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    增材制造600℃高溫鈦合金研究進展

    嘉峪檢測網        2024-04-18 18:58

    高性能軍用戰斗機和新一代民用大飛機的應用需求推動航空發動機朝高推重比、高渦輪前溫度和低油耗等方向發展,這要求航空發動機結構材料具有更高的綜合性能。相比鎳基高溫合金和結 構鋼等材料,高溫鈦合金具有低密度、高比強和耐腐蝕等優點,在先進航空發動機高壓壓氣機關鍵部件中具有明顯的應用優勢。目前,國外先進航空發動機中高溫鈦合金的用量已占發動機結構質量的 25%~40%,例如美國在 F22 機型的發動機 F119中高溫鈦合金的使用量已達 41%  ,而我國第二代航空發動機中鈦合金的用量約為13%~ 15%,第三代用量達到 25%。先進航空發動機的發展需求牽引著高溫鈦合金逐漸向高性能和整體化方向發展。高溫鈦合金構件服役于高溫高壓等苛刻環境,幾何結構精密復雜。目前,航空發動機等領域所用復雜高溫鈦合金構件主要依靠鍛造、焊接、鑄造和機加工等傳統制造方法。采用傳統成形方法制備復雜高溫鈦合金構件存在工藝復雜、材料利用率低、生產周期長、成本高和機加工效率低等缺點,不利于推動高溫鈦合金在航空發動機中的安全應用及新材料體系的開發。 

     

    增材制造是一種新型加工制備工藝,以粉末或金屬絲為原材料,應用高能熱源(如激光、電子束等)按照預先規劃路徑使原材料加熱熔化,逐層堆積凝固成形。與傳統工藝相比,增材制造可以 實現近凈成形和無?;a,能夠在縮短加工周期 的同時提升材料利用率。此外,增材制造還能將多個零件進行整合加工,降低零件數量和裝配成本;相應的修復技術還能用于關鍵零部件的維護,避免 直接更換零件帶來的經濟損失。因此,采用增 材制造技術制備高溫鈦合金關鍵/重要零部件,對推動高性能航空發動機的進一步發展具有重要的實際工程價值。 

     

    目前,已有大量關于鈦合金增材制造的研究工作,其中大部分圍繞TC4鈦合金展開,包括微觀結構、力學性能和應用領域等方面,而對于耐更高溫度的增材制造高溫鈦合金材料尚處探索階段。增材制造 600 ℃ 高溫鈦合金在未來航空發動 機研制中具有良好的應用前景,一些研究工作對其增材制造工藝進行了探索。本文在回顧600℃高溫鈦合金發展的基礎上,圍繞Ti60、Ti60A和 Ti600三種典型600 ℃高溫鈦合金,對其增材制造微觀組織特征和關鍵性能進行綜述,并總結以600 ℃高溫鈦合金為基體的復合材料和梯度/復合結構增材制造的相關研究工作,最后基于現有研究 的不足對增材制造 600 ℃高溫鈦合金未來發展方向進行展望。

     

    1、600 ℃ 高溫鈦合金發展回顧 

     

    航空發動機是航空領域的核心裝備,高溫鈦合金作為航空發動機重要的金屬結構材料,主要用于制造航空發動機壓氣機葉片、葉盤和機匣等關鍵/重要零部件。高溫鈦合金性能的提高與航空發動機設計的迭代升級相輔相成,目前高溫鈦合金的使用量已成為衡量現代航空發動機技術水平的重要指標之一。 

     

    高溫鈦合金的研究始于20世紀50年代初,研究的國家主要為美國、英國、俄羅斯和中國等。經過國內外學者多年的研究,高溫鈦合金的發展取得巨大突破:常溫抗拉強度從300MPa提高到1500MPa,服役溫度從 300 ℃ 提高到 600 ℃。通過控制 α 相穩定元素和 β 相穩定元素的添加量,高溫鈦合金可分為 α+β 型和近 α 型鈦合金。雖然 α+β 型鈦合金能夠實現室溫強度與塑性的良好匹配,但是合金中存在較多的β相,β相在長時間熱暴露的服役狀態下會逐漸分解,導致組織不穩定,α+β型鈦合金的最高使用溫度為500 ℃左右。α相為密排六方結構,擴散激活能比體心立方的β相高、原子擴散系數比 β 相小,在高溫狀態時 α 相擁有更好的組織穩定性、抗氧化性和抗蠕變性等,因 此近α型鈦合金的最高使用溫度可達 600 ℃。

     

    隨著航空發動機性能的不斷提升,航空發動機零部件需要在高溫、復雜應力、氣流沖刷、高速振動、環境應力腐蝕等更加苛刻的環境下服役,要求高溫鈦合金實現高溫強度、高溫蠕變抗力、熱穩定性和疲勞性能等的良好匹配。研究人員通過對合金成分、制造工藝和微觀組織的不斷優化,開發出了一系列600 ℃高溫鈦合金。

     

     1984年英國推出國際上首種600 ℃高溫鈦合金 IMI834,已在多種高性能發動機上得到驗證 和應用。波音777飛機選用的民用大型發動機 Trent700 中高壓壓氣機的所有輪盤、鼓筒及后軸均為IMI834合金制備,并采用電子束焊接工藝焊為一體,使得 Trent700 成為第一個采用全鈦高壓壓氣 機轉子的新型民用發動機;此外,EF2000 戰斗機中 EJ200 發動機的高壓壓氣機轉子同樣由 IMI834 合金制成。1988 年,美國推出 600 ℃ 高溫鈦合金 Ti-1100,已應用于萊康明公司 T552-712 改型發動機高壓壓氣機輪盤和低壓渦輪葉片等零件。俄羅斯通過在多元合金系的基礎上添加W元素提高合 金耐熱溫度和抗蠕變性能,在 20 世紀 90 年代成功研制出服役溫度為600 ℃的BT36鈦合金。

     

    進入21 世紀,我國在600 ℃高溫鈦合金研制方面取得突破成果,研制出 Ti60、Ti600 和 TA29 等 合金。中國科學院金屬研究所與寶鈦集團有限公司聯合研發了具有優良綜合性能的 Ti60(TA33)合金,在高溫下具有較高的穩定性和抗氧化性。在 Ti-1100 合金的基礎上,西北有色金屬研究院研 發 了 Ti600 合 金,目 前 已 達 到 中 試 規 模 。2000 年北京航空材料研究院創制了 TA29(TG6)合金,不含Mo元素,添加 1.5%(質量分數,下同)Ta 可以提高合金強度,改善加工性能,適用于航空發 動機部件制備。目前,典型的 600 ℃ 高溫鈦合金包括美國的 Ti-1100,英國的IMI834,俄羅斯的 BT36 以及中國的TA29、TA33、Ti60A 和 Ti600 等以及最新固化成 分材料的 TA37(Ti150),上述合金均為 Ti-Al-SnZr-Mo-Si 系近 α 型高溫鈦合金,相應的材料及名義成分見表1。

     

    表 1    典型 600 ℃ 高溫鈦合金

     

     

     

    2、增材制造 600 ℃ 高溫鈦合金的微觀組織

     

    鈦合金的增材制造技術可分為直接能量沉積與粉末床熔化兩種。根據熱源不同,可分為激光熔化沉積(laser melting deposition, LMD)、電子束熔化沉積(electron beam melting deposition, EBMD)、 電弧熔 絲沉積 (wire  arc  additive  manufacturing, WAAM)、激光選區熔化(selective laser melting, SLM) 和電子束選區熔化(selective electron beam melting, SEBM)五種工藝。目前 ,多采用激光增材制造 (laser additive manufacturing, LAM)和電子束增材 制造(electron beam additive manufacturing, EBAM) 來制備 600 ℃ 高溫鈦合金,電弧熔絲沉積則鮮有報 道,表 2 列出了四種 600 ℃ 高溫鈦合金增材制造工藝的技術特點。 

     

    2.1 激光增材制造 600 ℃ 高溫鈦合金組織 

     

    激光增材制造(LAM)工藝可分為激光熔化沉積 (LMD)和激光選區熔化 (SLM)兩種工藝。LMD 又可稱為激光立體成形或激光直接沉積,是以高能激光束為熱源,在基板上熔化同步進給的金屬粉末,按照既定模型信息逐層堆積凝固成形的加工工藝。激光熔化沉積成形速率快,除可加工大尺 寸構件外,還能應用于零件修復和表面涂覆,是600 ℃高溫鈦合金應用最早和最多的增材制造工藝。 

     

    在激光熔化沉積過程中,高能激光熔化金屬粉末在基板表面形成熔池。由于基板的快速散熱,熔池快速冷卻(冷卻速率可達 104~106  K/s)和凝固。圖1為采用隔行掃描策略激光熔化沉積的 Ti60A 合金板材微觀組織。由圖 1 可見,組織由沿沉積方向定向生長的粗大柱狀晶組成,寬度可達 200 μm, 長度可達毫米級,片層間距為 1.7~3.2 μm 的 α 板 條分布在柱狀晶內部。熔池中心溫度梯度小,冷卻速度慢,易生成粗大柱狀晶;相鄰熔池搭接區溫度梯度大,冷卻速度快,易生成小柱狀晶,故在宏觀上形成粗細柱狀晶交錯的組織。

     

    表 2    典型 600 ℃ 高溫鈦合金增材制造工藝對比

    圖 1    激光熔化沉積 Ti60A 合金微觀組織

     

    ?。╝)低倍;(b)高倍

     

    激光能量密度會顯著影響 LMD 合金的顯微組織。當能量密度較大時,新層熔化時會使原沉積層充分重熔,進而冷卻凝固形成粗大的外延生長的 β 柱狀晶;當能量密度較小時,新層熔化不足以使原沉積層上部的等軸晶區充分重熔,便會形成層帶結構。 

     

    激光熔化沉積過程中,熔池底部沿溫度梯度外延生長的柱狀晶和熔池頂部未熔化顆粒作為形核位點誘導生成的等軸晶是兩種主要的凝固機制,合金的宏觀組織取決于哪種機制占據主導。Deng 等在不采用后處理或添加形核劑的前提下通過 LMD 工藝成功制備出了近等軸組織的 Ti60 合金,如圖2(a)所示,并提出凝固溫度范圍 ΔTf 比生長限制因子 Q 能更準確描述不同體系鈦合金中等軸晶形成的難易程度。傳統凝固理論認為,凝固組織主要取決于生長限制因子 Q,Q 值越大,形核生長越快,更易形成等軸組織。Ti60 相比 TC21 擁有更低的Q值和更高的 ΔTf 值,卻更易形成等軸組織。凝固溫度范圍 ΔTf 作為判據的有效性還需要更多的 實驗數據進行驗證。 

     

    除工藝參數外,金屬粉末的質量也會顯著影響LMD高溫鈦合金的微觀組織。例如,通過等離子旋轉電極法制備的Ti60 粉末球形度高,而通過氣霧法制備的粉末則含有相當一部分空心粉,在后續加工過程中容易產生氣孔進而降低 Ti60合金的使用性能。

     

    SLM是利用高能激光束按照規劃路徑熔化預先鋪設的金屬粉末床,逐層熔化堆積制備零件的加工工藝。與其他成形工藝相比,SLM 所用粉末粒徑和激光光斑直徑更小,更適用于小型復雜零件的制備,加工構件擁有更好的尺寸精度和表面質量。由于SLM 所用粉末要求較高,目前相關研究較為缺乏。與 LMD相比,SLM制備的600 ℃高溫鈦合金容易形成非平衡相。由于激光加工過程中的高冷卻速率,Ti600 高溫鈦合金中初生β 相無法完全轉變為 α 相,而是通過共格切變形成針狀 α′馬氏體相,在激光能量密度較高時,新層熔化會促進原沉積層中 α′馬氏體原位分解生成 α+β 相,故隨著能量密度升高,顯微組織中的 β 相比例上升。

     

    圖 2    激光熔化沉積 Ti60 合金微觀組織

     

    (a)初生 β 晶粒;(b)層帶結構中的 α 相; 

     

    (c)晶間 α 相;(d)晶內 α 相

     

    2.2 電子束增材制造 600 ℃ 高溫鈦合金組織 

     

    電子束增材制造(EBAM)工藝可分為電子束選區熔化(SEBM)和電子束熔化沉積(EBMD)。EBAM 是通過高能電子束將預先鋪設的粉末床或同步進給的金屬絲/粉末熔化沉積,按照設計的模型逐層堆積的成形工藝。與激光增材制造技術相比,EBAM 工藝具有真空環境無污染、熱源能量密度大、成形速度快和殘余應力小等優點。EBAM在新層沉積過程中,會對原沉積層進行快速預熱,能有效降低成形過程中的溫度梯度,抑制或降低材料的熱裂傾向。

     

    EBAM 的工藝特點使得所制備的 600 ℃高溫鈦合金往往由粗大的柱狀晶組成,同時伴隨有硅化物和稀土氧化物等析出。圖 3 為EBMD工藝制備的Ti60 合金的顯微組織,宏觀組織為粗大的 β 柱狀晶,平均寬度超過400 μm,柱狀晶穿過多層沉積層外延生長,生長方向略微傾斜于構建方向;柱狀晶由層狀 α 和 β 相組成,并在 α/β 界面析出了(TiZr)6Si3 硅化物。采用 SEBM 制備的 Ti600 高溫鈦合金 宏觀組織同樣為粗大的柱狀晶,微觀組織為網籃組 織,從頂部到底部 α 板條的寬度不斷增大,由Y2O3、硅化物和Ti3Al組成的“球狀組織”沿α相邊界析出。Lu等發現SEBM-Ti600沉積