内容导读
高温钛合金制造技术已成为******航空发动机技术的核心与关键，近年来受到高度重视。在简要回顾新型高温钛合金、阻燃钛合金和Ti-Al系金属间化合物合金发展的基础上，从大规格铸锭熔炼、挤压开坯、整体叶盘模锻、环件轧制及零件机加工等方面介绍这些高温钛合金制造技术研究所取得的重要进展。***后，提出我国高温钛合金应用研究中需要重点关注的问题以及进一步发展的建议。
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作者/单位
作者：曹京霞，弭光宝，蔡建明，高帆，周毅，黄旭，曹春晓
单位：中国航发北京航空材料研究院 ******钛合金航空科技重点实验室
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通信作者简介
弭光宝（1981—），男，高级工程师，中国航空发动机集团******钛合金重点实验室******中青年，主要从事航空发动机用高温钛合金及其纳米复合材料、阻燃性能试验技术等方面研究。2011年毕业于清华大学材料科学与工程专业获得博士学位。负责和参与完成******973计划课题、******自然基金和总装瓶颈技术等项目10余项。曾获部级科技进步二等奖、部级技术发明三等奖和中国有色金属科技论文一等奖等学术奖励。获授权发明专利6项；发表学术论文40余篇，其中SCI收录23篇、入选中国精品科技期刊******学术论文1篇。
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基金项目
******自然科学基金项目（51471155）
预研基金项目
中国航发创新基金项目（2014E62149R）
******自然科学基金青年科学基金项目（51501155）
科技部国际合作项目（2014DFR50450）
在多年的打拼中不断完善，不断改进，不断创新，在实践中积累了丰富的经验与掌握了特殊的加工工艺，无论从高精密机械样机加工，高精密零件加工，高精密模型样机加工，北京cnc数控加工，北京夹具工装加工 ，尺寸精度还是外观品质都令客户拍手。所做产品受到诸多国内外知名企业的好评，产品远销东南亚。
精要概览
高温钛合金制造技术研究
1.1新型高合金化合金铸锭制备
真空自耗熔炼工艺是钛合金铸锭制备普遍采用的工艺，其主要工序包括电极块制备、焊接和真空自耗2～4次熔炼。除了真空自耗电弧熔炼炉，******配套设备的应用在钛合金优质铸锭制备中也起到了关键作用，如自动称重和混布料系统、真空等离子焊箱等。新型600 ℃高温钛合金、阻燃钛合金和Ti-3Al合金都已实现3 t级工业铸锭的制备，突破了高合金化铸锭成分均匀性控制的关键技术。
高合金化是新型高温钛合金和Ti-Al系金属间化合物合金的显著特点，例如：TA29、TA33钛合金的合金化元素总量分别接近17%和16%，TD3、Ti2AlNb合金的合金化元素总量分别接近43%和54%，且合金化元素熔点、密度差异均较大，因此这些新材料铸锭制备难度显著高于普通的TC4、TC11等钛合金。高熔点元素（如Ta、Nb、Mo等）一般以Al-X、Ti-X或Al-X-Y三元中间合金的形式加入。对于高温钛合金，其原料中海绵钛占比超过80%，海绵钛能够很好地将中间合金粘结，电极块强度基本有所保障。但对于Ti3Al合金，其原料中海绵钛占比不到60%，Ti2AlNb合金原料中海绵钛占比更低，电极块强度控制问题非常突出，工艺不恰当就会造成电极块开裂，或电极块强度偏低，在搬运、焊接和熔炼时发生掉块，影响铸锭成分控制。目前的解决方法主要是优选中间合金和优化混布料工艺。
与高温钛合金不同，Ti-V-Cr系阻燃钛合金不含Al元素，且合金元素的质量分数超过40%，同样存在原料中海绵钛占比少的问题，V、Cr元素的加入方式非常关键。在认识阻燃合金化原理的基础上，通过在合金元素加入方式以及电极结构上的创新，实现了TB12和TF550钛合金3 t级工业铸锭（直径620mm）的制备，从根本上解决了Ti-V-Cr系阻燃钛合金工业铸锭V、Cr元素偏析问题，对锻件质量提升起到了至关重要的作用。
1.2低工艺塑性合金的挤压开坯
挤压变形是在三向压应力作用下完成的，裂纹不易形成和扩展，非常适合低工艺塑性合金铸锭的开坯和棒材制造。长期以来，我国钛合金挤压技术主要应用于管材和筒体结构件的制备，近些年也开展了钛合金型材的挤压制备，但挤压技术没有在钛合金工业级铸锭开坯中应用。造成这种局面有2方面的原因：一方面，国内钛合金加工企业缺乏大型的挤压设备；另一方面，普通高温钛合金、高强钛合金通过液压机、快锻机进行铸锭开坯、棒材锻造能够满足研制与批量生产的需求。然而，新型高温钛合金及Ti-Al系金属间化合物合金都一定程度上存在铸造组织状态下工艺塑性低的问题，其中，对挤压开坯技术依赖性较强的2类材料分别是阻燃钛合金和变形TiAl合金，而挤压技术的应用则为这2类合金棒材的制备提供了一条重要的工艺途径，尤其是大型挤压设备的建造，可以解决阻燃钛合金工业铸锭开坯的难题。
Ti-V-Cr系阻燃钛合金的显著特点是铸造组织状态下工艺塑性非常低，基本不能实现无约束条件下自由锻造。2009—2010年，北京航空材料研究院与北方重工合作，在360MN挤压机上实现了TB12和TF550钛合金多个3 t级铸锭的包套挤压开坯。挤压开坯不仅解决了阻燃钛合金工业铸锭拔长变形的难题，同时也提高了阻燃钛合金的工艺塑性。
1.3整体叶盘锻件研制与组织性能控制
轻量化、整体化是航空发动机部件的重要发展方向，******航空发动机转动部件普遍采用了整体叶盘结构。TC4、TC17、Ti6242和600 ℃高温钛合金的整体叶盘研制与应用研究均取得了快速发展。高温钛合金整体叶盘锻件大多采用热模锻或者近等温模锻成形，由于锻件的对称性比较好，若单纯从锻件成形角度考虑，完整充型难度不大，但是考虑到整体叶盘服役条件下对不同部位温度和载荷要求的差异，对于均质整体叶盘，实现关键性能的合理匹配是***主要的技术难点，涉及到锻件微观组织类型选择以及组织参数控制。600 ℃高温钛合金作为一种近α型钛合金，室温拉伸塑性，特别是试样热暴露后的塑性（称为热稳定性）与高温蠕变性能之间的矛盾一直是比较突出的问题，单体盘和叶片可以通过采用不同的组织类型分别控制，例如叶片采用双态组织以获得良好的热稳定性能和高周疲劳性能；盘采用β锻的网篮组织以获得高的蠕变性能和损伤容限性能。目前，600 ℃高温钛合金主要采用α+β两相区近等温模锻工艺制造整体叶盘锻件，通过固溶和时效处理控制等轴初生α相的体积分数在10%～30%之间，控制β转变组织中次生α相的分布，以及更微观尺度的α2相、硅化物相的析出和分布，实现整体叶盘锻件热稳定性和蠕变性能的良好匹配。
钛合金盘和叶片一体化制造在组织性能控制上做了一种工艺上的妥协，为了能够充分发挥高温钛合金各种微观组织形态或合金***优势的性能，近些年尝试开展了双合金整体叶盘以及双性能整体叶盘的研制工作，主要包括：①线性摩擦焊工艺，理论上可以实现双合金或是同一合金双组织整体叶盘的连接，国内外的研究工作主要集中于线性摩擦焊工艺和接头组织性能的研究；②真空电子束焊接+近等温锻造+热处理强化界面的复合工艺；③分区控温锻造和分区控温热处理工艺，理论上能够将整体叶盘锻件中叶片与盘体控制为不同的组织类型，以更好地满足整体叶盘不同部位实际服役条件的要求。
1.4整环和半环锻件研制
以机匣、内环、安装边等为代表的环形件结构也是航空发动机中比较重要的结构形式，环锻件通常采用轧制工艺制造，主要工序为棒材坯料镦粗、冲孔、扩孔和***终的轧制成形。通常，坯料冲孔后得到的环坯进一步扩孔和***终的轧制成形都是在扩孔机上完成的。高温钛合金以及Ti3Al、Ti2AlNb合金环锻件制备都能够采用这种工艺路线，在环锻件制备的4个工序过程中，坯料的加热温度、扩孔和***终轧制成形的变形量控制决定了环锻件的组织类型，通过固溶、时效处理可以进一步调控环锻件的微观组织，获得所需的力学性能。
1.5典型零件加工技术
由于高温钛合金具有导热差、硬度高、粘刀等特性，造成了这种材料车削、铣削和钻削加工的难度比钢要大很多，整体叶盘、机匣等零件的结构复杂性与材料特性的耦合结果更增加了零件加工的难度。通过技术攻关，在阻燃钛合金机匣、600 ℃高温钛合金整体叶盘、Ti3Al合金静子内环及TiAl合金叶片等零件的加工技术方面取得了重要进展。
未来需要重点关注的几个问题
2.1含W元素的高温钛合金铸锭制备
从合金化的角度，应重视高熔点元素的加入方式和中间合金的质量。新型高温钛合金及Ti-Al系金属间化合物合金的合金化程度较高，且含有Nb、Ta、W等高熔点元素，高熔点夹杂是需要严格控制的冶金缺陷，尤其对于熔点超过3 400 ℃的W元素，更应引起重视。目前国内针对航空发动机长期使用正在开展研究的含W高温钛合金主要有TC25G和Ti65钛合金，同时针对航天产品高温短时应用的含W钛合金一些专利中也有所报道，解决好W元素的添加问题，对于进一步提升高温钛合金的热强性能，突破600 ℃热障温度具有重要意义。
2.2高温钛合金铸锭的纯净化制备
制备高纯净钛合金铸锭也是重要的发展方向。应重视高温钛合金中Fe、O等杂质元素含量的控制问题，尤其针对整体叶盘、离心叶轮等转动部件应用的高温钛合金材料应严格控制Fe元素含量。
2.3大规格棒材组织的精细化控制
新型高温钛合金典型件制备用棒材的技术要求与锻件的技术要求基本相当，以保证大规格棒材可以直接用于锻件制坯，而不需要进一步改锻。目前对钛合金棒材的组织控制主要是对组织类型提出要求，没有细致到对宏观和微观织构的控制，往往大规格棒材中α晶团的明显取向会遗传到锻件中。近α型高温钛合金的保载疲劳敏感性与微织构有较强的关联，因此对于整体叶盘锻件用高温钛合金大规格棒材在制备工艺控制上应体现出对宏观和微观织构的控制措施。
2.4大规格棒材挤压
随着我国大型挤压设备配套工装的完善和应用技术的提升，阻燃钛合金工业铸锭包套挤压开坯工艺仍有优化的空间。前期研究工作中，为配合大规格挤压筒所采用的厚壁包套结构可以优化成薄壁包套结构，也可尝试无包套挤压开坯技术，进一步提高挤压开坯的工艺可控性，提高挤压棒材质量并降低挤压成本。
2.5低残余应力的大型锻件制备技术
锻件残余应力水平低，对保证大型复杂零件完整性加工和变形控制非常有意义，对转动件的长寿命服役也很关键。在高温钛合金及Ti-Al系金属间化合物合金大型锻件制备技术研究中，重点开展了微观组织与力学性能的关系以及工艺控制研究，而对锻件的低残余应力制坯和成形技术也需要给予充分重视，逐步建立和完善锻件残余应力监控手段和技术。
2.6双性能和双合金整体叶盘的过渡区控制
采用分区控温热处理或分区控温锻造制备双性能整体叶盘在工艺上是能够实现的，但具体到双性能整体叶盘锻件综合性能的控制还有很多细节需要关注，例如2种组织类型的选择，过渡区设计在哪个部位，过渡区部位的******按需控制，过渡区组织对性能的影响等。双合金整体叶盘制造过程同样也面临上述问题。
2.7Ti-Al系金属间化合物合金锻件强韧化
Ti-Al系金属间化合物合金复杂的相变过程为锻件组织性能调控提供了空间，需加强Ti3Al、Ti2AlNb合金大型结构件强韧化热机械处理技术研究。
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图为北京航空材料研究院采用真空自耗熔炼工艺制备的TD3钛合金3 t铸锭（直径600 mm）照片及铸锭头、中、尾外圆周取样的成分分析结果，可见合金元素Al、Nb、Mo分布均比较均匀。
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图为TF550钛合金铸态和挤压态2种初始组织状态的热加工图。从图可以看出，无论是铸态组织（图a）还是挤压态组织(图b），热加工图中呈现的失稳区域均分布于高应变速率区域，并且明显分为2个部分。结合显微组织和碳化物形态分析，可以判定1 050 ℃以上的变形失稳主要缘于碳化物溶解带来的脆性，而1050 ℃以下的变形失稳主要缘于局部塑性流动引起的剧烈剪切变形所导致的开裂。与铸态组织相比，挤压态组织的局部塑性流动失稳区域明显缩小，关键热加工区域窗口扩大，有利于挤压棒材的进一步锻造加工。实际锻造中也发现经过挤压开坯后，棒材的工艺塑性明显改善，不用包套即可直接在快锻机上完成镦粗和拔长变形。已去除表面TiC层的钛合金齿轮2个不同齿面渗层硬度沿渗层深度的变化曲线。此时，钛合金齿轮的齿面硬度大体被控制在7~8 GPa范围内。
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TB12阻燃钛合金机匣属于薄壁类环形件，机匣外型面有带孔的圆柱凸台，为异形结构，在粗车和粗铣时需要尽量多去余量，提高加工效率，同时还必须保证零件足够的刚性；TB12钛合金的机械加工性能较差，切削和铣削加工表面硬化现象比较严重，需要大的切削加工力，大切削力加工与刚性保证需求也是一对矛盾，在制定机匣零件加工工艺时这些方面都是重点考虑的。
引用本文
曹京霞，弭光宝，蔡建明，等.高温钛合金制造技术研究进展[J].2018,35（1）：1-8.
相关文献
[1] Zhou Y, Cao J X, Huang X, et al. Effects of aging temperature on the microstructure and mechanical properties of a Ti2AlNb based alloy[J]. Materials Science Forum, 2016, 849: 368-375.
[2] 弭光宝, 黄旭, 曹京霞, 等. 摩擦点火Ti-V-Cr阻燃钛合金燃烧产物的组织特征[J]. 物理学报, 2016, 65(5): 056103.
[3] 弭光宝, 曹春晓, 黄旭, 等. Ti-V-Cr系阻燃钛合金的非等温氧化行为及阻燃性能预测[J]. 材料工程, 2016, 44(1): 1-10.
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