航空发动机钛材料从合金到复合材料的变革

近年来，航空发动机的发展极大地推动了新型改良钛合金的研发。本文涵盖了从常用的 Ti6/4 合金及其高温稳定合金，到更特殊的金属间化合物材料，再到用陶瓷增强这些材料的发展历程。

 

Ti6/4 合金目前在航空航天工业中广泛应用，它在中等温度（约 300°C）下具有良好的强度、相对较低的密度，并且加工方式多样，包括铸造、锻造、粉末热等静压和扩散连接等。航空发动机用合金的研发主要集中在提高温度性能和抗蠕变能力，或者提高中间温度下的强度。诸如 Ti 6242 和 IMI 834 等合金旨在用于压缩机盘等部件，其工作温度可高达约 600°C。通过成分控制和热处理优化微观结构，从而提高了合金的蠕变和疲劳性能。还开发出了高强度中间温度（约 500°C）合金（Ti6246），其中较高含量的钼平衡了 α 强化添加元素。

 

对轻量化的追求促使了钛金属间化合物系统的发展。在过去 20 年中，45 - 2 - 2XD 和 Alloy 7 等合金成为大量研究和制造开发的对象，结果表明它们能够在远高于传统钛合金的温度下工作。最近，添加更高含量的铌和钽的合金显示出更优异的机械性能，有望将 TiAl 的应用温度扩展到 700°C 以上。

 

与金属间化合物的发展同步，将钛合金与高强度陶瓷纤维相结合的想法极具吸引力，并且已经开发出多种生产钛基复合材料的方法。虽然也对其他基体合金进行了研究和测试（在美国的发动机演示项目中），但大多数应用开发集中在以 Ti6/4 合金为基体的材料上。最近，用正交 MMC 增强的 Ti - 22Al - 26Nb 盘在发动机测试中运行了超过 100 小时。然而，这些小众的复合材料系统尚未实现大规模生产，纤维增强的 Ti6/4 系统可能最具应用潜力。

 

先进金属间化合物和钛基复合材料应用的主要障碍是原材料成本和加工成本。制造近净形部件并以可接受的成本实现减重仍然是一个挑战，这将是未来开发利用的关键。

 

引言

 

航空发动机钛技术的发展源于设计工程师对在减轻重量的同时提高性能的不懈追求。典型发动机的许多部件（图 1）都利用了钛合金的高强度重量比，但在过去 50 年中，主要是盘类部件的应用推动了关键的新发展。本文回顾了钛材料从合金到金属间化合物再到复合材料的发展历程。

 

 

合金发展

 

有三种钛合金可用于描绘发动机用合金的发展历史，即 Ti6/4、Ti6246 和 IMI834。主力合金 Ti6/4 满足了航空航天在高达 300°C 温度下的基本高比刚度和强度要求；Ti6246 用于满足在中间温度下提高强度的需求；而 IMI834 的开发则是为了优化高温性能。

 

Ti6/4 合金于 20 世纪 50 年代中期在美国经过集中研发后首次应用于结构件。合金中添加 6% 的铝（一种 α 相强化和稳定元素）显著提高了强度，而 4% 的钒（一种 β 相稳定元素）确保了合金能够进行热加工和热处理，从而形成具有良好抗疲劳性能的细晶 α + β 微观结构（图 2a）。

 

 

20 世纪 60 年代中期，随着 Ti6246 合金的推出，其强度超过了 Ti6/4。这也是一种 α - β 型合金（图 2b），含有 6% 的铝，此外还添加了 2% 的锡、4% 的锆和 6% 的钼，进一步强化了 α 和 β 相。特别是高含量的钼稳定了 β 相，使得在从 β 转变温度以上淬火时能保留大量的 β 相，从而可通过后续时效热处理进行额外强化。

 

最初，提高钛合金温度性能的合金开发活动主要集中在向 Ti6242 等合金中添加少量硅（约 0.08%）。这种改性合金被命名为 Ti6242S，于 20 世纪 70 年代初推出，在高达 500°C 的温度下有大量应用，特别是在美国。20 世纪 80 年代初，英国设定了一个目标，即进一步将钛合金的工作温度提高到 600°C，这促使了抗蠕变近 α 合金 IMI834 在 1985 年左右问世。该合金专门为高压压缩机的运行而开发，旨在设计出全钛高压压缩机鼓筒，减少在较热后端使用沉重的镍基合金盘的需求。

 

IMI834 合金的设计理念是拥有高度 α 强化的近 α 合金，并通过调整合金成分获得足够宽的热处理窗口，以便在转变后的 β 结构中可重复地产生约 5% 的残余 α 相。关键在于向合金中添加少量碳（约 0.06%），这足以降低 β 相趋近曲线的斜率，从而在热处理过程中对微观结构进行充分控制。所得微观结构（图 2c）在针状结构的高蠕变和裂纹扩展抗力与 α - β 结构的良好疲劳和抗拉强度之间取得了良好的平衡。

 

钛合金在高于 600°C 温度下使用的主要限制是在长期暴露后会形成表面 α 层结构。α 层是由于氧扩散到钛表面而形成的低延展性的 α 相稳定层。近年来，人们对 α 层形成的起始和程度及其对高温疲劳性能的影响进行了大量研究，发动机设计师现在已经清楚地了解了单个合金使用的极限。这种限制钛合金在更高温度下长期使用的 α 层问题促使材料科学家寻找新的表面涂层解决方案，但尽管已经研究了许多系统，但迄今为止尚未有商业上成功的案例。然而，从根本上改变材料体系似乎很有前景，因此推动了对钛金属间化合物系统的研究和理解，特别是基于钛和铝的金属间化合物，它们具有更低的密度和更高的工作温度能力。

 

钛金属间化合物

 

钛铝化合物为将钛基材料的应用扩展到 600°C 以上提供了机会。传统上，在此温度以上运行的航空发动机部件使用更重的钢或镍基合金。由于在航空发动机设计过程中对满足重量目标的追求，钛金属间化合物系统因其相对较低的密度而备受关注。

 

在过去 20 年中，这推动了对钛铝化合物合金的大量研究，许多不同的合金系统和工艺得到了评估和表征（图 3）。Ti45 - 2 - 2XD 是一种成熟的 γ - 钛铝化合物合金，适用于铸造部件，是第一代商用合金中强度最高的合金之一。Alloy 7 是罗尔斯・罗伊斯公司开发的另一种成熟合金。通过锻造工艺获得的细晶结构与许多铸造合金相比，显示出更高的强度和延展性。对这些合金的研究表明，γ - 钛铝化合物能够在至少 700°C 的温度下工作。

 

 

然而，对更高温度性能的追求促使了进一步的合金开发，如由 GKSS 公司专利的 TNB 系列合金。对这些合金的评估表明，在三元添加量更高的合金中，机械性能有可能得到显著改善。已经为这些合金开发了制造技术，并且零件已在演示发动机中成功运行。其他当前的研究活动，如由 IMPRESS 资助的项目，旨在通过对凝固和热处理机制的深入理解，在类似合金系统中通过铸造实现理想的性能平衡。

 

近年来，重点主要放在合金设计和实现机械性能目标上。然而，制造技术的发展使锻造或铸造等工艺能够生产出近净形部件，并为相对脆性的材料采用适当的设计方法，这将促使 γ - 钛铝化合物成功且经济有效地应用。

 

钛基复合材料

 

为了突破像 Ti6246 等合金的强度限制，需要从根本上改变概念，因此用高强度、高刚度纤维增强钛合金形成钛金属基复合材料（TiMMC）极具吸引力。主要钛合金、金属间化合物和复合材料在不同温度下的相对强度如图 4 所示。

 

 

20 世纪 80 年代末 90 年代初，由于美国航天飞机项目的需求，对 TiMMC 的需求开始增长。人们对广泛的钛基复合材料系统进行了评估，包括从 Ti6/4 到 IMI834 甚至钛金属间化合物等合金与一系列纤维的组合（尽管大直径单丝碳化硅纤维更受青睐）。随着 1993 年美国国家航空航天飞机（NASP）项目的终止，TiMMC 的发展转向燃气轮机驱动，其潜在应用范围如图 5 所示。

 

 

未来设想将其应用于静态和旋转部件，一些简单的执行器部件已经在美国军队中服役。民用发动机的首批应用可能是静态部件，如发动机推力支柱或构成发动机安装结构一部分的支撑支柱。

 

然而，TiMMC 在发动机中最具挑战性的应用可能是用于关键的旋转压缩机盘部件。在这里，复合材料的高纵向强度和刚度特性使得可以用简单的轻质环形部件（称为 “blings”）取代传统的重型压缩机盘。

 

下图展示了 TiMMC 在切开的 “bling” 部件中的最终形态。

 

 

设计演变过程如图 6 所示，传统的盘片和叶片设计首先被整体叶盘（bladeddisc）部件取代，这在许多最新的军用发动机中都有应用。去除叶片与盘片连接的多余重量也使得中心部分质量得以降低，典型的整体叶盘设计可使部件重量减轻约 30%。在整体叶盘部件中加入 TiMMC 环形成 “bling”（带叶片的环）设计通常可再减轻 30 - 40% 的重量。正是复合材料在纵向或环向承载方向的高强度和高刚度使得这种新颖的 “bling” 设计得以应用。

 

在 “bling” 应用中，横向或径向载荷较低，可以进行优化设计，确保径向载荷远低于复合材料较低的横向强度。图 7 展示了一个典型的 “bling” 部件。

 

 

该部件是为 EJ200 发动机升级开发项目制造的，在环形部分采用 Ti6/4 合金基体和 SCS - 6 碳化硅纤维增强。叶片和驱动附件采用未增强的 Ti6/4 合金，与高强度 Ti6246 合金的整体叶盘设计相比，整个部件重量减轻了 37%。

 

除了显著的重量减轻外，这种新颖的 “bling” 设计还允许发动机设计师在利用 “bling” 部件体积减小的优势时对发动机架构进行重大改变。例如，可以通过让 “bling” 在轴承上运行来缩短发动机长度，或者在未来的电动发动机概念中，将嵌入式启动发电机安装在 “bling” 提供的空间内。使用 TiMMC 所节省的重量应该能够抵消引入重型电气部件所增加的大部分重量。

 

钛基复合材料的基本组成部分是大直径（约 140μm）碳化硅纤维。降低纤维成本并有效利用纤维将是使部件成本可接受，从而推动 TiMMC 未来应用的关键。经过多年的发展，已经采用了多种方法将纤维纳入发动机部件。对于像 “bling” 这样的关键部件，必须能够重复生产高质量的复合材料，最近的发展集中在使用涂有钛合金的碳化硅纤维作为首选原材料形式。可以通过电子束蒸发技术或更慢但更高效、更精确的溅射沉积工艺在纤维上涂覆金属基体。现在可以将涂覆纤维的直径变化控制在几微米以内，从而确保成品部件中的复合材料质量。图 6 展示了涂覆纤维复合材料中纤维分布的质量情况。

 

为了确保复合材料在整个部件制造过程中的质量，推动了无损检测（NDE）技术的改进以支持材料开发。图 8 展示了一个采用纤维和箔片铺层技术制造的 TiMMC 轴部件开发过程中的例子，其中超声和 X 射线检测揭示了纤维铺层中的缺陷。

 

 

罗尔斯・罗伊斯公司在演示发动机中通过制造使用正交钛基复合材料和更高强度碳化硅纤维的复合转子，证明了将 TiMMC 技术扩展到更高温度应用的可行性。与其他基于钛铝化合物的复合材料相比，正交合金的优势在于断裂韧性、蠕变强度显著提高，系统温度能力可达 700°C。最常见的正交 TiMMC 系统是 Ti - 22Al - 23Nb 和 Ti - 22Al - 26Nb 合金与几种碳化硅纤维的组合。在 650°C 下，纤维体积分数为 0.3 时，测得的拉伸强度超过 2000MPa。图 9 展示了 Ti - 22Al - 26Nb/Ultra SCS™纤维复合系统的典型微观结构。

 

 

未来展望

 

显然，在燃气轮机发动机用钛技术的发展过程中已经有了大量的创新，但到目前为止，只有钛合金实现了大规模生产应用。然而，随着合适应用载体的出现，未来五年有望实现钛铝化合物的开发利用以及低温钛合金复合材料的应用。在这两种情况下，关键障碍都将是实现可接受的部件成本。对于钛铝化合物，铸造、锻造和加工工艺的经济可行性发展至关重要；对于钛基复合材料，降低原材料成本、纤维涂层成本以及后续复合材料组装成本是主要关注点。在这两种情况下，供应链都需要快速成熟。在未来 10 年内，高温金属间化合物复合材料的引入应该是可能的，并且可能会出现纳米工程钛材料和复合材料。

 

来源：Science Exploration