航(hang)空(kong)发(fa)动(dong)机用(yong)高温钛合金的(de)热稳(wen)定(ding)性研究进(jin)展(zhan)

钛合金(jin)具有(you)低密度、高比(bi)强度、耐蚀(shi)耐(nai)热(re)等(deng)诸(zhu)多优点，在(zai)航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)工业(ye)得到广泛(fan)应(ying)用(yong)。然(ran)而(er)，航(hang)空(kong)发动(dong)机(ji)工(gong)况复(fu)杂(za)，工作(zuo)时温度(du)可(ke)达(da)600℃以上(shang)[1－3]，在这种(zhong)高温(wen)、长(zhang)时工(gong)作的苛刻(ke)要求下，发动(dong)机工作的可靠性(xing)尤(you)为(wei)重(zhong)要(yao)。

钛(tai)合(he)金(jin)的使(shi)用(yong)温度取决(jue)于其(qi)热(re)强(qiang)性和(he)热(re)稳定(ding)性，热(re)强保证(zheng)其(qi)在高温(wen)使用(yong)条(tiao)件(jian)下(xia)不(bu)至(zhi)于(yu)因强度失(shi)效(xiao)而导(dao)致事故(gu)，热稳定(ding)保(bao)证其在高温(wen)条(tiao)件下(xia)保(bao)持(chi)自身(shen)组(zu)织(zhi)稳(wen)定(ding)，不(bu)至(zhi)于因(yin)组(zu)织(zhi)变化或(huo)析出(chu)第二(er)相而使(shi)构件(jian)失效(xiao)[4]。其中，热稳(wen)定(ding)性(xing)是指(zhi)合金(jin)在(zai)高温暴(bao)露下能保(bao)持(chi)自身(shen)性(xing)能稳(wen)定(ding)的(de)能(neng)力，通常用(yong)室(shi)温(wen)拉伸性(xing)能(neng)和(he)断裂韧性(xing)来表征(zheng)[6]，是衡(heng)量(liang)发(fa)动机(ji)工作可靠(kao)性的主要指(zhi)标之(zhi)一(yi)，与(yu)热(re)强性(xing)共同(tong)决定(ding)钛(tai)合(he)金的使用温度。热(re)稳定(ding)性又包(bao)含(han)组织(zhi)稳(wen)定(ding)性和表面(mian)稳定性2方面。组(zu)织稳(wen)定(ding)性(xing)是指在(zai)使(shi)用过程中组织和(he)结(jie)构不(bu)发(fa)生(sheng)变(bian)化的(de)倾向(xiang)，一(yi)旦过(guo)饱(bao)和的(de)α、β、α′等亚(ya)稳定(ding)相(xiang)发生(sheng)等(deng)温(wen)分解(jie)，对(dui)热(re)稳(wen)定性的(de)影(ying)响(xiang)是不可(ke)预估的(de)，故(gu)对高温(wen)钛(tai)合(he)金(jin)热稳(wen)定性(xing)的研(yan)究(jiu)实际(ji)上(shang)是(shi)对(dui)其(qi)组(zu)织的研(yan)究。从现(xian)有研究(jiu)来(lai)看，通过添(tian)加合金元素可以保(bao)证热(re)强(qiang)性，但(dan)合(he)金元(yuan)素含(han)量(liang)过(guo)多(duo)会增加第二相(xiang)的(de)析出趋势(shi)，给(gei)热(re)稳定性带(dai)来损害(hai)[5]。

为此，从(cong)合金元(yuan)素和加(jia)工工艺2方(fang)面(mian)综述了近(jin)些年(nian)来(lai)关于(yu)钛(tai)合(he)金组织热(re)稳(wen)定性(xing)的研(yan)究(jiu)，以期为(wei)制(zhi)备(bei)具(ju)有(you)优良(liang)热稳定性、热强性(xing)和更(geng)高使用温(wen)度(du)的高温(wen)钛(tai)合金(jin)提供(gong)参考(kao)。

1、合(he)金元素(su)对(dui)热稳定性(xing)的影响

纯(chun)钛具有(you)优异(yi)的(de)热稳定性(xing)，但抗(kang)拉(la)强度(du)低是其固有短板，为(wei)了(le)满(man)足(zu)实(shi)际(ji)生(sheng)产(chan)中(zhong)的(de)各项(xiang)要(yao)求(qiu)，需(xu)要定量(liang)加(jia)入一(yi)些(xie)合金元(yuan)素(su)。依据(ju)对β相转变温度(du)的影(ying)响，可将(jiang)合(he)金元(yuan)素分为(wei)3类(lei):α相(xiang)稳(wen)定元素(su)Al、B、C、O、N等(deng)，中(zhong)性元(yuan)素(su)SN、Zr等(deng)，β相(xiang)稳(wen)定元素(su)MO、V、NB、Fe、Cr、Si等[7]。依据(ju)元(yuan)素自(zi)身特性(xing)以(yi)及(ji)对(dui)合(he)金(jin)性能(neng)的影(ying)响，目前已形成了近(jin)α型Ti-Al-Sn-Zr-MO-Si高(gao)温钛(tai)合(he)金(jin)体(ti)系(xi)[8]。多元元素(su)在协同(tong)改善(shan)钛合金(jin)机械性(xing)能(neng)，使(shi)合金保持良好热强(qiang)性的同时，还(hai)可避免(mian)合金(jin)在长时间热(re)暴(bao)露(lu)下(xia)因(yin)析出(chu)物增(zeng)多而引起(qi)的(de)组织改变，即(ji)合(he)金在满足(zu)热强性(xing)要求的同(tong)时(shi)还能(neng)够(gou)保(bao)持(chi)一(yi)定(ding)的(de)热(re)稳(wen)定(ding)性[9]。

1.1 α相稳(wen)定(ding)元(yuan)素

在(zai)高温(wen)钛(tai)合(he)金中(zhong)，Al是(shi)不可(ke)或(huo)缺的合金元(yuan)素，其作用有(you)以下(xia)几点(dian):①提高(gao)钛(tai)合金的(de)室(shi)温和高(gao)温强度(du)；②提(ti)高(gao)钛合(he)金的(de)高温(wen)抗(kang)氧(yang)化性能(neng)；③降低钛合(he)金的密(mi)度(du)[7]。Al在(zai)钛合金(jin)中(zhong)的存在方式(shi)有2种，一(yi)种(zhong)是(shi)以(yi)固溶(rong)方(fang)式存(cun)在(zai)，起到固(gu)溶强(qiang)化的作(zuo)用(yong)；另一(yi)种以析出物(wu)的形(xing)式(shi)存在(zai)，即(ji)α2有序(xu)相(xiang)，α2相虽(sui)然能(neng)够起(qi)到(dao)强(qiang)化作(zuo)用，但(dan)其(qi)尺寸、存在位置、分(fen)布情况会(hui)严(yan)重(zhong)影(ying)响(xiang)合金的(de)热(re)稳(wen)定(ding)性(xing)[10]。为表征合金(jin)中α2相(xiang)的(de)析出(chu)倾(qing)向(xiang)，ＲOseNBeｒg等[4]提(ti)出(chu)了(le)铝(lv)当(dang)量(liang)计(ji)算公(gong)式，具体如(ru)下(xia):

[Al]当(dang)＝[Al]＋[SN]/3＋[Zr]/6＋[O＋2N＋C]×10或[Al]当(dang)＝[Al]＋[SN]/3＋[Zr]/6＋[Si]×4显而易见(jian)，铝当量越低(di)，α2相析(xi)出倾向(xiang)越(yue)低(di)，合金的热稳定(ding)性(xing)越好。一般控(kong)制[Al]当≤8％，使(shi)得合(he)金(jin)中(zhong)不会(hui)析(xi)出α2相(xiang)，以(yi)保(bao)证(zheng)热(re)稳(wen)定(ding)性(xing)满(man)足使(shi)用要(yao)求(qiu)。

李(li)东(dong)等(deng)[11－13]采用(yong)ΣNiｆiα表征各(ge)合(he)金(jin)元素和(he)热(re)稳定(ding)性的(de)关(guan)系(xi)，其中Ni代表第(di)i个(ge)元素的价(jia)电子(zi)数(shu)，ｆiα代表(biao)第i个元素在(zai)α相(xiang)中(zhong)的原(yuan)子数(shu)分(fen)数。元(yuan)素(su)的(de)电子(zi)浓度(du)和Ti3Ｘ相界之间(jian)存在(zai)着(zhe)一定的(de)关(guan)系(xi)，在进(jin)行合金设(she)计时(shi)，根据(ju)电子(zi)浓度(du)、热暴露时(shi)间、使(shi)用温(wen)度确定(ding)平均(jun)电(dian)子(zi)浓(nong)度(du)值Np，使(shi)ΣNiｆiα≤Np，便(bian)可以使合金在(zai)充(chong)分合金化(hua)保(bao)证(zheng)强度(du)的前提下，确保(bao)不(bu)析(xi)出(chu)Ti3Ｘ相(xiang)以满(man)足(zu)热稳定(ding)性(xing)的(de)要求。

α2相通(tong)常(chang)在长(zhang)期(qi)时(shi)效(xiao)或热(re)暴(bao)露(lu)过程中析(xi)出(chu)[14]，其析出形(xing)式(shi)主要(yao)为(wei)共(gong)格析出，与基(ji)体存在(zai)一定(ding)的(de)取向(xiang)关(guan)系，目前(qian)发(fa)现的(de)有(you)(0001)α2∥(0001)α、<1120>α2∥(1120)α等(deng)[15]。Zhang等(deng)[16]在研究(jiu)Ti-6-22-22合金热(re)稳定性时发(fa)现，经(jing)过三(san)重(zhong)热(re)处理后形成(cheng)的(de)细小α2相(xiang)不(bu)会(hui)影(ying)响(xiang)合金(jin)的力学(xue)性能，而粗(cu)大(da)的α2相(xiang)会(hui)造(zao)成(cheng)力学(xue)性能严(yan)重下降(jiang)。崔文芳(fang)等[17]在(zai)研(yan)究(jiu)iMi834钛合(he)金的(de)热(re)稳定性(xing)时(shi)发现(xian)，经(jing)过600℃/100ｈ热暴(bao)露后(hou)，基(ji)体(ti)析出(chu)均匀弥(mi)散分(fen)布的(de)α2相(xiang)，平(ping)均尺寸(cun)约(yue)为(wei)8.8NM；当(dang)热(re)暴(bao)露(lu)温(wen)度升(sheng)高至750℃时，α2相(xiang)尺(chi)寸大(da)幅(fu)增(zeng)加，合(he)金(jin)伸(shen)长(zhang)率由10.9％剧烈下降(jiang)至(zhi)6.7％，热稳定性明(ming)显降(jiang)低。Ｌi等[18]在(zai)研究Al对(dui)Ta29钛(tai)合(he)金(jin)热(re)稳(wen)定性的影响时发现(xian)，热(re)暴露(lu)8ｈ后，能(neng)够观察(cha)到(dao)大量(liang)直径(jing)<0.5NM的球(qiu)形α2相(xiang)，这(zhe)些(xie)α2相以共(gong)格方式(shi)从基体中(zhong)析出；随(sui)着(zhe)热暴(bao)露时(shi)间(jian)的延长，α2相(xiang)发生(sheng)粗(cu)化(hua)，100ｈ后(hou)α2相长大至(zhi)8NM，500ｈ后形(xing)状过渡(du)为(wei)纺锤状，此时(shi)合金虽(sui)然(ran)保(bao)持了(le)一(yi)定(ding)的塑(su)性(xing)，但(dan)断裂韧性(xing)显著(zhu)降(jiang)低(di)。

α2相的析(xi)出(chu)行(xing)为(wei)也受(shou)到(dao)其他(ta)元素的协同影响(xiang)。Ｘｕ等(deng)[19]在(zai)研(yan)究Ｗ元素(su)对Ti-6.5Al-2SN-4Hf-2NB合(he)金(jin)影(ying)响(xiang)时发(fa)现，热暴露过程(cheng)中(zhong)Ｗ会影响α相与(yu)β相中元素的(de)再(zai)分配(pei)。随(sui)着热暴(bao)露时间的(de)延(yan)长(zhang)，Ｗ在β相(xiang)中富(fu)集，同(tong)时(shi)使(shi)NB在(zai)α相(xiang)中富集，α相(xiang)中NB元素的(de)增多使(shi)得晶(jing)格(ge)畸(ji)变(bian)程度增加(jia)，抑(yi)制了α2相的(de)析出(chu)，减缓了有序化进(jin)程。另外，Ｗ还(hai)能(neng)细化(hua)α2沉淀相，添加4％的Ｗ可(ke)使(shi)α2沉淀相(xiang)长轴方(fang)向(xiang)由33NM降(jiang)低(di)至21NM，短(duan)轴方(fang)向(xiang)由(you)20NM降低至(zhi)14NM，从而减(jian)小(xiao)α2相对(dui)合金塑(su)性的(de)影响，使(shi)合金(jin)的(de)热稳(wen)定性提(ti)升。张尚(shang)洲等[20]研(yan)究发(fa)现

，高(gao)温钛合(he)金中加(jia)入(ru)C元(yuan)素(su)时(shi)会形成树枝状的Ti3AlC、Ti3C或有序Ti2C碳化物，碳(tan)化(hua)物的存在减(jian)缓(huan)了(le)热暴露过程(cheng)中(zhong)α2相(xiang)的形(xing)成，提(ti)高了(le)钛(tai)合金(jin)的热稳(wen)定(ding)性(xing)。另外，C元(yuan)素(su)的加入扩大(da)了(le)两(liang)相(xiang)区(qu)温(wen)度(du)范围(wei)[21]，使得(de)合金在α＋β两(liang)相区热(re)处理(li)时(shi)Al元素(su)的偏(pian)析行为发(fa)生(sheng)变化(hua)，促使(shi)Al在(zai)初(chu)生(sheng)α相和(he)β相(xiang)分布得(de)更(geng)加均匀(yun)，降低了α2相(xiang)的(de)析(xi)出量(liang)，从(cong)而(er)提(ti)高(gao)了合(he)金(jin)的(de)热稳(wen)定性。

1.2 中(zhong)性元(yuan)素

高温(wen)钛合金中(zhong)添加(jia)的中(zhong)性元(yuan)素主要是(shi)SN和Zr，与其(qi)他(ta)元素一起(qi)加入可以(yi)起(qi)到补(bu)充(chong)强(qiang)化的(de)作(zuo)用(yong)。Zr和(he)Si之间有着(zhe)很(hen)强的(de)结合(he)力，故(gu)Zr影(ying)响着(zhe)Si在基体(ti)中的分布。在高(gao)温钛合金中(zhong)，硅化物中(zhong)一(yi)般会(hui)富集Zr，形(xing)成(Ti，Zr)5Si3化(hua)合物(wu)，且Zr在Ti中的(de)扩(kuo)散速(su)率(lv)比Si小，因(yin)此(ci)在长(zhang)时间(jian)的(de)热(re)暴(bao)露(lu)过程(cheng)中硅(gui)化(hua)物(wu)的(de)形(xing)核长大(da)速率取(qu)决(jue)于(yu)Zr[22]。tC11钛(tai)合金中(zhong)含有Zr和(he)Si元素(su)，Zr能够置换出Ti5Si3中的少(shao)量(liang)Ti，使(shi)析出(chu)物变(bian)为(wei)均匀(yun)分布(bu)且(qie)错(cuo)配系(xi)数更(geng)小(xiao)的(de)(Ti，Zr)5Si3，大(da)幅(fu)降(jiang)低(di)Si的不(bu)利影响(xiang)，使得合(he)金(jin)具有良好的热(re)稳(wen)定性[23]。Zr对(dui)Ti-1100合金(jin)中硅化(hua)物的(de)析出也有很大影(ying)响(xiang)，随着Zr含量(liang)的(de)增(zeng)加(jia)，Si的(de)溶解度降(jiang)低，硅化物析出(chu)倾(qing)向增(zeng)加，析出位(wei)置(zhi)由β相逐渐转(zhuan)移(yi)到(dao)α相[24]。目前(qian)鲜有(you)关(guan)于(yu)SN元素对(dui)高(gao)温钛(tai)合(he)金热(re)稳定性影(ying)响(xiang)的(de)报道。

1.3 β稳定(ding)元素

在高温钛(tai)合(he)金(jin)中，添加的β稳定(ding)元(yuan)素(su)有MO、Si等(deng)。MO本(ben)身并不(bu)会形成(cheng)析出(chu)物，主(zhu)要(yao)起固溶(rong)强(qiang)化、细化晶(jing)粒(li)和(he)改(gai)善合金热(re)加(jia)工性(xing)能的作用(yong)。高含(han)量的(de)MO会(hui)促(cu)进α2相(xiang)的析出，改变合(he)金的断(duan)裂方式，当(dang)MO含(han)量达(da)到(dao)3％时，合(he)金(jin)的热稳定(ding)性迅(xun)速(su)降(jiang)低，断(duan)裂(lie)方式(shi)转变(bian)为脆断(duan)[25]。不(bu)同(tong)的合金有(you)着不(bu)同的(de)最佳(jia)MO含量。MO含(han)量(liang)一般(ban)控(kong)制在(zai)1％以(yi)下，以避(bi)免因(yin)含量(liang)过(guo)高促(cu)进(jin)α2相(xiang)析出，导致(zhi)蠕(ru)变性能(neng)与(yu)热(re)稳定性(xing)失(shi)调(diao)。Ti-55.5Al-4.0SN-3.4Zr-0.3NB-1.0Ta-0.45Si-0.8Ｗ-ｘMO合金(jin)的(de)最佳(jia)MO含量(liang)为(wei)0.6％，其在(zai)650℃/100ｈ高温(wen)暴(bao)露(lu)后的(de)伸(shen)长(zhang)率为5.5％，比(bi)不含MO时高(gao)出2％[26]。

Si在合(he)金(jin)中有2种(zhong)存在形(xing)式(shi)，一种(zhong)是固溶(rong)形(xing)式(shi)，其(qi)在α相中(zhong)的(de)固(gu)溶(rong)度(du)仅为0.45％，而在β相中(zhong)的(de)固(gu)溶度(du)达到3％；另一种是(shi)以(yi)析(xi)出(chu)物的形式存(cun)在，主(zhu)要(yao)为Ti5Si3、Ti6Si3等[27－29]。大(da)量研(yan)究[15，18，30]表明，硅(gui)化(hua)物会(hui)优(you)先(xian)在两相(xiang)区(qu)边界或(huo)α基体(ti)的(de)位(wei)错(cuo)密(mi)集处(chu)形(xing)核长(zhang)大，其(qi)与基(ji)体(ti)没有(you)固(gu)定的(de)位向(xiang)关(guan)系(xi)，形(xing)状多(duo)为(wei)球状、纺锤(chui)状(zhuang)。

曾立英等[30]在研究(jiu)Si对(dui)Ti-600合金(jin)热稳定性(xing)的(de)影响(xiang)时(shi)发现，尺寸(cun)微(wei)小(xiao)且均(jun)匀(yun)分(fen)布(bu)的硅化(hua)物可以提高合(he)金(jin)的(de)力(li)学性(xing)能(neng)，尺寸较(jiao)大(da)且分(fen)布(bu)不均(jun)的(de)硅化物则会降(jiang)低(di)合金的(de)力(li)学性(xing)能(neng)。Ta29钛合(he)金(jin)中(zhong)含(han)有一(yi)定量的Si，在热暴露(lu)过程中硅化物(wu)首先会在(zai)α片(pian)层内形(xing)核长大(da)，并逐渐(jian)由球形转变为椭球形[16]。热暴露初(chu)期(qi)形(xing)成的细(xi)小(xiao)硅化物可(ke)以(yi)阻(zu)止片(pian)层(ceng)间(jian)的滑(hua)动，维持(chi)合(he)金(jin)的(de)热(re)稳(wen)定性(xing)，但(dan)随着热(re)暴露时(shi)间的(de)增加，长(zhang)大(da)的(de)硅化物导(dao)致(zhi)位错缠(chan)结堆(dui)积(ji)加(jia)重(zhong)，并(bing)诱(you)发(fa)产(chan)生(sheng)微裂(lie)纹，极(ji)大(da)降(jiang)低合(he)金(jin)的塑性(xing)和断(duan)裂韧性，热(re)稳定性急(ji)速(su)下降。

高(gao)温钛(tai)合金中(zhong)加入(ru)的NB、MO、tC等元(yuan)素(su)均(jun)能吸附(fu)Si元(yuan)素，提(ti)高Si的(de)固(gu)溶作用(yong)，延缓(huan)基体(ti)硅(gui)化物的(de)析出[31]。而C的(de)加入(ru)能够(gou)增加(jia)Si在基(ji)体(ti)中(zhong)的(de)溶(rong)解度，使(shi)硅(gui)化物的(de)析(xi)出数(shu)量和尺寸减小(xiao)，在高温处(chu)理时(shi)，还(hai)能(neng)使硅化物分布(bu)的(de)更(geng)为(wei)均匀，更(geng)有利于合金(jin)的(de)热稳(wen)定性[20]。

造成(cheng)合金(jin)热稳(wen)定(ding)性(xing)降(jiang)低(di)的主要(yao)因素(su)是(shi)α2相(xiang)还是硅(gui)化物，目前尚无定(ding)论(lun)。蔡建明(ming)等(deng)[15]认(ren)为，导(dao)致(zhi)合(he)金(jin)热(re)稳定(ding)性下降(jiang)的(de)主要因素(su)是α2相的(de)析(xi)出(chu)。在(zai)一些(xie)过时(shi)效(xiao)合(he)金中(zhong)，当(dang)α2相(xiang)重(zhong)溶而硅(gui)化(hua)物(wu)仍然大(da)量(liang)存(cun)在(zai)时(shi)，合金(jin)的(de)塑(su)性会明(ming)显提(ti)升(sheng)。辛社(she)伟等(deng)[32]在研(yan)究(jiu)Ti600合金(jin)在600℃下(xia)的(de)组(zu)织热稳(wen)定(ding)性(xing)时(shi)，得出了和蔡(cai)建(jian)明(ming)相(xiang)同的(de)结(jie)论，即在α2相与(yu)硅化物协(xie)同降低(di)合(he)金塑性(xing)的过(guo)程(cheng)中，α2相(xiang)的(de)影响起主要作(zuo)用(yong)。而另一(yi)种观(guan)点认(ren)为(wei)，硅(gui)化(hua)物(wu)对(dui)合金塑性(xing)下降起主要(yao)作(zuo)用(yong)，在高(gao)温处理(li)时硅(gui)化物发(fa)生(sheng)溶(rong)解(jie)，合金塑性(xing)提升[33]。

1.4 稀(xi)土(tu)元(yuan)素

高温钛(tai)合金中添加(jia)的稀(xi)土(tu)元素主要(yao)有gｄ、Nｄ、Ｙ、eｒ等(deng)。邓(deng)炬(ju)等(deng)[34]在研究iMi829钛(tai)合(he)金(jin)时(shi)发(fa)现，添(tian)加(jia)gｄ元素可以提高(gao)蠕变(bian)性能和热稳(wen)定性。gｄ原(yuan)子与基(ji)体(ti)中(zhong)的O结合(he)，形成(cheng)稳定细小的(de)氧化物弥散分布(bu)在(zai)基(ji)体中，既(ji)可以(yi)阻(zu)止(zhi)α2相的(de)析出，又(you)能(neng)分散(san)析出(chu)硅(gui)化(hua)物，因(yin)此(ci)极(ji)大(da)提高了(le)合金(jin)的热(re)稳定(ding)性。在高(gao)温(wen)钛合金(jin)中(zhong)添(tian)加(jia)Ｙ元(yuan)素(su)具有同(tong)样(yang)的(de)作用[35]。丁(ding)蓓蓓等(deng)[36]在(zai)对新(xin)型(xing)600℃高温(wen)钛(tai)合(he)金Ti-Al-Zr-SN-MO-NB-Si-0.8Nｄ进(jin)行研(yan)究时(shi)发(fa)现，Nｄ元(yuan)素(su)的存(cun)在细化(hua)了合(he)金晶粒(li)，使(shi)晶(jing)粒(li)尺(chi)寸由(you)200μM减至100μM。

NB元素(su)还能与基体(ti)中的(de)O和SN原子结(jie)合(he)，降(jiang)低(di)合(he)金的铝当(dang)量(liang)和平(ping)均(jun)电子浓度，从而(er)抑(yi)制(zhi)α2相(xiang)析出(chu)，提高合金的(de)热(re)稳(wen)定(ding)性。Ti60合(he)金中Nｄ元(yuan)素(su)的作(zuo)用亦(yi)是如此(ci)[37]。韩(han)鹏等[38]研(yan)究发现，在(zai)Ti-6Al-2.5SN-4Zr-3MO-1NB-0.35Si合(he)金中添(tian)加eｒ元(yuan)素后虽(sui)然能够形成(cheng)稀土(tu)氧(yang)化物，但(dan)氧(yang)化物尺(chi)寸较(jiao)大(da)，且(qie)分(fen)布不均匀，并(bing)不能(neng)抑制(zhi)α2相(xiang)和硅化(hua)物(wu)的(de)析(xi)出(chu)，因(yin)而(er)不(bu)能(neng)有效提高合金(jin)的(de)热稳定性。

2、加工工艺对(dui)热(re)稳定(ding)性的影(ying)响(xiang)

高(gao)温钛(tai)合金的(de)使用(yong)性能还(hai)取(qu)决于合(he)金(jin)的显(xian)微(wei)组(zu)织形态，而组织形(xing)态又取决于合(he)金的(de)热(re)处(chu)理和热(re)加工过程(cheng)[39]。高温(wen)钛合(he)金在(zai)经(jing)过(guo)热(re)处(chu)理(li)或(huo)热加(jia)工后(hou)，可(ke)以(yi)得到等轴(zhou)、网(wang)篮、双(shuang)态(tai)和片层组(zu)织等典型(xing)组(zu)织[7]。研究表明(ming)，等轴和(he)双态(tai)组(zu)织的(de)热(re)稳定性好(hao)，片层(ceng)组(zu)织的(de)热稳(wen)定(ding)性差。因此，研(yan)究(jiu)高温(wen)钛合金(jin)在高(gao)温(wen)作用(yong)下(xia)的组(zu)织(zhi)转化以及析出(chu)物(wu)特(te)征(zheng)对(dui)提(ti)高(gao)合金(jin)性(xing)能(neng)至关(guan)重要(yao)。

2.1 热处(chu)理

高温钛合金中所使(shi)用的热处(chu)理主(zhu)要是固(gu)溶(rong)时(shi)效，也称为(wei)双重(zhong)退火。根据文(wen)献[40]，称(cheng)为固溶时效(xiao)更为(wei)准(zhun)确(que)。

对(dui)于近α型(xing)钛(tai)合(he)金来(lai)说(shuo)，固(gu)溶温(wen)度越高，初(chu)生(sheng)α相的含量越(yue)低(di)，导致(zhi)塑性变(bian)形(xing)能力越(yue)差(cha)，热(re)稳(wen)定(ding)性下降(jiang)，因此(ci)低(di)的固溶温(wen)度(du)有(you)助于提高合金(jin)的热(re)稳定(ding)性。段(duan)锐等[41]分别在1000、1020℃对近(jin)α型(xing)tg6钛(tai)合(he)金进(jin)行(xing)2ｈ固溶(rong)处理(li)，在750℃进(jin)行2ｈ时(shi)效处(chu)理，最(zui)后(hou)进(jin)行(xing)600℃/100ｈ热(re)暴(bao)露(lu)，发现(xian)较(jiao)低(di)温度固(gu)溶(rong)的(de)样品在(zai)热暴(bao)露(lu)后(hou)塑(su)性(xing)降低(di)率(lv)更(geng)低，对(dui)应(ying)着(zhe)更优(you)良(liang)的(de)热(re)稳(wen)定性(xing)。对于(yu)β型钛(tai)合金(jin)，应采用(yong)低的固溶(rong)温度，这(zhe)是因(yin)为(wei)高的(de)固(gu)溶(rong)温(wen)度使得(de)合(he)金(jin)中α相(xiang)的(de)析(xi)出量增(zeng)多(duo)，甚至(zhi)连(lian)接成网(wang)状(zhuang)，晶界(jie)的连续性(xing)被(bei)破(po)坏，使(shi)得合金在(zai)热暴露(lu)中的热稳定(ding)性下降(jiang)。

赵红霞等(deng)[42]研(yan)究(jiu)了(le)固(gu)溶温(wen)度对(dui)β型(xing)Ti-35V-15Cr-0.15Si-0.05C合(he)金热(re)稳定性的影(ying)响。结果(guo)表(biao)明，0℃/1.5ｈ固(gu)溶(rong)处(chu)理后(hou)，合金再经(jing)540℃热(re)暴(bao)露(lu)后塑(su)性几(ji)乎没(mei)有(you)损(sun)失，而(er)经(jing)950℃/1.5ｈ固(gu)溶处(chu)理后塑性降低约20％。

对(dui)于两(liang)相(xiang)钛合金(jin)，应(ying)在单相(xiang)区固溶(rong)处(chu)理。储(chu)茂(mao)友(you)等[43]研究(jiu)发现，在(zai)单相区(qu)固(gu)溶(rong)处理(li)的Bt25ｙ高(gao)温(wen)钛(tai)合金，经(jing)700℃/200ｈ热(re)暴(bao)露后(hou)析(xi)出(chu)的(de)硅化(hua)物(wu)均(jun)匀细小(xiao)，且(qie)随(sui)着(zhe)固溶(rong)温(wen)度(du)的(de)提(ti)高，析(xi)出的硅(gui)化物(wu)尺(chi)寸(cun)越(yue)来(lai)越(yue)大(da)。

时效(xiao)温度(du)和(he)时间对高(gao)温钛(tai)合金(jin)的(de)热(re)稳定性也有(you)影响(xiang)。王旭等(deng)[44]分(fen)别(bie)在700℃和750℃对Ti65合(he)金(jin)进行(xing)了5ｈ的时(shi)效处理(li)，随(sui)后(hou)进行650℃/100ｈ的(de)热(re)暴露(lu)试(shi)验，研(yan)究了时效温度及(ji)时间(jian)对(dui)热稳定(ding)性的(de)影响(xiang)。结果表(biao)明，经热暴露(lu)后，750℃时效(xiao)处(chu)理(li)样(yang)品(pin)的(de)伸长率(lv)较700℃时(shi)效处(chu)理样(yang)品降低(di)约1％。在700℃对(dui)Ti65合(he)金分别(bie)进(jin)行2、5、7ｈ时效，随着(zhe)时(shi)效时间(jian)的延(yan)长(zhang)，热暴(bao)露(lu)后(hou)合金的伸(shen)长(zhang)率(lv)呈现先增加后稳定(ding)的(de)趋势。对(dui)于(yu)Ti-1100合(he)金(jin)，在593℃时效166ｈ后就(jiu)已(yi)经析(xi)出硅化(hua)物，而Ti3Al化合(he)物的(de)析(xi)出(chu)速率(lv)较慢，时效(xiao)1000ｈ后(hou)才(cai)完全(quan)析(xi)出(chu)[45]。

zhang等(deng)[46]研(yan)究(jiu)时(shi)效处理对Ti-6Al-2Cr-2MO-2SN-2Zr合金(jin)热(re)稳(wen)定性(xing)影(ying)响(xiang)时(shi)发(fa)现，随(sui)着时(shi)效温(wen)度的(de)升高，断裂韧性(xing)有(you)所提(ti)高(gao)，而延长时效(xiao)时间则(ze)会导(dao)致(zhi)断(duan)裂韧(ren)性下降(jiang)；在(zai)450℃时(shi)效时间即使(shi)长(zhang)达(da)1000ｈ，也(ye)不会析(xi)出硅化(hua)物，而在(zai)650℃时效(xiao)500ｈ时所(suo)形成的硅化物尺寸已经达(da)到(dao)100~300NM，且(qie)这(zhe)种硅(gui)化物(wu)没(mei)有单(dan)一(yi)的(de)化(hua)学(xue)式(shi)，成(cheng)分介于(yu)(Ti，Zr)5Si3和(he)(Ti，Zr)6Si3之间，严重影响(xiang)合(he)金的(de)力(li)学(xue)性(xing)能。赵永庆(qing)等[47]研究(jiu)了(le)不(bu)同(tong)热处(chu)理对Ti40合(he)金(jin)热稳定性的(de)影响(xiang)。当仅(jin)对Ti40合金(jin)进行(xing)退火(huo)处(chu)理(li)时(shi)，如(ru)分别在700℃和600℃进行4ｈ退火(huo)，随后(hou)进行500℃/100ｈ热(re)暴露(lu)，发(fa)现退火(huo)温度(du)较高的(de)样(yang)品(pin)拥有(you)更(geng)高的延(yan)伸率(lv)，即较好(hao)的热(re)稳(wen)定性(xing)；而(er)退(tui)火(huo)温度(du)对(dui)抗拉强(qiang)度的影响不大。对Ti40合金(jin)进(jin)行淬(cui)火(huo)＋预时(shi)效(xiao)＋时效(xiao)处理(li)时，淬火温(wen)度对热稳定性的(de)影(ying)响(xiang)很大(da)[48]。当淬(cui)火温度为850℃时(shi)，经500℃/100ｈ热(re)暴露后(hou)，其延伸(shen)率(lv)仅为3.5％，相(xiang)比未热暴露(lu)试(shi)样(yang)(延(yan)伸率为(wei)15.3％)降(jiang)低(di)了(le)约70％；在(zai)550℃下进行热(re)暴露(lu)时(shi)，随(sui)着热暴(bao)露(lu)时间的(de)延(yan)长(zhang)，晶界(jie)析(xi)出(chu)相逐(zhu)渐连(lian)成(cheng)一体，严重(zhong)影(ying)响(xiang)热(re)稳定(ding)性(xing)[47]。而(er)当(dang)淬火(huo)温(wen)度升高(gao)至900℃时，热(re)暴(bao)露后(hou)合(he)金塑(su)性(xing)丧(sang)失(shi)，热稳(wen)定性下(xia)降严(yan)重。这(zhe)是(shi)因(yin)为Ti40合(he)金(jin)有(you)着极(ji)高(gao)的钼(mu)当量，较高温(wen)度(du)的淬火促进(jin)了析(xi)出(chu)物在晶界的形核与(yu)析出(chu)，弱化了晶界(jie)，加之预时效(xiao)使(shi)得晶界(jie)平直(zhi)化，造(zao)成热稳定性(xing)降(jiang)低(di)。

2.2 热(re)加(jia)工(gong)

钛合(he)金(jin)通常(chang)要(yao)经过(guo)锻造、轧(ya)制等(deng)热加(jia)工才(cai)能满足使用要求(qiu)，不(bu)同的加(jia)工方式(shi)对合金(jin)的热(re)稳(wen)定(ding)性(xing)有(you)着不(bu)同(tong)的(de)要(yao)求(qiu)。王(wang)田等[49]研究了(le)热(re)加工方式(shi)对(dui)Ti-811合(he)金(jin)热稳(wen)定(ding)性的(de)影(ying)响(xiang)。利用(yong)精锻、连(lian)轧(ya)＋精(jing)锻、连(lian)轧(ya)3种(zhong)工(gong)艺(yi)方式将原(yuan)料(liao)加工(gong)成(cheng)ϕ40MM的棒材(cai)，然(ran)后进行(xing)适(shi)宜(yi)的(de)固(gu)溶时(shi)效(xiao)处理(li)。研(yan)究发现，连(lian)轧(ya)棒材的(de)延伸(shen)率(lv)较(jiao)高，精锻(duan)棒(bang)材(cai)的延(yan)伸(shen)率较低，但(dan)也(ye)达(da)到了(le)18％，仅(jin)比连(lian)轧棒(bang)材(cai)低3％。经过425℃/100ｈ热暴(bao)露(lu)后(hou)，精锻棒材的延(yan)伸(shen)率略(lve)有(you)升(sheng)高，连(lian)轧＋精(jing)锻(duan)棒材的(de)延(yan)伸率几乎(hu)不变，而(er)连轧棒材(cai)的(de)延(yan)伸率略有降低(di)，和(he)精锻棒(bang)材持(chi)平。经3种加(jia)工(gong)方式(shi)获得(de)的(de)棒(bang)材(cai)均(jun)具(ju)有(you)良(liang)好的(de)热稳(wen)定(ding)性，适合(he)在(zai)425℃下长时间(jian)使用(yong)。

纪小(xiao)虎[50]研(yan)究了(le)多向(xiang)锻造(zao)对Ta15钛(tai)合金热(re)稳定性(xing)的影(ying)响(xiang)。在(zai)经过(guo)多向(xiang)锻(duan)造之后(hou)，Ta15钛(tai)合(he)金的(de)α相(xiang)主要(yao)为初(chu)生α相(xiang)和(he)次生α相(xiang)。一(yi)方(fang)面，随着锻(duan)造(zao)道(dao)次的(de)增(zeng)加(jia)，晶(jing)粒得(de)到(dao)了细(xi)化，但是(shi)在(zai)热(re)暴露过程中(zhong)，初(chu)生(sheng)α相会快速长大，使(shi)得(de)热(re)稳定(ding)性(xing)变差(cha)。

另一(yi)方(fang)面，多(duo)向(xiang)锻造(zao)后次(ci)生α相(xiang)保持着(zhe)“本征”稳定(ding)性(xing)，其在热(re)暴露(lu)过(guo)程中几(ji)乎(hu)不发生(sheng)长(zhang)大，有着(zhe)很(hen)好(hao)的(de)热(re)稳定性。

锻造(zao)温(wen)度(du)对钛合金(jin)的(de)热(re)稳定(ding)性有很(hen)大的影(ying)响，对(dui)于(yu)不(bu)同(tong)类(lei)型(xing)的(de)钛(tai)合金其规律(lv)有所(suo)不同。Yang等(deng)[51]研究(jiu)了等温锻造(zao)温(wen)度对(dui)α＋β型Bt25ｙ钛合金(jin)热稳(wen)定(ding)性(xing)的(de)影(ying)响(xiang)，发(fa)现(xian)锻(duan)造温度(du)会影(ying)响(xiang)α相的形态(tai)与分布(bu)，进而(er)影响热(re)稳定(ding)性。锻造温度(du)为940℃时(shi)，基(ji)体(ti)中的α相(xiang)发生(sheng)静态球化，这些细小(xiao)弥散(san)分布(bu)的(de)α相(xiang)能够(gou)很(hen)好地(di)协调(diao)变(bian)形，使(shi)合(he)金保持良好的热(re)稳(wen)定性(xing)；但(dan)随(sui)着锻(duan)造温度(du)的升高，等轴(zhou)α晶(jing)粒(li)逐渐(jian)连(lian)接(jie)成层(ceng)片(pian)状，堆(dui)积(ji)在(zai)晶(jing)界处，打(da)破(po)了(le)β晶粒的连(lian)续(xu)性，使得晶(jing)粒(li)间的变形(xing)协(xie)调性降低，合金(jin)的(de)热(re)稳定(ding)性严(yan)重下降(jiang)。而对于近α型钛合金，

提高(gao)锻(duan)造(zao)温度可使(shi)合金(jin)晶粒(li)在(zai)热(re)暴露(lu)前(qian)就(jiu)保持(chi)较大(da)的尺(chi)寸(cun)，在(zai)热(re)暴(bao)露(lu)过(guo)程(cheng)中晶(jing)粒长(zhang)大十(shi)分(fen)有(you)限(xian)，因(yin)此保持着一定(ding)的(de)热(re)稳定性(xing)[50]。ＷａNg等[52]研究(jiu)了锻(duan)造(zao)温(wen)度对Ti-5.8Al-3SN-5Zr-0.5MO-1.0NB-1.0Ta-0.4Si-0.2eｒ合(he)金热稳定性(xing)的影响(xiang)，发现锻(duan)造温度不(bu)仅(jin)影响(xiang)初(chu)生α相的(de)数量(liang)，还会(hui)影(ying)响(xiang)初(chu)生(sheng)α相(xiang)中球(qiu)状(zhuang)α相(xiang)和(he)板(ban)条状(zhuang)α相(xiang)的分配。

经过1000℃锻造(zao)后，合(he)金(jin)组(zu)织由31％的(de)球状α相(xiang)、10％的(de)板条状(zhuang)α相(xiang)和59％的次生α相组(zu)成(cheng)，而(er)经过1050℃锻(duan)造(zao)后则由(you)18％的(de)球(qiu)状α相(xiang)、22％的板(ban)条状α相和60％的次(ci)生(sheng)α相组(zu)成(cheng)。650℃热暴(bao)露(lu)试验结果(guo)表明(ming)，在较高(gao)温度下锻造的(de)合(he)金(jin)有(you)着(zhe)更(geng)好的热稳(wen)定(ding)性；热(re)暴(bao)露(lu)过(guo)程中(zhong)沿α/β相(xiang)边界(jie)析(xi)出(chu)的(de)硅化(hua)物(wu)能够抑制晶界迁(qian)移(yi)和(he)位(wei)错滑移，从而提高(gao)材料(liao)的热(re)稳定性(xing)。

以上(shang)研(yan)究(jiu)表(biao)明，热(re)加(jia)工通(tong)过影(ying)响(xiang)不同相(xiang)的含(han)量(liang)与分(fen)布(bu)来(lai)影响(xiang)高(gao)温(wen)钛(tai)合金的热稳定(ding)性。故(gu)对(dui)于不(bu)同的高温(wen)钛(tai)合金(jin)，应(ying)当(dang)选(xuan)择(ze)与(yu)其(qi)相(xiang)适应的(de)热(re)加工工(gong)艺(yi)来(lai)获得多(duo)态混(hun)合(he)组织(zhi)，使得热(re)稳(wen)定性(xing)满(man)足(zu)使(shi)用(yong)要(yao)求(qiu)。

3、结(jie)语(yu)

针对(dui)常规高(gao)温(wen)钛(tai)合(he)金的(de)热(re)稳定(ding)性，国内外学者(zhe)进(jin)行了大(da)量(liang)的(de)研究，并(bing)取(qu)得(de)了丰硕的(de)成(cheng)果，但依(yi)旧(jiu)存在(zai)一些问(wen)题(ti):①元素对高温钛(tai)合金热稳定(ding)性的影(ying)响(xiang)是通过研究(jiu)是(shi)否(fou)添(tian)加(jia)该元素(su)来(lai)获(huo)得的，忽(hu)略(lve)了所添(tian)加(jia)元(yuan)素(su)与(yu)合(he)金(jin)中(zhong)其他元素(su)的(de)相(xiang)互(hu)作(zuo)用；②高(gao)温钛(tai)合金(jin)中(zhong)合(he)金元素的作(zuo)用(yong)不(bu)是孤(gu)立(li)单一的，而是(shi)多种合金(jin)元素(su)之间相(xiang)互影(ying)响(xiang)的(de)协同作(zuo)用(yong)，要厘清(qing)这(zhe)些元(yuan)素(su)的(de)协同(tong)作用是(shi)比(bi)较困难(nan)的(de)；③高温钛(tai)合(he)金中添加的(de)元(yuan)素种类多(duo)、含量(liang)少，在(zai)批(pi)量(liang)生产(chan)过程(cheng)中易出(chu)现偏析(xi)，难以(yi)保证成(cheng)分均(jun)匀化以及(ji)有效(xiao)控制(zhi)杂(za)质(zhi)含(han)量，传统(tong)的(de)热(re)加工和热处理也很(hen)难(nan)消除这(zhe)

些(xie)影(ying)响(xiang)；④目(mu)前(qian)对(dui)于热(re)稳(wen)定(ding)性的(de)研究过多(duo)的(de)强调(diao)结(jie)果(guo)分析，缺乏(fa)对(dui)析(xi)出物形成过(guo)程(cheng)中(zhong)扩(kuo)散(san)效(xiao)应(ying)的理论(lun)研究。

因此(ci)，可(ke)以将(jiang)高温钛合金的(de)成(cheng)分控(kong)制(zhi)、热(re)处(chu)理(li)及热加工工(gong)艺的优(you)化(hua)作(zuo)为(wei)下一(yi)步研(yan)究方(fang)向(xiang)。借助(zhu)计(ji)算机(ji)，利(li)用(yong)现(xian)有(you)钛(tai)合金(jin)数据库(ku)，建(jian)立(li)元(yuan)素含量(liang)、热(re)加(jia)工(gong)及热处(chu)理参数与(yu)组(zu)织(zhi)稳(wen)定性之(zhi)间(jian)的关(guan)系。相(xiang)信(xin)随(sui)着(zhe)研究(jiu)的深入(ru)和技术(shu)的(de)发(fa)展，热(re)稳定(ding)性(xing)相(xiang)关(guan)问(wen)题(ti)将会(hui)得(de)到(dao)妥善(shan)解决，高(gao)温(wen)钛(tai)合(he)金(jin)将在航(hang)空(kong)航天中(zhong)发(fa)挥(hui)越(yue)来越重(zhong)要的作用。

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相(xiang)关链(lian)接