?国内600℃高温钛合金发展现状
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国内高温钛合金的发展相对落后于发达国家，如美国、英国和俄罗斯，前期主要以仿制国外成熟牌号为主。经过科研工作者长时间大量的摸索探究，逐步形成了以添加稀土元素为特色的高温钛合金体系。其中最为典型的是 600℃ 航空发动机用高温钛合金 Ti60、Ti600 和 TG6，600℃ 以 上 短 时 应 用 高温 钛 合 金Ti65 和 Ti750。
为保证高温钛合金较高的热强性，Ti60 合金化程度较高，添加了更高含量的 Al、Sn、Si 等元素，成分为 Ti–5.6Al–4.8Sn–2.0Zr–1.0Mo–1.0Nd–0.35Si。微量稀土元素 Nd 的引入，不仅显著细化了 Ti60 合金的原始组织，抗氧化能力也得到了提升。添加稀土元素一方面可以内氧化形成稀土氧化物，净化基体，提高热稳定性；另一方面，弥散析出的稀土氧化物粒子的热膨胀系数有别于基体，冷却时易在其周围形成位错环可进一步强化基体。目前，Ti60 已进入小规模半成品生产试制阶段。
Ti600 的 典 型 特 点 是 添 加 了0.1% 稀土元素 Y，成分为Ti–6.0Al–2.8Sn–4.0Zr–0.4Mo–0.45Si–0.1Y。相比于国外 600℃ 高温钛合金，Ti600在保证同等室温、高温力学性能的前提下，其蠕变性能优势明显，同等应力加载条件下，残余变形更低，且焊接性能良好。目前已完成中试，进入产业化阶段，产品主要包括板材、棒材及小规格阀件、锻件等。
TG6 典型特点为用弱 β 稳定元素 Ta 代替 Mo，提升 Si 含量，且加入 0.06% C 扩大两相区加工窗口，成分为 Ti–5.8Al–4.0Sn–4.0Zr–0.4Si–0.7Nb–1.5Ta–0.06C。高 Si 含量明显提升了合金蠕变抗力，一定量的元素Ta 作为 β 稳定元素在提升强度的同时有效地改善了其加工性能。目前该合金已用于航空发动机 600℃以下压气机零部件的制造。
短时应用 600℃ 以上高温钛合金 Ti65 成分为 Ti–5.9Al–4Sn–3.5Zr–0.3Mo–0.3Nb–2.0Ta–0.4Si–1.0W–0.05C。长时使用温度为 650℃，短时使用温度可达 750℃。相比于 600℃高温钛合金，弱 β 稳定元素 Ta 以及高熔点元素 W 的加入不仅有效弥补了因中性元素 Sn、Zr 下降所造成的合金强度损失，同时也改善了蠕变抗性和持久性能，微量元素 C的引入同样有效地改善了两相区上部热处理时初生 α 相对温度的敏感性，扩大了两相区加工窗口，实现了强度、韧性、蠕变和疲劳性能的最佳匹配。目前该合金仍处于研发阶段。
Ti750 是目前国内使用温度最高的高温钛合金，成分为 Ti–6Al–4Sn–9Zr–1.21Nb–1.6W–0.3Si，短时使用温度可达750℃。典型特点为利用元素 W 来提升高温性能，元素 Si 提升合金蠕变抗性，但 Ti750 中 Al 含量相对较高，长时间时效或热暴露后会析出一定有序相 Ti3X（X 为 Al，Sn 等），从而导致合金室温塑性、韧性严重下降。
总结来看，目前世界各国高温钛合金的长时使用温度很难突破600℃，主要原因在于使用温度高于600℃，一方面合金热强性与热稳定性难以匹配协调；另一方面合金抗氧化性急剧下降，导致热稳定性和疲劳性能降低，对应用于航空发动机压气机部位的零部件也存在有钛火风险。可能的解决途径有：
（1）寻求新的添加元素。
（2）依靠稀土元素的作用：内氧化形成稀土氧化物净化基体、利用稀土氧化与基体热膨胀系数的差异在冷却过程中形成位错环强化基体、细化铸态晶粒，提高热稳定性。因此，要充分发掘稀土元素的作用。
（3）合理调控热加工工艺和热处理制度。通过对热加工过程的精确控制，包括热加工温度、应变速率、变形量以及后续冷却速率的控制来实现组织的精准预判。组织对应性能、精确的组织调控对寻求合金最佳综合性能匹配模式至关重要。对某些有指定方向上性能要求的合金也可通过控制变形工艺使其形成沿该方向上的择优取向，从而改善其某一方向上的性能。
（4）大量开展有关合金抗氧化涂层的研究。
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国外600℃高温钛合金发展现状?
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国外600℃高温钛合金发展现状1954 年美国最先开发了一种使用温度可到 350℃ 的两相型高温钛合金 Ti–6Al–4V，可进行热处理强化，具有较高的热强性和热稳定性，良好的成形性、焊接性、耐腐蚀性以及生物相容性，长期以来被广泛使用。随着航空航天工业的快速发展，尤其进入 20 世纪 80 年代后，使用温度更高的高温钛合金相继问世，多年来通过对已有合金的不断优化和改进，高温钛合金的长时使用温度逐步提升至 600℃。典型的有航空发动机用耐 600℃ 高温钛合金 IMI834（英国）、Ti1100（美国）和BT36（俄罗斯）。
传统高温钛合金主要以 Ti–Al–Sn–Zr–Mo–Si 近 α 型体系为主，英国的研发思路主要依靠 α 相的固溶强化，通过合金体系当中引入的 α稳定元素来实现高温钛合金的热强性。其中最为典型的是 600℃近 α 型高温钛合金 IMI834，它同时也是国际上最早的长时使用温度达600℃的实用型高温钛合金，成分为Ti–5.8A1–4Sn–3.5Zr–0.7Nb–0.5Mo–0.35Si–0.06C，微量 β 稳定元素 Mo、Nb 的引入极大地改善了合金热强性与热稳定性的匹配，在提升强度的同时保持了其良好的热稳定性。微量元素 C 的引入则有效扩大了两相区加工窗口。为满足航空发动机长时使用对高温钛合金热强性与热稳定性协调匹配的要求，该合金推荐使用的组织形态为Bi态组织，可通过调整热处理制度实现。
美国高温钛合金的发展思路主要是依靠近 α 型体系的固溶强化，通过调整 α、β 稳定元素含量，从成分设计的角度保证其高的热强性，后续采用热处理进行组织调控，最终兼顾合金高的疲劳强度和蠕变强度。典型的是 600℃高温钛合金Ti1100，成分为 Ti–6A1–2.75Sn–4Zr–0.4Mo–0.45Si，合金中杂质元素 O、Fe 含量均较低，一定程度上提升了其蠕变性能和热稳定性。此外，该合金断裂韧性以及抵抗疲劳裂纹扩展能力均表现得较好。据报道，Ti1100合金现已成功用于制造莱康明公司T552–712 改型发动机的低压涡轮叶片和高压压气机盘等零部件。
相比于英国和美国，俄罗斯的高 温 钛 合 金 发 展 较 为 成熟，已 成体系。典型 600℃代表合金为BT36，成分为 Ti–6.2A1–2Sn–3.6Zr–0.7Mo–0.1Y–5.0W–0.15Si。为较大程度提升合金热强性，俄罗斯采用引入一定量高熔点元素 W，而微量稀土元素 Y 的加入则细化了合金的铸态晶粒，改善其热稳定性。
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钛合金如何在高温情况下，实现形变强韧化
文/万物知识局编辑/万物知识局 一、钛合金晶体结构与高温形变钛合金是一类具有重要应用数值的结构材料，在航空航天、汽车制造、生物医学和其他领域中得到广泛应用。钛合金具有良好的力学性能和优异的耐腐蚀性能，但在高温环境下，其强度和韧性表现相对较差。为了解决这一问题，研究人员对钛合金高温形变进行了深入研究，探索其晶体结构与高温形变之间的关系。
钛合金的晶体结构是理解其高温形变行为的基础。通常，钛合金具有密排六方最密堆积晶体结构（HCP）。在HCP结构中，钛原子沿着c轴方向紧密堆积，而沿a轴和b轴方向则存在较大间距。这种结构使得钛合金在高温下发生复杂的晶格畸变和位错运动。
高温下的晶体结构变化是钛合金高温形变的重要因素之一。当钛合金在高温下受到应力作用时，晶体结构会发生畸变。在约400°C以下的温度范围内，由于晶格缺陷的动态过程，钛合金表现出高温强化效应。在这个温度范围内，晶体结构的畸变会导致位错的形成和运动，从而增强钛合金的塑性。然而，当温度超过约400°C时，晶体结构的畸变会导致位错的堆积，从而限制了钛合金的塑性，降低了其韧性。
在高温形变中，晶界也发挥着重要的作用。晶界是晶体结构中晶粒之间的界面，具有不同的化学成分和晶体结构。晶界可以阻碍位错的运动，从而影响钛合金的塑性和高温形变行为。研究人员通过晶界工程的方法，调控晶界的特性，可以改善钛合金在高温下的形变性能。例如，通过添加适量的合金元素或特定的热处理过程，可以调控晶界的结构和化学成分，提高钛合金的高温塑性。
此外，位错行为也对钛合金的高温形变起着重要的影响。位错是晶体中的缺陷线，可以通过运动和堆积来响应外界应力。在高温下，位错的运动和堆积会导致晶体结构的变化，进而影响钛合金的形变行为。研究表明，在高温下，位错的运动速率加快，从而增加了材料的形变能力。此外，位错的堆积也会引起晶粒边界的移动和晶界的形成，进一步影响钛合金的高温形变行为。
总之，钛合金的晶体结构是高温形变行为的关键因素之一。晶体结构的畸变、晶界的特性以及位错的运动和堆积都对钛合金的高温形变和强韧化起着重要的作用。进一步的研究可以通过调控钛合金的晶体结构和优化晶界工程方法，提高钛合金的高温塑性和韧性，以满足更高温度环境下的工程应用需求。
二、晶界工程与高温形变强韧化晶界工程是一种通过调控晶界结构和性质来改善材料力学性能的方法。在钛合金的高温形变过程中，晶界工程可以起到强化和强韧化的作用。本文将详细介绍晶界工程在钛合金高温形变强韧化中的应用和机制。
晶界是晶体中相邻晶粒的边界，由于晶粒的生长过程中存在晶界能的存在，晶界具有不同于晶内的特殊结构和性质。在高温形变过程中，晶界对钛合金的塑性和韧性起着重要的调控作用。
一方面，晶界可以阻碍位错的移动和滑移，从而提高材料的强度。晶界的存在增加了位错运动所需的能量，使得材料更难发生形变。此外，晶界还可以限制晶粒内的位错扩散，从而增强材料的局部强度。
另一方面，晶界可以提高材料的韧性。晶界是位错的吸收和发射的重要位置，通过吸收和阻挡位错，晶界能够提供增强的位错密度和能量耗散机制，从而提高材料的韧性。此外，晶界还可以导致位错弯曲、蠕变和复位等复杂行为，使得材料具有更好的形变能力。
晶界工程的方法包括控制晶界的密度、宽度、结构和化学成分等。这些方法可以通过热处理、合金元素的添加以及机械变形等手段实现。
其中，热处理是一种常用的晶界工程方法。通过合理选择退火温度和时间，可以改变晶界的结构和性质。例如，对于钛合金，合适的热处理可以使晶界变得更加清晰、稳定，并促进晶界与晶内的协同变形。
另外，合金元素的添加也是一种常见的晶界工程方法。合金元素的选择和控制可以影响晶界的能量状态和结构特征，从而调控晶界的强度和韧性。例如，添加合适的合金元素可以使晶界处形成细小的析出相，从而增加晶界的能量耗散能力。
此外，机械变形也是晶界工程的重要手段。通过调控变形条件和路径，可以引入更多的位错和晶界，从而增加晶界的密度和位错密度，提高材料的形变能力和韧性。
需要注意的是，晶界工程的效果受到多种因素的影响，包括晶界能量、晶界迁移速率、位错堆积等。此外，晶界工程的实施还需要考虑材料的具体应用环境和性能需求。
总结来说，晶界工程在钛合金高温形变强韧化中发挥着重要的作用。通过调控晶界的结构和性质，可以增加钛合金的强度、塑性和韧性。然而，晶界工程的效果受到多种因素的影响，需要深入研究和优化。随着对晶界工程机制的进一步理解和技术的发展，晶界工程将为钛合金在高温环境下的应用提供更多的可能性。
三、位错行为与高温形变强韧化位错是晶体中的线状缺陷，其运动和堆积对于钛合金的高温形变和强韧化具有重要影响。在高温下，位错行为的研究可以揭示钛合金的塑性机制和形变能力的提高途径。本文将详细介绍位错行为在钛合金高温形变强韧化中的作用和机制。
在高温下，位错行为主要包括位错生成、运动和堆积。这些过程在钛合金的高温形变中起着重要的作用。
首先，位错生成是位错行为的起始过程。在钛合金中，位错可以通过多种方式生成，包括塑性滑移、剪切变形和相变等。在高温条件下，位错的生成受到晶体结构畸变和应力场的影响。合适的应力和温度条件可以促进位错的生成，从而增加钛合金的塑性。
其次，位错的运动是钛合金高温形变的关键过程之一。位错可以通过滑移、蠕变和扩散等方式运动。在高温下，位错的运动速率加快，因为晶格的畸变和材料的塑性增加。位错运动的速率和路径对于材料的形变能力和塑性有重要影响。
最后，位错的堆积也是钛合金高温形变的重要过程之一。位错的堆积导致晶体结构的畸变和应力场的集中，进而影响材料的塑性和强度。合适的位错堆积可以提高钛合金的局部强度和形变能力，从而增强材料的韧性。
在位错行为的研究中，时间对于钛合金的高温形变和强韧化起着重要的作用。随着时间的推移，位错的运动和堆积会导致材料的畸变和相变，进而影响钛合金的塑性和强度。此外，时间还可以影响位错与晶界的相互作用和位错的扩散速率，从而进一步影响钛合金的高温形变行为。
位错行为与钛合金高温形变强韧化的关系非常复杂，需要综合考虑多个因素。其中包括温度、应变速率、应力状态、合金元素等。不同的条件和参数将导致位错行为的不同模式和机制，从而影响材料的形变能力和韧性。
总结来说，位错行为在钛合金高温形变和强韧化中发挥着重要的作用。位错的生成、运动和堆积影响着钛合金的塑性、强度和韧性。通过深入研究位错行为的机制和调控方法，可以提高钛合金的高温形变能力和强韧性，进一步拓展其在航空航天、汽车制造等领域的应用潜力。
四、高温形变强韧化的关键因素钛合金的微观结构和组织是高温形变强韧化的重要基础。晶粒尺寸、晶界特征、相分布以及二次相的形成与分布对材料的高温形变和韧性具有显著影响。小晶粒尺寸有助于提高材料的韧性，因为小晶粒尺寸会增加晶界的面积，提高位错运动的难度，从而增加材料的塑性。此外，细小的二次相颗粒可以提供位错强化和裂纹阻挡的效果，进一步提高材料的韧性。
合金元素的选择和控制对高温形变强韧化起着关键作用。合金元素可以通过固溶强化、析出强化、相变等方式改善钛合金的塑性和韧性。例如，铝和钒等强化元素可以形成均匀的固溶强化，增加材料的强度和塑性。而镍、铁和铜等元素的添加可以促进析出相的形成，增加材料的位错密度和位错强化效果。此外，合金元素还可以调控材料的晶界特征和相变行为，进一步改善高温形变和韧性。
加工方式对高温形变强韧化具有重要影响。热加工、冷变形和热处理等加工方式可以调控材料的晶粒尺寸、晶界特征以及位错密度和分布。合适的加工方式可以改善材料的塑性和韧性。例如，热变形和等通道角挤压等加工方式可以细化晶粒尺寸，提高材料的韧性。而热处理可以调控晶界的特征，如晶界清晰度、晶界角度和晶界能量等，进一步增强材料的形变能力和韧性。
温度和应变速率是影响高温形变强韧化的关键因素。适当的温度可以提高材料的塑性和韧性。较高的温度可以降低材料的屈服强度和流动应力，从而增加材料的塑性。适宜的应变速率可以影响位错的生成、运动和堆积行为，进而调控材料的塑性和韧性。较高的应变速率可以增加位错运动和堆积的困难度，从而提高材料的强度和韧性。
总结来说，高温形变强韧化的关键因素涉及微观结构、合金元素、加工方式、温度和应变速率等。微观结构和组织的优化、合金元素的选择和控制、适宜的加工方式以及合理的温度和应变速率都可以有效提高钛合金材料的高温形变能力和韧性。
在未来的研究中，钛合金高温形变强韧化的关键因素仍需进一步深入研究和优化，以推动钛合金材料在高温环境中的应用发展。
结论
钛合金的高温形变强韧化是一项重要的研究领域，对于拓展钛合金材料在高温环境下的应用具有重要意义。在探索高温形变强韧化的过程中，涉及到多个关键因素，包括微观结构和组织、合金元素、加工方式、温度和应变速率等。
优化钛合金的微观结构和组织是提高高温形变能力和韧性的关键。通过细化晶粒尺寸、调控晶界特征和相分布，以及形成适量的二次相颗粒，可以增加材料的塑性和强度，提高其韧性。