发动机钛合金材料

航空发动机高温钛合金材料发动机是飞机的“心脏”,是推动飞机快速发展的原动力。没有好的发动机，就不可能有先进的飞机。人类在航空领域中的每一次重大的革命性进展，无不与航空动力技术的突破和进步密切相关。现代军用战斗机的战术机动性、短距起飞、超音速巡航等优异作战性能在很大程度上依赖于先进的高推重比航空发动机的应用，而高推重比航空发动机的发展与高温钛合金的大量应用密切相关。发动机的推力和重量净重之比国外先进航空发动机中，高温钛合金用量已占发动机总质量的25%～40%。第3代发动机F100的钛合金用量为25%。第4代发动机F119的钛合金用量为40%。我国第2代航空发动机钛合金用量约13%～15%。第3代航空发动机中钛用量达到25%。三高：高推重比，高压比，高涡轮前温度高温合金的蠕变

高温合金在高温应力作用下会发生蠕变，蠕变指材料在高温和低于材料宏观屈服极限的应力（或载荷）下发生的缓慢而连续的塑性变形。根据蠕变曲线的形状蠕变可以分为三个阶段：第一阶段：初始蠕变阶段，蠕变速率随时间不断降低。第二阶段：稳态蠕变阶段，蠕变速率随蠕变时间或应变的增加保持不变或基本不变。第三阶段：加速蠕变阶段，蠕变速率随时间加快直至断裂。

高温合金的疲劳

高温合金的零部件，在高温交变应力的反复作用，即便在应力大小对于一次单向单向载荷是安全的，最终还会在没有任何明显的宏观先兆的情况下发生破坏，这就是高温合金的疲劳。疲劳断裂通常分为3个过程：疲劳硬化或软化过程微裂纹形成过程疲劳裂纹扩展过程钛是同素异构体，熔点为1668℃，温度低于882℃时呈密排六方晶格结构，称为α钛；高于882℃时呈体心立方晶格结构，称为β钛。通过添加合金元素，使其相变温度及相分含量改变，可得到不同组织的钛合金。室温下，钛合金可分为三类：1）α钛合金(TA)2）β钛合金(TB)3）(α+β)钛合金(TC)α型和近α型钛合金具有良好的蠕变、持久性能和焊接性，因此适合于在高温环境下使用。近β型和β型钛合金尽管在室温至300℃左右具有高的拉伸强度，但在更高的温度下，合金的蠕变抗力和持久性能急剧下降。α+β型钛合金不仅具有良好的热加工性能，而且在中温环境下还有良好的综合性能。

钛及其合金的主要特点是：(1)比重较小，仅约为铁的一半稍高；(2)强度较高，可与钢铁相匹比，而比强度则是目前金属材料中最高的；(3)耐腐蚀性强，无论在大气、海水中以及在含硝酸和氯气的氯化介质中，其抗蚀能力都相当高，抗应力腐蚀的能力也很强；(4)加工成型以及焊接等工艺性能也相当好。高温钛合金主要用于制造航空发动机压气机叶片、盘和机匣等零部件，这些零件要求材料在高温工作条件下(300～600℃)具有较高的比强度、高温蠕变抗力、疲劳强度、持久强度和组织稳定性。

高铌钛铝合金制造的涡轮叶片由于有序强化的Ti-Al系金属间化合物具有高比强度、比刚度，高蠕变抗力，优异的抗氧化和阻燃性能，因此成为使用温度在600℃以上时的非常有潜力的候选材料，其中Ti3Al和Ti2AlNb合金长期工作温度可达650～700℃左右，而TiAl基合金工作温度则可达760～800℃。Ti3Al，Ti2AlNb和TiAl基合金低塑性和韧性是这类合金应用的最大障碍TiAl合金改善塑性和蠕变性能在760℃时具有优良高温性能(刚度、高温强度、蠕变抗力、抗氧化性、耐腐蚀性等)

TiAl金属间化合物合金密度仅3.8～4.0g/cm3，是镍基高温合金的1/2，比钛合金还低10%～15%;室温弹性模量高达160～170GPa，比钛合金高33%，而且弹性模量在750℃高温下还能保持150GPa，与GH4169高温合金相当;TiAl合金还具有高比强度，室温至800℃强度保持率达80%，高蠕变抗力、优异的抗氧化和阻燃性能，可在760～800℃长期工作，是非常有发展前途的航空发动机用轻质耐高温结构材料。由于TiAl合金具有高比模量、高蠕变抗力和抗燃烧的特点，其在航空发动机最佳的应用部位是高机叶片和低压涡轮叶片，采用TiAl合金制造叶片不仅可直接降低叶片零件的质量，而且可以显著降低轮盘的载荷，从而可实现系统的减质量效果。GE公司为波音787客机研制的GEnx发动机低压涡轮第6，7级叶片采用了铸造TiAl合金叶片，取代镍基高