高溫鈦合金以其優(yōu)良的熱強(qiáng)性和高比強(qiáng)度，在航空、航天等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。為了滿(mǎn)足設(shè)計(jì)高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，蘇聯(lián)在 20 世紀(jì) 50 年代 末 期 開(kāi) 發(fā) 出 BT6 ( 國(guó) 內(nèi) 牌 號(hào) TC4 )、 BT3-1(TC6)、BT8、BT9 ( TC11) 等牌號(hào)的鈦合金。為進(jìn)一步提高高溫鈦合金的性能和工作壽命，20 世 紀(jì) 90 年代，俄羅斯在 BT8 鈦合金的基礎(chǔ)上改進(jìn)研制了 BT8-1 及 BT8M-1 鈦合金。我國(guó)在 20 世紀(jì) 60 年代對(duì) BT8 鈦合金進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室仿制。進(jìn)入 21 世紀(jì)，為滿(mǎn)足我國(guó)艦船、航空等領(lǐng)域?qū)Ω邷剽伜辖鸬膽?yīng)用需求，相繼開(kāi)展了BT8、BT8-1 和 BT8M-1 鈦合金的仿制，研制的TC8、TC8-1和 TC8M-1鈦合金，在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得應(yīng)用。本文從材料技術(shù)角度對(duì) TC8 鈦合金研制和應(yīng)用的歷史進(jìn)程進(jìn)行回顧，重點(diǎn)介紹其研制進(jìn)展，對(duì)該合金研制過(guò)程中突破的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行梳理，并與 BT8 鈦合金在不同溫度下的拉伸、持久、蠕變、熱穩(wěn)定等力學(xué)性能及其物理性能 (包括熱膨脹系數(shù)、比熱、熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率) 進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，為合金的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和選用提供參考。

1 研制進(jìn)展

1.1 20 世紀(jì) 60 年代初—1982 年—實(shí)驗(yàn)室仿制階段我國(guó)于 20 世紀(jì) 60 年代初期對(duì) BT8 鈦合金進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室仿制，并列入冶金部頒部標(biāo)準(zhǔn) (YB)，被命名為 TC8 鈦合金，合金成分與俄羅斯 1958 年的鈦合金成分相同。由于沒(méi)有需求牽引，TC8 鈦合金仿制后一直沒(méi)有規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用，因此，1982年的國(guó)標(biāo)中沒(méi)有列入該合金牌號(hào)。該時(shí)期 TC8 鈦合金的發(fā)展因缺少基礎(chǔ)研究、工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用等多個(gè)環(huán)節(jié)而處于停滯狀態(tài)。

1.2 2003 年—2009 年—工業(yè)規(guī)模研制及艦船領(lǐng)域應(yīng)用階段

“十五”期間，海軍某艦艇用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)動(dòng)葉片需求 500 ℃環(huán)境工作時(shí)間 50000 h的耐熱鈦合金。動(dòng)葉片不僅在高溫負(fù)荷下長(zhǎng)期承受循環(huán)應(yīng)力作用，而且經(jīng)常開(kāi)動(dòng)與停車(chē)，要求材料熱穩(wěn)定性、高溫持久性能、抗疲勞性能俱佳。鑒 于TC8 鈦合金的綜合性能能夠滿(mǎn)足燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求，確保其長(zhǎng)壽命使用，2003 年為了適應(yīng)我國(guó)艦船工業(yè)發(fā)展，滿(mǎn)足制作長(zhǎng)壽命某燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)八、九級(jí)動(dòng)葉片的需求，受中國(guó)船舶重工集團(tuán)委托，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所和寶雞有色金屬加工廠 (現(xiàn)寶鈦集團(tuán)) 共同承擔(dān)了耐熱鈦合金材料研究任務(wù)，制定了相關(guān)的技術(shù)條件，再次啟動(dòng)了 TC8 鈦合金的研制工作。通過(guò)研究，首先確定了合金成分范圍。按照俄羅斯 OCT190013—81 標(biāo)準(zhǔn)中化學(xué)成分的要求，在實(shí)驗(yàn)室熔煉了 12 種不同成分的10 kg 合金鑄錠，鍛造成直徑 Φ15 mm 的棒材，研究了合金成分上下限對(duì)其性能的影響。經(jīng)過(guò)檢測(cè)和分析，結(jié)果表明，當(dāng) Al、Mo 含量處于標(biāo)準(zhǔn)要求中限或中限偏上時(shí)，該合金綜合性能較好。

在實(shí)驗(yàn)室成分研究基礎(chǔ)上，利用真空自耗電弧爐 (VAＲ) 熔煉了 2 噸級(jí) Φ622 mm 工業(yè)規(guī)模的 TC8鈦合金鑄錠，對(duì)合金熔煉工藝進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)原料進(jìn)行嚴(yán)格的復(fù)驗(yàn)、挑選，并對(duì)熔煉過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格控制，熔煉出成分均勻、冶金質(zhì)量良好、滿(mǎn)足后續(xù)加工要求的 TC8 鈦合金鑄錠。利用該鑄錠，基于鈦合金加工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合 TC8 鈦合金的工藝塑性圖，確定了該合金中間坯料的熱加工工藝制度，并對(duì)Φ32 和 Φ25 mm 精鍛棒材，以及 Φ20 mm 軋制棒材的鍛造和軋制工藝 (加熱溫度、時(shí)間和變形量等)進(jìn)行了研究，獲得了綜合力學(xué)性能較佳的合金棒材，突破了小規(guī)格 TC8 鈦合金棒材熱加工技術(shù)。通過(guò)研究不同熱處理溫度對(duì)棒材室溫拉伸性能的影響，得 到 TC8 鈦合金適宜的熱處理制度為:920 ～ 950 ℃ /1 ～ 4 h，AC + 570 ～ 600 ℃ /1 h，AC。

對(duì)研制的 TC8 鈦合金小規(guī)格棒材的化學(xué)成分、高低倍組織、硬度、沖擊韌性、室溫和高溫拉伸性能、高溫持久性能、熱穩(wěn)定性、高周疲勞性能等進(jìn)行分析、測(cè)試，結(jié)果表明，研制的棒材滿(mǎn)足技術(shù)條件和使用要求。先后交付了 3 個(gè)批次近 2 t 的棒材，加工、制作成渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，并進(jìn)行了裝機(jī)考核?？己私Y(jié)果表明，研制的 TC8 鈦合金可保證燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī) 50000 h 的整體壽命，滿(mǎn)足 500 ℃ 下3500 h 工作的性能穩(wěn)定性、高溫持久能力和長(zhǎng)時(shí)間疲勞性能要求。

TC8 鈦合金小規(guī)格棒材工業(yè)規(guī)模試制成功，突破了 TC8 鈦合金噸級(jí)鑄錠熔煉技術(shù)、小規(guī)格棒材鍛造、軋制技術(shù)及熱處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了替代進(jìn)口和葉片用棒材的國(guó)產(chǎn)化，滿(mǎn)足了燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的研制需求，為該合金后續(xù)的批量化生產(chǎn)和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。該合金也率先在艦船燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了應(yīng)用。在 2007 年修訂的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB /T 3620. 1—2007中，該合金再次被新增入鈦合金牌號(hào)中。

1.3 2009 年—至今—工業(yè)化批量生產(chǎn)及航空領(lǐng)域應(yīng)用階段

2009 年針對(duì)中國(guó)航發(fā)成都發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司某型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫鈦合金材料需求，寶鈦集團(tuán)有限公司承擔(dān)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)用 TC8 鈦合金棒材研制，與使用單位共同制定了該合金棒材的技術(shù)條件。針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片用棒材需求，開(kāi)展了 TC8 鈦合金 3 噸 級(jí) Φ720 mm 大型鑄錠熔煉工藝研究。與前期研究相比，鑄錠錠型從 Φ622 mm 增大至 Φ720 mm。鑄錠錠型增大，合金元素偏析程度增加，成分均勻性控制難度隨之增大。通過(guò)對(duì)合金元素的揮發(fā)規(guī)律進(jìn)行深入研究，調(diào)控熔煉工藝參數(shù)，熔煉出成分均勻、冶金質(zhì)量?jī)?yōu)良的大型鑄錠。航空發(fā)動(dòng)機(jī)除直徑小于Φ36 mm 葉片用棒材外，還有直徑 Φ50 ～ Φ100 mm螺母、安裝座、托架用棒材。在前期小規(guī)格棒材研制基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)加熱溫度、加熱時(shí)間和變形量等加工工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，突破了 TC8 鈦合金大規(guī)格棒材鍛造技術(shù)，研制出組織、性能滿(mǎn)足技術(shù)條件和使用要求的棒材，使其在某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得了初步應(yīng)用。 2012 年 9 月，針對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)高溫鈦合金材料的迫切需求，由貴發(fā)所召開(kāi)鈦合金材料研制協(xié)調(diào)會(huì)，在國(guó)外樣機(jī)解剖和 TC8 鈦合金研制基礎(chǔ)上，由材料研究、生產(chǎn)和應(yīng)用單位組成聯(lián)合課題組，開(kāi)展了 TC8 系列鈦合金 (包括 TC8、TC8-1 和 TC8M-1鈦合金) 研制。金屬所承擔(dān)樣機(jī)解剖任務(wù)， 寶鈦集團(tuán)承擔(dān)新材料研制任務(wù)，與使用單位 (中航工業(yè)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司和貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司分別承擔(dān)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和壓氣機(jī)盤(pán)制作任務(wù)) 共同制定了材料的專(zhuān)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，確定了棒材的規(guī)格。根據(jù)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片用鈦合金材料需求，開(kāi)展了 TC8 鈦合金鑄錠熔煉工藝和棒材加工工藝優(yōu)化研究。

通過(guò)深入研究，突破了 TC8 鈦合金棒材工業(yè)化批產(chǎn)技術(shù)。自 2012 年至 2018 年，先后熔煉 TC8 鈦合金 Φ720 mm 鑄錠近 20 個(gè)，投料量 60 余噸。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析表明，TC8 鈦合金同一鑄錠縱向主元素成分極差為: Al 0. 1%、Mo 0. 1%、Si 0. 02%、O 0. 01% ，而不同鑄錠同一元素的成分極差為: Al 0. 2% 、Mo0. 3% 、Si 0. 05% 、O 0. 04% ，說(shuō)明 TC8 鈦合金鑄錠的質(zhì)量一致性和批次穩(wěn)定性較好。

圖 1 為 TC8 鈦合金鑄錠橫截面 13 點(diǎn)成分取樣分析結(jié)果。由圖 1 可知，鑄錠橫截面上主元素的成分極差為: Al 0. 1% 、Mo 0. 1% 、Si 0. 01% 。與標(biāo)準(zhǔn)GB /T 3162. 0—2007中 Al、Mo 和 Si 元素的允許偏差 ± 0. 4% 、 ± 0. 3% 和 ± 0. 05% 對(duì)比可知，合金的化學(xué)成分均勻性較好。通過(guò)選擇熔點(diǎn)和密度與鈦相近的中間合金以及采用適當(dāng)?shù)娜蹮捁に噮?shù)，可保證合金鑄錠的冶金質(zhì)量。　　利用熔煉的鑄錠，研制出葉片用小規(guī)格棒材和螺母、凸臺(tái)等用大規(guī)格棒材，同時(shí)對(duì) TC8 鈦合金的熱處理工藝進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明經(jīng) 920 ℃ /2 h，AC + 580 ℃ /1 h，AC 處理后，可使棒材獲得強(qiáng)度與塑性的**匹配。

中航工業(yè)黎明公司利用寶鈦集團(tuán)研制的 TC8 鈦合金 Φ24 mm 棒材，加工成高壓壓氣機(jī) 4 ～ 7 級(jí)轉(zhuǎn)子葉片。經(jīng)分析測(cè)試表明，葉片性能完全符合技術(shù)條件要求。TC8 鈦合金的研制經(jīng)歷了實(shí)驗(yàn)室仿制—停滯—工業(yè)規(guī)模研制—工業(yè)化批量生產(chǎn)階段。進(jìn)入 21 世 紀(jì)，在航空領(lǐng)域尤其是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)需求牽引下，該合金的工程化應(yīng)用得到快速發(fā)展。經(jīng)過(guò) 10 余年的研制和生產(chǎn)表明，TC8 鈦合金鑄錠化學(xué)成分均勻，棒材的質(zhì)量一致性和批次穩(wěn)定性較好。中航工業(yè)貴發(fā)所的裝機(jī)考核和應(yīng)用驗(yàn)證表明，TC8 鈦合金完全能夠滿(mǎn)足新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫鈦合金材料要求。

2 性能評(píng)價(jià)

2.1 力學(xué)性能

2.1.1 拉伸性能

TC8 鈦合金和 BT8 鈦合金不同溫度下的典型力學(xué)性能如表 1 所示，其中，Ｒm為抗拉強(qiáng)度，Ｒp0. 2為 延伸強(qiáng)度，A 為伸長(zhǎng)率，Z 為斷后收縮率。將不同溫度下 TC8 和 BT8 鈦合金的抗拉強(qiáng)度和塑性性能進(jìn)行對(duì)比，分別如圖 2 和圖 3 所示。由圖 2 可知: 當(dāng)溫度低于 400 ℃ 時(shí)，TC8 鈦合金的抗拉強(qiáng)度與 BT8鈦合金的基本相當(dāng); 當(dāng)溫度大于 400 ℃ 時(shí)，其抗拉強(qiáng)度高于 BT8 鈦合金。由圖 3 可知，TC8 鈦合金在不同溫度下的塑性性能均優(yōu)于 BT8 鈦合金。

2.1.2 持久強(qiáng)度和蠕變性能

表 2 為 TC8 鈦合金和 BT8 鈦合金的持久強(qiáng)度和蠕變性能。由表 2 可知，TC8 鈦合金的持久強(qiáng)度和蠕變性能與 BT8 鈦合金基本相當(dāng)，其中，σ100 和 σ500分別代表 100 和 500 h 的持久強(qiáng)度，σ0. 2 /100 和 σ0. 2 /500分別代表 100 和 500 h 的蠕變性能。

2.1.3 熱穩(wěn)定性能　　表 3 為 TC8 和 BT8 鈦合金的熱穩(wěn)定性能。由表3 可知，熱暴露后 TC8 鈦合金的強(qiáng)度與 BT8 鈦合金相當(dāng) ，而其塑性性能則優(yōu)于 BT 8 鈦 合 金 。此外 ，TC8 鈦合金熱暴露 500 h 后測(cè)得的拉伸性能與熱暴露 100 h 的較為接近，表明該合金是一種耐高溫、長(zhǎng)壽命的鈦合金，可在高溫服役條件下長(zhǎng)期使用。（此文章來(lái)源于航空用鈦合金介紹）