bt18合金外）的鋁當(dāng)量一般為6.5 9.0 ;隆 著鋁當(dāng)量的提高其熱強(qiáng)性順序依次為bt6 -bt3 1 -bt8m -bt8m 1 bt8 ft8 1 bt25y -bt25tbt18y。其鋁當(dāng)量均不超過9.0 %,符合 高溫鈦合金鋁當(dāng)量的設(shè)計(jì)原則，從成分上保證了這 些合金具有較好的熱強(qiáng)性能和使用壽命。3俄高溫鈦合金的性能比較311俄標(biāo)準(zhǔn)要求的基本

8、性能俄羅斯高溫鈦合金產(chǎn)品包括軋棒、鍛棒、葉片、 盤等。其oct標(biāo)準(zhǔn)要求的基本性能見表3小。 3.2不同溫度下的力學(xué)性能俄羅斯（含前蘇聯(lián)）硏發(fā)及應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的 言w旦左仝仝白土壬bt2 - 1 rta rt2 r tq rt12bt22、bt25y和bt18y等，這些合金在不同溫度下 的性能見表9"。3.3持久蠕變性能俄咼溫鈦合金的持久和蠕變性能見表10。3.4疲勞性能俄高溫鈦合金的疲勞性能見表ho 3.5斷裂性能俄高溫鈦合金的斷裂性能見表12。4結(jié)束語俄羅斯（含前蘇聯(lián)）高溫鈦合金的使用溫度及應(yīng) 用狀況如圖1所示，并見表13 ,14“。俄羅斯早期 （前蘇聯(lián)）研發(fā)的bt31、bt8、

9、bt9、bt18等合金 在使用過程存在一定的局限性，如bt31合金含 有共析型p元素cr和fe，在熱穩(wěn)定性、熱強(qiáng)性及使 用壽命等方面存在不足；又如b t9合金雖然不含共 析型元素，但是其熱穩(wěn)定性差，在550 °cf僅允許使 用10（）h,故其壽命較短。為了提高和延長高溫鈦合 金的綜合性能與使用壽命，在原有合金基礎(chǔ)上，俄羅 斯（含前蘇聯(lián)）相繼改進(jìn)和硏發(fā)了一些新合金，如 bt8 1、bt8m、bt8m 1 、bt25y、bt18y 等。另 外，綜合性能優(yōu)良的b t22、b t6合金也被列入航空 發(fā)動(dòng)機(jī)選用材料系列中。這些合金的熱強(qiáng)性能由低 到高的順序依次為bt22 t3t6 -bt8 t

10、t8m - 1 -bt9 -bt25y f t18y -bt36，為此，俄羅斯新型 發(fā)動(dòng)機(jī)多采用綜合性能優(yōu)良的鈦合金（見表13），當(dāng) 工作溫度不大于350 °c0寸使用bt22和bt6合金; 而在400 500 °gg圍使用bt81、bt8m1合 金，在500 550范圍使用bt25y合金，在550 600 °g®圍使用bt18y合金。使用溫度達(dá)到600 °c 的bt36合金正在逬行適用性研究，而bt3- 1、 b t9、b t25等合金僅在老式發(fā)動(dòng)機(jī)上使用。這些經(jīng) 驗(yàn)可為中國高溫鈦合金的研制、開發(fā)和選用上述合 金提供參考。700bt9bt18

11、v600btdbt25y0t&1500bt250t8m 1400bt3-1bt6300bt222001950i9601970198019902000圖i俄羅斯高溫鈦合金的使用溫度及年限表2俄高溫鈦合金的化學(xué)成分和鋁鑰當(dāng)量合金類別牌號名義成分(wt %)moal工作餾°o研發(fā)時(shí)間ifiabt18ti 7.5a1 hzr- 0.7mo - inb- 0. 15si1.01().25506001963 年近abt18yti 6.5a1 2.5sn 4zr ().7mo inb 0. i5si1.09.05506001972 年a書bt6ti 6ai 4v2.97.0350 4(x)

12、1956 年a +pbt9ti 6.5a1 1.5zr 3mo - 0.25si3.07.845() 50()1958 年a +pbt8ti 6. 5al 3.3mo 03si3.37.54505001958 年a書bt8 - 1ti - 6.3ai - isn- izr- 33mo - 0. 18si3.37.8450 5(x)20世紀(jì)90年代a +(3bt8mti - 5.5ai - 4mo - 0.2si4.06.54502()世紀(jì)90年代a +pbt8m- 1ti - 5.4a1 - isn - lzn- 4mo 0. 15si4.06.945020世紀(jì)90年代a尬bt25ti - 6

13、. 7 al 1.5sn 1.5zr- 2mo 1w 0. 15si2.58.85005501971 年a +(3bt25yti 6.5a1 1.8sn 4zr 4mo - 1w ().2si4.58.3500 55()2()世紀(jì)80年代a邛b t3 1ti 6a1 2. 5mo 1.5cr- 0. 5fc - 0. 3si6.07.03504001957 代表3俄標(biāo)準(zhǔn)oct規(guī)定的高溫鈦合金軋制和鍛制棒材的性能牌號狀態(tài)規(guī)格(mm)力學(xué)性能布氏硬度 (壓痕直徑) 10/ 3000mmq(mpa)/%)諷%)ak(j/crr?)退火10-60980 122610.030.029.43.2 3.7&

14、lt;406.020.019.63.03.3bt3- 1sta>40>11776.016.017.63.0-3.365 100980- 118010.025.03() 03237退火<150930 - 11808.021.030.03237<25093()11808.020.030.03237退火10 6()902104910.030.039.23338sta1()150>10796.020.029.43. 1 34bt665 10090() 105010.027.030.03.3-3.8退火<025.035.03.3-3.8<

15、250835 10506.020.030.03.3-3.810-60980 12259.030.029.43237退火65 100980 11809.025.030.03.2-3.7bt8<150930 - 11808.022.030.03.2-3.7<25093() 11806.016.030.03237sta<15011306.015.020.03033退火<50103012269.030.029.43237sta>50-601030- 12269.025.029.43237bt965 1001030- 12309.025.030.03237退火>110

16、980 12307.018.035.()3.2-3.7<25093512306.014.030.03.2-3.7<351080 122510.030.030.031 36>35 601080- 12259.025.030.03. 1 36退火>60 1001080- 12808.016.025.03. 1 3 6bt22> 100 150108012807.016.025.03. 1 3. 614()25()1080- 12806.014.030.03. 1-3.6<40>12757.018.020.03. 1-3.3sta>40>1275

17、6.016.018.03133注:< <250mm為鍛棒的橫向性能。表4俄標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的葉片用高溫鈦合金棒材的室溫力學(xué)性能(0ct1 90006 - 86)牌號狀 態(tài)規(guī)格(mm)綣(mpa)*%)州)ac (j/cm2)bt3 1退火<50980-1180123530>50980 -1180123230退火> 20 40930 1130103535bt6>40900 i100103535bt8退火980 1180112830退火<501030- 1230113330bt9>501030- 1230112830bt18y退火>20-3588010

18、80102523注：3為u型缺口。表5俄標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的高溫鈦合金葉片的力學(xué)性能(oct1 90002 - 86)合金牌號桃理"才工円匕 (壓痕八二十，5、£,、“、3 ,有限疲勞極限直徑)(10/n(j/cnf) (mpa) 300()mm)力學(xué)性能hrc930 1120103035440333828-38.593011801030354603.3-3.828-38.51030- 1230927304703 1 3. 635435t6b等溫退火98() 118010303044032373()4().5bt3 1雙重退火1030- 1230927304903.23.73040.

19、5時(shí)效1030123092730490323730-40.5bt18y退火時(shí)效930 - 1130930-1130101027252525333833382838528385bt22sta118()133()102530雙重退火108() 11801030304603237304()5bt8時(shí)效1030- 1230722274903.2-3.730-40.5時(shí)效1180- 1380622255103.03.436.5-45.5雙重退火1030- 12301030304603.23730-40.5bt9時(shí)效108()128072225510323730-40.5時(shí)效118013806222554

20、0303436.5-45.5表6俄標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的卩鍛造盤件的力學(xué)性能(ty192 - 32 - 80)合金牌號盤模鍛件質(zhì)量布氏硬度(壓痕直徑)bt3 - 1bt8(kg)<5(mpa)b%)m%)ak(j/ cm2)(10/ 3000mm)<2596182029.4> 25 5094181829.4>5() 10094171829.4>10020093271629.4323732373.2 3.73.2-3.7<2598081829.4>25-5096181829.4>50 10093271629.4> 100 20093261429.4323

21、732373237<25101081629.43.2 3.7> 25 50101071529.43.2 3.7bt9>50 10099061429.43.2-3.7> 10020098024.53.2-3.7bt18y<5093271524.53.3-3.7> 50 20088361424.53.3-3.7<5098071529.4323.73.237bt25>50 20098061429.43237表7俄標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的葉片用高溫鈦合金棒材的高溫和持久性能(octi 90006 - 86)合金牌號試驗(yàn)溫度(°g力學(xué)性能岳，> (mpa

22、)持久性能ob(mpa)t . >(h)6855040068566510()bt3 - i4506355705054010030068567550bt630068566510067450450735655100bt85006355205050010050068559050bt950()685560100bt18y60056027550600560265100bt2230010801030100表8俄標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的卩鍛造盤件的高溫和持久性能(ty1 - 92 - 32 -80)試驗(yàn)溫度力學(xué)性能持久性能合金牌號(°0綣,>(mpa)ob(mpa)t , >(h)400735

23、71650bt3 - 14506375985045066761850bt850053949050bt950068662850bt18y6005593145060055929410050073563750bt2555068644150表91我咼遍環(huán)口走仕個(gè)冋溫皮卜的刀字任眈性能bt22bt6bt3 - 1bt8bt8 - 1bt9bt25ybt25bt18ybt36$(mpa)11279309609609801130- 12251080980910102920 °c ©"mpa)孑)呱%)11306.010.010.010.0 10.08.06.07.07.05.0

24、18.030.025.025.025.022.015.015.015.07.0$(mpa)1029735815865823970945。廠 02 (mpa) 3()() c水 ) m %)91063063568588514125252比金(mpa)684930350 c<5.2 (mpa)6008854(21 pa)656785805793885872885940© 2 (mpa)400 °c* %) %)57062063560065586568569515121410105554532525性能bt22bt6bt3 1bt8bt8 - 1bt9bt25ybt25bt

25、18ybt36綣（mpa）735785705862g2(mpa)590590645855450 °c*%)171214m%)635555(mpa)655735588835833835885735© 2 (mpa)540560590805635675600500 °c*%)1612141013m%)6960604025(mpa)705785784785865686550 °c©2 (mpa)n%)52056077561056016151013“()68624525綣（mpa）665735635765637<5.2 (mpa)39052059

26、0490550600 °c*%)18161013m%)76665025岳(mpa)<5.2 (mpa)590635705588650 °c帀）221574%)8040(mpa)390470635700 °c<5.2 (mpa)n%)3754010m%)8550綣（mpa）195215375<5.2 (mpa)135800 °c*%)8040必）9280表10俄高溫鈦合金的持久和蠕變性能性能bt22bt6bt3 - 1bt8bt8- 1bt9bt25ybt25bt18ybt36300 °c10296957848039118043

27、50 °c646911幷（）（）400 °c450 °c617666862755540568666784784833656(m pa)500 °c441480588686627509666550 °c245392450431509490520600 °c215372314-343600 °c833588/470608274196-225350 °c509/470400 °c333470510q. 2/1()0/500450 °c255451470/392520529(m pa)500 °

28、;c235294/343372353352431/294550 °c98157215167215255/98續(xù)表9俄高溫鈦合金在不同溫度下的力學(xué)性能600 °c117147/5968/650 °c表11俄高溫鈦合金的疲勞性能性 能bt22bt6bt3 - 1bt8bt8- 1bt9bt25ybt25bt18ybt366 1 (mpa)431372421450392431314284255t(n =2 xl(門(°g35035()500450500500500550600a ih(mpa)294196157176215196196147157f ( n =

29、 & , kt=2.33)(°o30035030()500450500550550600q(mpa)588/6866376665094415394901( n = 104) ( °035050045055055055()600©“(mpa)441343392412392313284265"n = 10“，kl=3.35)(°o30035050045050()550600表12俄高溫鈦合金的斷裂性能性 能bt22bt6bt3 - 1bt8bt8- 1bt9bt25ybt25bt18ybt36kc (m pa 5387.5 109677878 9062.584.387.55968742-62.5kcu (j /)21.539.229.434.334.329.427.429.42