文章编号：1004-0609(2010)S1-s0801-06

600 ℃时高温钛合金(Ti60)的组织与力学性能

魏寿庸¹，石卫民¹，王鼎春¹，王清江²，陈志勇²，刘建荣²

(1. 宝钛集团有限公司，宝鸡 721014；

2. 中国科学院金属研究所，沈阳 110016)

摘  要：较全面地介绍600 ℃时高温钛合金Ti60的组织和力学性能，包括该合金的室温和高温拉伸、持久、蠕变和热稳定性能等，并与国外同类的高温钛合金进行比较。结果表明：该合金与IMI834和Ti-1100合金具有相类似的组织和性能。经双重退火处理后，获得双态组织，并含有强化相α₂和硅化物相。这种组织的合金材料具有优良的综合性能，有望用于制作航空发动机压气机盘和叶片等构件。

关键词：Ti60钛合金；组织；力学性能；应用

中图分类号：TG146　     文献标志码：A

Microstructure and mechanical properties of high temperature titanium alloy Ti60 at 600 ℃

WEI Shou-yong¹, SHI Wei-min¹, WANG Ding-chun¹, WANG Qing-jiang², CHEN Zhi-yong², LIU Jian-rong²

(1. Baoti Group Co., Ltd., Baoji 721014, China;

2. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

Abstract: The microstructure and mechanical properties, such as room and high temperature tensile property, creep property, creep rupture property and heat stability of a high temperature titanium alloy Ti60 were studied, and the alloy with another foreign high temperature titanium was compared. The results show that Ti60 alloy has a comparable microstructure and mechanical property as the IMI834 and Ti-1100 alloy. The precipitation of α₂ phase and silicides can be observed in Ti60 alloy and the bimodal structure is obtained after duplex heat treatment. Ti60 alloy has excellent mechanical property and is hopeful to be used in the disks and blades of aero engines.

Key words: Ti60 alloy; microstructure; mechanical property; application

Ti60钛合金是Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Ta-Si系多元复合强化的近α型高温钛合金，它是我国自行设计研制的具有自主知识产权的600 ℃高温钛合金。该合金用高合金化、微合金化和复合强化方式，在Ti-Al-Sn-Zr的基础上同时加入一定量的Ta、Nb和Mo 3种同晶型高熔点的β稳定元素，通过这3种元素与α稳定元素Al、Sn和Zr等合金元素之间恰当搭配和共同作用，使合金成为集细晶强化、固溶强化和第二相(α₂和硅化物)弥散强化于一身的多元复合强化的一种热强钛合金。它具有优良的综合性能，使它在工作温度下具有较高的热强性、抗氧化性和满意的热稳定性的良好匹  配^[1]。近年来，航空发动机压气机的工作温度已达到或超过600 ℃，目前投入使用的高温钛合金有英国的IMI834合金，美国的Ti-1100合金和俄罗斯的BT18Y合金^[2-5]。为满足我国航空发动机提高推重比的需求，中国科学院金属研究所、宝钛集团有限公司与中航工业集团燃气涡轮研究院、西安航空发动机制造公司、陕西宏远航空锻造有限责任公司和贵州安大锻造有限责任公司、北京航空材料研究院和西北工业大学等单位组织材料研制和应用研究联合课题组，对该合金进行多年的试验研究工作，在中国科学院金属研究所和宝钛集团有限公司完成小型试验、中型扩大试验的基础上，又在宝钛集团有限公司完成了工业化条件大型工业铸锭熔炼、棒材和饼环材加工和热处理等试验研究工作，已熔炼直径为710 mm大型工业铸锭，加工多种规格棒材(d 25~35 mm、d 250~300 mm)和饼环材 (d 460 mm×140 mm、d 220 mm×140 mm)，经航空部门检验和复验表明，这些材料达到技术指标要求，并由航空部门进一步加工和制作，已制成航空发动机压气机构件，质量符合航空构件技术条件质量和使用要求。

本文作者简述Ti60钛合金研制和应用研究所取得组织和性能数据，为合理选用该合金提供选材依据。

1  合金的成分和相组成

Ti60钛合金是一种Ti-A l-Sn-Zr-Mo-Nb-Ta-Si系多元复合强化的近α型高温钛合金，它的成分(质量分数，%)：Al 5.0~6.3；Sn 3.0~5.0；Zr 2.5~7.0；Mo 0.2~1.5；Nb 0.2~1.0；Ta 0.2~3.0；Si 0.2~0.55；C 0.01~0.09，其余为钛和不可避免的杂质元素^[1]。Ti60钛合金的成分和相组成如图1所示，由于该合金含有足量的α稳定

元素Al、Sn、Zr和一定量的Ta、Nb和Mo等β稳定元素，同时还含有Si、C等元素，使合金得到充分的固溶强化，又使合金获得金属间化合物(α₂)和硅化物弥散强化，由于各种合金元素的合理和恰当搭配，使合金具有热强性和抗氧化性能；它还含有一定量同晶型β稳定元素，因此它还具有良好的工艺性能和热稳定性，是一种集固溶强化、细晶强化和弥散强化于一身的复合强化的钛合金，具有优良的综合性能。

2  合金的物理性能

Ti60钛合金的密度：4.53×10³ kg/m³；相转变温度：(1 045±10) ℃；线膨胀系数(α)、热导率(λ)、比热容(c)、弹性模量(E)、剪切模量(G)、泊松比(μ)等的典型数据见表1。

3  力学性能

3.1  常规力学性能

Ti60钛合金叶片棒材、饼环材和盘锻件的常规力学性能和技术要求见表2，表中同时还列出国外同类

图1  Ti60钛合金成分与相组成

Fig.1  Composition and phases in Ti60 alloy

表1  Ti60钛合金的物理性能

Table 1  Physical properties of Ti60 alloy

表2  Ti60钛合金与国外同类合金的力学性能

Table 2   Mechanical properties of Ti60 and other titanium alloys

高温钛合金IMI834(英)和BT18y(俄)合金技术标准性能要求。从表2可以看出，我国自行研制的Ti60钛合金常规力学性能不但达到和满足技术标准的要求，也达到或优于国外同类高温钛合金的性能水平。

3.2  Ti60钛合金不同温度下的拉伸性能

国内外典型的高温钛合金不同温度下的拉伸性能如图2所示。从图2可以看出，Ti60、IMI834和Ti-1100

图2  Ti60、IMI834和Ti-1100合金不同温度下的力学性能

Fig.2  Mechanical properties of titanium alloy Ti60, IMI834 and Ti-1100 at different temperatures

高温钛合金不同温度下的拉伸性能相类似^[5]。

3.3  棒材的热稳定性能

所谓热稳定性问题其实质是“相稳定性”和“表面污染”的共同作用。Ti60 钛合金棒材的热稳定性能如表3所列。从表3可以看出，该合金具有较高的热稳定性能，在600 ℃高温下热暴露500 h后，毛坯暴露的伸长率和断面收缩率降低很小，分别约为10%和20%，这表明该合金具有较高组织稳定性。然而，试样暴露时，由于高温的氧化作用，形成一层氧化膜层，该氧化膜层比基体脆，所以在拉力作用下首先开裂，进而裂纹发展到整个断面，由于这种原因，试样热暴露时，使塑性指标下降较多，但仍保持在一定的水平。

3.4  棒材的持久和蠕变性能

棒材的持久和蠕变性能分别如表4和5所列。

3.5  合金的断裂性能

合金的断裂性能如表6所列。

3.6  合金的疲劳和焊接性能

合金的疲劳和焊接性能分别如表7和8所列。

表3  Ti60钛合金棒材的热稳定性能

Table 3  Heat stability of Ti60 bars

表4  Ti60钛合金的持久性能

Table 4  Creep rupture property of Ti60 alloy

表5  Ti60钛合金的蠕变性能

Table 5  Creep property of Ti60 alloy

表6  Ti60钛合金的断裂韧性

Table 6  Fracture toughness of Ti60 alloy

表7  棒材的疲劳性能

Table 7  Fatigue property of Ti60 alloy bars

表8  焊接接头的室温和高温(600 ℃)性能

Table 8  Mechanical property of weld joint at room temperature and 600 ℃

4  合金的抗氧化性能

Ti60钛合金与其他材料的抗氧化性能如图3所示。从图3可看出，Ti60钛合金的抗氧化性能优于国外同类高温合金IMI834和Ti-1100合金的。

图3  钛合金和其他材料的氧化质量增加

Fig.3  Oxidation mass gain of titanium alloys and other materials

5  应用前景

20世纪80年代英国研制的IMI834高温钛合金已用于欧洲军用喷气发动机EJ200和Rolls-Royce Trent系列商用喷气发动机中压压气机和高压前四级压气机中。美国研制的Ti-1100高温钛合金已用于莱康明公司的T55-712改型发动机；俄罗斯BT18y合金已在Cy-27ck战斗机的发动机中使用^[3]。综合性能优良、与国外高温钛合金性能相似的Ti60高温钛合金也有望在航空发动机中获得应用。

REFERENCES

[1] 王清江, 刘建荣, 杨 锐, 魏寿庸, 刘羽寅, 陈占乾, 王鼎春, 高 颀. 一种高热强性、高热稳定性的高温钛合金: 中国, ZL200710011771.0[P]. 2008-01-16.
WANG Qing-jiang, LIU Jian-rong, YANG Rui, WEI Shou-yong, LIU Yu-yin, CHEN Zhan-qian, WANG Ding-chun, GAO Qi. A high temperature strength and high heat stability: CN, ZL200710011771.0[P]. 2008-01-16.

[2] LYENS C, PETERS M. 钛与钛合金[M]. 陈振华, 译. 北京: 北京化工出版社, 2005: 300.
LYENS C, PETERS M. Titanium and titanium alloy[M]. CHEN Zhen-hua, transl. Beijing: Chemical Industry Press, 2005: 300.

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[4] BOYER R, WELSCH G, COLLINGS E W. Materials properties handbook: Titanium alloys[M]. USA: ASM International Press, 1994: 411-439.

[5] 王金友, 葛志明, 周彦邦. 航空用钛合金[M]. 上海: 上海科技出版社, 1985: 231-249.
WANG Jin-you, GE Zhi-ming, ZHOU Yan-bang. Aeronautical titanium alloys[M]. Shanghai: Shanghai Science and Technology Press, 1985: 231-249.

(编辑 杨幼平)

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