我国TC8钛合金研制进展与性能评价Word文档格式.docx
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该钛合金锻造性能良好，可采用常规的热处理方式，切削加工性好，表现出较好的工艺性能。
关键词:
钛合金;
TC8钛合金;
BT8;
材料性能;
力学性能
高温钛合金以其优良的热强性和高比强度，在航空、航天等领域获得了广泛的应用。
为了满足设计高性能航空发动机的需求，苏联在20世纪50年代末期开发出BT6（国内牌号TC4）、BT3-1（TC6）、BT8、BT9（TC11）等牌号的钛合金［1－2］。
为进一步提高高温钛合金的性能和工作寿命，20世纪90年代，俄罗斯在BT8钛合金的基础上改进研制了BT8-1及BT8M-1钛合金［3－5］。
我国在20世纪60年代对BT8钛合金进行了实验室仿制。
进入21世纪，为满足我国舰船、航空等领域对高温钛合金的应用需求，相继开展了BT8［6－7］、BT8-1和BT8M-1钛合金的仿制，研制的TC8［8－9］、TC8-1［10－12］和TC8M-1［13］钛合金，在燃气涡轮发动机和航空发动机上获得应用。
本文从材料技术角度对TC8钛合金研制和应用的历史进程进行回顾，重点介绍其研制进展，对该合金研制过程中突破的关键技术进行梳理，并与BT8钛合金在不同温度下的拉伸、持久、蠕变、热稳定等力学性能及其物理性能（包括热膨胀系数、比热、热导率和热扩散率）进行对比评价，为合金的进一步开发和选用提供参考。
1
研制进展
1.120世纪60年代初—1982年—实验室仿制阶段我国于20世纪60年代初期对BT8钛合金进行了实验室仿制，并列入冶金部颁部标准（YB），被命名为TC8钛合金［3］，合金成分与俄罗斯1958年的钛合金成分相同。
由于没有需求牵引，TC8钛合金仿制后一直没有规模化生产和应用，因此，1982年的国标中没有列入该合金牌号。
该时期TC8钛合金的发展因缺少基础研究、工业规模生产与应用等多个环节而处于停滞状态。
1.22003年—2009年—工业规模研制及舰船领域应用阶段
“十五”期间，海军某舰艇用燃气涡轮发动机高压压气机动叶片需求500℃环境工作时间50000h的耐热钛合金。
动叶片不仅在高温负荷下长期承受循环应力作用，而且经常开动与停车，要求材料热稳定性、高温持久性能、抗疲劳性能俱佳。
鉴于TC8钛合金的综合性能能够满足燃气涡轮发动机的设计要求，确保其长寿命使用，2003年为了适应我国舰船工业发展，满足制作长寿命某燃气涡轮发动机高压压气机八、九级动叶片的需求，受中国船舶重工集团委托，中国科学院金属研究所和宝鸡有色金属加工厂（现宝钛集团）共同承担了耐热钛合金材料研究任务，制定了相关的技术条件，再次启动了TC8钛合金的研制工作。
通过研究，首先确定了合金成分范围。
按照俄罗斯OCT190013—81标准中化学成分的要求，在实验室熔炼了12种不同成分的10kg合金铸锭，锻造成直径Φ15mm的棒材，研究了合金成分上下限对其性能的影响。
经过检测和分析，结果表明，当Al、Mo含量处于标准要求中限或中限偏上时，该合金综合性能较好。
在实验室成分研究基础上，利用真空自耗电弧炉（VAＲ）熔炼了2吨级Φ622mm工业规模的TC8钛合金铸锭，对合金熔炼工艺进行了研究。
通过对原料进行严格的复验、挑选，并对熔炼过程进行严格控制，熔炼出成分均匀、冶金质量良好、满足后续加工要求的TC8钛合金铸锭。
利用该铸锭，基于钛合金加工经验，结合TC8钛合金的工艺塑性图，确定了该合金中间坯料的热加工工艺制度，并对Φ32和Φ25mm精锻棒材，以及Φ20mm轧制棒材的锻造和轧制工艺（加热温度、时间和变形量等）进行了研究［6－8］，获得了综合力学性能较佳的合金棒材，突破了小规格TC8钛合金棒材热加工技术。
通过研究不同热处理温度对棒材室温拉伸性能的影响［14］，得到TC8钛合金适宜的热处理制度为:
920～950℃/1～4h，AC+570～600℃/1h，AC。
对研制的TC8钛合金小规格棒材的化学成分、高低倍组织、硬度、冲击韧性、室温和高温拉伸性能、高温持久性能、热稳定性［10］、高周疲劳性能等进行分析、测试，结果表明，研制的棒材满足技术条件和使用要求。
先后交付了3个批次近2t的棒材，加工、制作成涡轮发动机叶片，并进行了装机考核。
考核结果表明，研制的TC8钛合金可保证燃气涡轮发动机50000h的整体寿命，满足500℃下3500h工作的性能稳定性、高温持久能力和长时间疲劳性能要求。
TC8钛合金小规格棒材工业规模试制成功，突破了TC8钛合金吨级铸锭熔炼技术、小规格棒材锻造、轧制技术及热处理技术，实现了替代进口和叶片用棒材的国产化，满足了燃气涡轮发动机的研制需求，为该合金后续的批量化生产和应用奠定了基础。
该合金也率先在舰船燃气涡轮发动机上得到了应用。
在2007年修订的国家标准GB/T3620.1—2007［15］中，该合金再次被新增入钛合金牌号中。
1.32009年—至今—工业化批量生产及航空领域应用阶段
2009年针对中国航发成都发动机有限公司某型飞机发动机高温钛合金材料需求，宝钛集团有限公司承担了航空发动机用TC8钛合金棒材研制，与使用单位共同制定了该合金棒材的技术条件。
针对航空发动机叶片用棒材需求，开展了TC8钛合金3吨级Φ720mm大型铸锭熔炼工艺研究。
与前期研究相比，铸锭锭型从Φ622mm增大至Φ720mm。
铸锭锭型增大，合金元素偏析程度增加，成分均匀性控制难度随之增大。
通过对合金元素的挥发规律进行深入研究，调控熔炼工艺参数，熔炼出成分均匀、冶金质量优良的大型铸锭。
航空发动机除直径小于Φ36mm叶片用棒材外，还有直径Φ50～Φ100mm螺母、安装座、托架用棒材。
在前期小规格棒材研制基础上，通过对加热温度、加热时间和变形量等加工工艺参数进行优化，突破了TC8钛合金大规格棒材锻造技术，研制出组织、性能满足技术条件和使用要求的棒材，使其在某型航空发动机上获得了初步应用。
2012年9月，针对某航空发动机对高温钛合金材料的迫切需求，由贵发所召开钛合金材料研制协调会，在国外样机解剖和TC8钛合金研制基础上，由材料研究、生产和应用单位组成联合课题组，开展了TC8系列钛合金（包括TC8、TC8-1和TC8M-1钛合金）研制［10－13］。
金属所承担样机解剖任务，宝钛集团承担新材料研制任务，与使用单位（中航工业黎明航空发动机有限公司和贵州安大航空锻造有限责任公司分别承担发动机叶片和压气机盘制作任务）共同制定了材料的专用技术标准，确定了棒材的规格。
根据高压压气机转子叶片用钛合金材料需求，开展了TC8钛合金铸锭熔炼工艺和棒材加工工艺优化研究。
通过深入研究，突破了TC8钛合金棒材工业化批产技术。
自2012年至2018年，先后熔炼TC8钛合金Φ720mm铸锭近20个，投料量60余吨。
经统计分析表明，TC8钛合金同一铸锭纵向主元素成分极差为:
Al0.1%、Mo0.1%、Si0.02%、O0.01%，而不同铸锭同一元素的成分极差为:
Al0.2%、Mo0.3%、Si0.05%、O0.04%，说明TC8钛合金铸锭的质量一致性和批次稳定性较好。
图1为TC8钛合金铸锭横截面13点成分取样分析结果。
由图1可知，铸锭横截面上主元素的成分极差为:
Al0.1%、Mo0.1%、Si0.01%。
与标准GB/T3162.0—2007［16］中Al、Mo和Si元素的允许偏差±
0.4%、±
0.3%和±
0.05%对比可知，合金的化学成分均匀性较好。
通过选择熔点和密度与钛相近的中间合金以及采用适当的熔炼工艺参数，可保证合金铸锭的冶金质量。
利用熔炼的铸锭，研制出叶片用小规格棒材和螺母、凸台等用大规格棒材，同时对TC8钛合金的热处理工艺进行了优化，结果表明经920℃/2h，AC+580℃/1h，AC处理后，可使棒材获得强度与塑性的最佳匹配［17］。
中航工业黎明公司利用宝钛集团研制的TC8钛合金Φ24mm棒材，加工成高压压气机4～7级转子叶片。
经分析测试表明，叶片性能完全符合技术条件要求。
TC8钛合金的研制经历了实验室仿制—停滞—工业规模研制—工业化批量生产阶段。
进入21世纪，在航空领域尤其是在航空发动机需求牵引下，该合金的工程化应用得到快速发展。
经过10余年的研制和生产表明，TC8钛合金铸锭化学成分均匀，棒材的质量一致性和批次稳定性较好。
中航工业贵发所的装机考核和应用验证表明，TC8钛合金完全能够满足新型航空发动机用高温钛合金材料要求。
图1TC8钛合金铸锭横截面上主元素成分的极差
2
性能评价
2.1
2.1.1拉伸性能
TC8钛合金和BT8钛合金不同温度下的典型力学性能如表1所示，其中，Ｒm为抗拉强度，Ｒp0.2为延伸强度，A为伸长率，Z为断后收缩率。
将不同温度下TC8和BT8钛合金的抗拉强度和塑性性能进行对比，分别如图2和图3所示。
由图2可知:
当温度低于400℃时，TC8钛合金的抗拉强度与BT8钛合金的基本相当;
当温度大于400℃时，其抗拉强度高于BT8钛合金。
由图3可知，TC8钛合金在不同温度下的塑性性能均优于BT8钛合金。
2.1.2持久强度和蠕变性能
表2为TC8钛合金和BT8钛合金的持久强度和蠕变性能。
由表2可知，TC8钛合金的持久强度和蠕变性能与BT8钛合金基本相当［3］，其中，σ100和σ500分别代表100和500h的持久强度，σ0.2/100和σ0.2/500分别代表100和500h的蠕变性能。
2.1.3
热稳定性能
表3为TC8和BT8钛合金的热稳定性能。
由表3可知，热暴露后TC8钛合金的强度与BT8钛合金相当，而其塑性性能则优于BT8钛合金。
此外，TC8钛合金热暴露500h后测得的拉伸性能与热暴露100h的较为接近，表明该合金是一种耐高温、长寿命的钛合金，可在高温服役条件下长期使用。
表1TC8和BT8钛合金在不同温度下的典型力学性能
图2TC8和BT8钛合金不同温度下的抗拉强度对比
图3TC8和BT8钛合金不同温度下的塑性性能对比
表2TC8和BT8钛合金的持久强度和蠕变性能
2.1.4疲劳性能
表4为TC8和BT8钛合金在不同温度下的疲劳性能（107周次）。
由表4可知，在室温和500℃高温下，TC8钛合金的疲劳性能均优于BT8钛合金，表明合金具有较好的抗疲劳裂纹扩展能力。
表3TC8和BT8钛合金的热稳定性能
表4TC8和BT8钛合金的疲劳性能
2.2
物理性能
表5为TC8和BT8钛合金的线膨胀系数［3］。
由表5可知，20～200℃以上时，TC8钛合金的线膨胀系数略高于BT8钛合金。
随着温度升高，TC8和BT8钛合金的线膨胀系数均呈增大趋势。
表5TC8和BT8钛合金的线膨胀系数α（×
10－6/℃）
表6为TC8和BT8钛合金的比热、热导率和热扩散率。
由表6中数据可知，BT8钛合金的比热、热导率和热扩散率略高于TC8钛合金。
与线膨胀系数类似，随温度升高，合金的比热、热导率和热扩散率均呈增大趋势。
2.3工艺性能
2.3.1锻造性能对TC8钛合金的等温压缩研究表明［18］，以10s－1的应变速率等温压缩时，在相变点以上1030℃变形时的流变应力为105MPa，在相变点以下980℃变形时的流变应力为114MPa，而在900℃变形时的流变应力不足300MPa，如图4所示。
由此可见:
TC8钛合金塑性好（室温伸长率大于等于16%），变形抗力小，锻造性能好。
表6TC8和BT8钛合金的比热、热导率和热扩散率
图4TC8钛合金在10s－1应变速率等温压缩时的应力－应变曲线
通过研究TC8钛合金锻造工艺适应性以及加热温度、变形程度对低倍组织、显微组织及力学性能的影响，并利用Φ24mmTC8钛合金棒材制备转子叶片［19］。
研究表明，TC8钛合金具有良好的锻造性能，采用较低的锻造加热温度就能够获得初生α相含量更高的等轴组织，变形程度在40%以下获得的组织均匀性较好。
采用挤压制坯+终锻的成形工艺，加工出表面质量良好、几何尺寸符合设计要求的TC8钛合金转子叶片锻件，如图5所示。
选用Tβ（β转变温度）+30～100℃和Tβ－30～100℃的轧制温度、不同变形量对Φ30mmTC8钛合金棒材进行轧制工艺研究［7］。
研究表明，在合金成分不变的情况下，通过控制轧制工艺参数可得到相应的内部组织，并获得良好的机械性能。
TC8钛合金不仅可以通过锻造加工得到Φ50～Φ100mm的锻造棒材（用于制作凸台、安装座、托架等），而且可以通过轧制加工得到Φ12～Φ24mm的轧制棒材（用于制作紧固件、转子叶片等），表明该合金具有较好的变形加工性能和综合性能。
图5TC8钛合金叶片锻件
2.3.2
热处理性能
在合金成分一定的情况下，通过适当的热处理工艺使合金得到相应的组织，是合金获得良好性能的有效途径之一。
TC8钛合金属于马氏体α+β两相钛合金，其显微组织主要是由热加工和热处理工艺决定的。
通过测试TC8钛合金在不同轧制温度和热处理工艺下（940℃固溶处理2h，采取3种不同的冷却方式，即空冷、水冷和炉冷+600℃时效处理1h，空冷）的拉伸性能［8］，研究合金在不同热处理工艺下的显微组织。
结果表明，合金的拉伸性能主要与轧制的变形量和热处理的冷却速度有关，空冷处理可使合金获得强度与塑性的较佳匹配。
与水冷和炉冷处理相比，空冷处理既简便又经济。
因此，TC8钛合金可以采用常规的热处理方式，具有较好的工艺性能。
2.3.3
切削加工性能
经测试，TC8钛合金的硬度值约为338HBS，与工业上应用量最大的TC4钛合金的硬度（340HBS）相当。
TC8钛合金中主要含Al、Mo和Si这3种合金化元素，成分简单，其［Al］eq=7.5，［Mo］eq=3.3，属于中强高塑钛合金，其切削加工性好。
采用一般的切削加工方法［20－21］，选择硬质合金刀具（一般采用YG8）、合适的切削参数和切削液等切削条件，即可对合金进行车削、铣削、钻削、磨削等切削加工。
3
结语
TC8钛合金的研制经历了实验室仿制—停滞—工业规模研制—工业化批量生产阶段。
该合金的研制，不仅突破了耐高温、长寿命材料加工关键技术，完善了我国的高温钛合金体系，实现了材料的国产化，填补了国内空白，而且满足了舰船、航空、航天等领域对高温钛合金的迫切需求，提高了军用关键新材料的保障水平。
与BT8钛合金研究和应用的成熟性相比，近年来我国TC8钛合金的研制和工程应用取得了长足的进步，合金的性能水平达到或优于BT8钛合金，可用于制造450～500℃下长时间工作的高压压气机转子叶片等结构件。
今后将继续开展TC8钛合金长时（2000、10000h）持久、蠕变（2000h）和断裂性能等力学性能的测试与评价，开展该合金铸造性能、焊接性能等的研究，进一步补充、完善合金的全面力学性能和工艺性能数据，为该合金的选用提供参考和依据。
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