許愛(ài)軍  萬(wàn)海峰  梁春祖  牛雨曈  陶強(qiáng)  湯澤軍  北京衛(wèi)星制造廠有限公司  南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院

　　隨著對(duì)深空領(lǐng)域的進(jìn)一步探索，氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)以其大推力、高穩(wěn)定性、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)受到了越來(lái)越多的重視。低溫鈦合金作為氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)低溫結(jié)構(gòu)的重要材料，直接響著氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能。以 TA7ELI， TC4ELI，CT20 為重點(diǎn)對(duì)象，詳細(xì)介紹了低溫鈦合金的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀，對(duì)目前各國(guó)廣泛應(yīng)用的低溫鈦合金性能進(jìn)行了綜合對(duì)比，同時(shí)介紹了低溫鈦合金在不同溫度下的變形機(jī)理及失效形式。此外，對(duì)低溫鈦合金的主要成形工藝進(jìn)行了詳細(xì)論述。最后，基于以上介紹，提出低溫鈦合金未來(lái)應(yīng)該朝著更高性能、更低成本以及開(kāi)發(fā)新型成形工藝3個(gè)方向發(fā)展。

　　關(guān)鍵詞：低溫鈦合金；成形工藝；低溫性能；變形機(jī)理

　　隨著航天事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展及對(duì)深空領(lǐng)域的不斷探索，航天器結(jié)構(gòu)件對(duì)低溫材料的性能要求進(jìn)一步提高。一方面，航天器結(jié)構(gòu)材料在低溫下必須具備足夠的強(qiáng)度和韌性以及優(yōu)良的熱學(xué)性能；另一方面，考慮到航天器結(jié)構(gòu)件形狀的復(fù)雜性，材料必須具有良好的可加工性能。與傳統(tǒng)低溫材料相比，鈦合金低溫下具有更高的屈服強(qiáng)度，為不銹鋼 3 倍以上，同時(shí)其密度只有不銹鋼的 1/4~1/2。此外，鈦合金還具有熱傳導(dǎo)率低、膨脹系數(shù)小、無(wú)磁性等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此非常適合作為新型低溫材料應(yīng)用于航天領(lǐng)域。

　　目前，低溫鈦合金已經(jīng)初步應(yīng)用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，主要作為氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)氫罐、氫泵葉輪等結(jié)構(gòu)材料，大幅度提高了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比、工作壽命及可靠性。低溫鈦合金應(yīng)用的最大問(wèn)題在于低溫環(huán)境下鈦合金伸長(zhǎng)率及斷裂韌性大幅度下降，表現(xiàn)出明顯的低溫脆性，因此，如何降低鈦合金的低溫脆性，提高鈦合金低溫條件下的韌塑性成為低溫鈦合金研究的重中之重。國(guó)內(nèi)外學(xué)者為解決這一問(wèn)題進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)通過(guò)降低 C，H，O 等間隙元素含量、降低鋁元素含量?jī)煞N方法可有效提高鈦合金的低溫性能。通過(guò)這兩種方法，國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)了一系列性能優(yōu)異的新型低溫鈦合金。

　　1、國(guó)內(nèi)外低溫鈦合金發(fā)展現(xiàn)狀

　　前蘇聯(lián)曾致力于低溫鈦合金的研發(fā)及應(yīng)用。通過(guò)降低鋁元素的含量，前蘇聯(lián)開(kāi)發(fā)了一系列低鋁低溫鈦合金，其中應(yīng)用比較廣泛的有 OT4 及 BT5-1。OT4 合金曾被用于航天器軌道對(duì)接件、液體火箭管道及燃燒室結(jié)構(gòu)件中；BT5-1 合金曾用于液氫容器的制造。為了進(jìn)一步提高液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖推動(dòng)比，俄羅斯某研究所進(jìn)行了適用于?253 ℃極低溫環(huán)境的高強(qiáng)度高塑性低溫鈦合金的研發(fā)。前蘇聯(lián)及俄羅斯開(kāi)發(fā)的鈦合金種類及性能如圖 1 所示。

圖 1 前蘇聯(lián)及俄羅斯開(kāi)發(fā)的鈦合金及性能

　　美國(guó)對(duì)于低溫鈦合金的研究重要集中于 α 型鈦合金 TA7 ELI（Extra low interstitial，超低間隙）、以 及 α+β 型鈦合金 TC4 ELI。通過(guò)降低間隙元素含量， 兩種鈦合金極低溫下強(qiáng)度及韌性獲得了顯著提升。TA7 ELI 作為一種近 α 型鈦合金，在 20 K 低溫條件下仍具有良好的韌性、較低的熱導(dǎo)率以及缺口敏感性，目前已經(jīng)成功用于低溫容器、低溫管道以及液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪等結(jié)構(gòu)。阿波羅計(jì)劃中，TC4 ELI作為液氫容器、液氫導(dǎo)管的主要材料被大量應(yīng)用并取得了較好的效果。除此之外，美國(guó)學(xué)者還對(duì)低溫鈦合 金斷裂機(jī)理、氫脆等一系列問(wèn)題展開(kāi)了基礎(chǔ)性研究， 獲得了 TA7 ELI，TC4 ELI 等多種低溫鈦合金的力學(xué)性能及斷裂機(jī)理數(shù)據(jù)，為低溫鈦合金的進(jìn)一步發(fā)展及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。美國(guó)研發(fā)的低溫鈦合金性能如圖 2 所示。

圖 2 美國(guó)研發(fā)的低溫鈦合金及性能

　　在低溫鈦合金研發(fā)領(lǐng)域，相比于美俄等發(fā)達(dá)國(guó)家，中國(guó)起步晚、技術(shù)相對(duì)落后。近年來(lái)，隨著航天事業(yè)的發(fā)展，我國(guó)開(kāi)始進(jìn)行低溫鈦合金的研究。“九五”期間，我國(guó)先后開(kāi)展了 Ti-2Al-2.5Zr，Ti-3Al-2.5Zr， CT20 等多種低溫鈦合金的研發(fā)工作，我國(guó)研發(fā)的低溫鈦合金性能如圖 3 所示。CT20 合金是我國(guó)第一種擁有全部自主產(chǎn)權(quán)的低溫鈦合金，可在 20 K 極低溫條件下使用。該合金在低溫下具有良好的力學(xué)性能，20 K 低溫下強(qiáng)度大于 1100 MPa，伸長(zhǎng)率大于 10%，同時(shí)該合金還具有優(yōu)良的成形性能，可加工成棒材、板材、管材及絲材。目前為止，CT20 合金已成功應(yīng)用于某航天器低溫管路。與此同時(shí)，張忠、杜宇、范承亮等學(xué)者探究了間隙元素對(duì) CT20 合金低溫力學(xué)性能的影響，為 CT20 鈦合金性能的進(jìn)一 步提高提供了參考。

圖 3 國(guó)內(nèi)研發(fā)的低溫鈦合金種類及性能

　　2、主要低溫鈦合金的變形機(jī)理研究

　　2.1 TA7 ELI 低溫鈦合金的變形機(jī)理研究

　　TA7 ELI 是在 TA7 鈦合金的基礎(chǔ)上，通過(guò)減少 C， H，O 等間隙元素含量，改善了普通 TA7 合金極低溫條件下韌性及強(qiáng)度不足的缺點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)低溫材料不銹鋼及鋁合金而言，TA7 ELI 具有熱導(dǎo)率低、比強(qiáng)度高（在超低溫下約為鋁合金和不銹鋼的 2 倍）等優(yōu)點(diǎn)，除此之外，TA7 ELI 還具有優(yōu)良的焊接性能。基于上述優(yōu)點(diǎn)，TA7 ELI 鈦合金廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，作為航天器或?qū)椀蜏馗邏喝萜骷皻溲醢l(fā)動(dòng)機(jī)葉輪等結(jié)構(gòu)材料。目前，TA7 ELI 的力學(xué)行為研究主要集中在變形機(jī)理方面。在低溫環(huán)境下 TA7 孿晶變 形更易發(fā)生，因此，低溫下 TA7 ELI 的塑性變形是由滑移與孿晶共同作用的結(jié)果。Sun 等研究了 293 K 及 77 K 溫度下 Ti-5AI-2.5Sn ELI 應(yīng)力應(yīng)變行為，發(fā)現(xiàn)在 293 K 溫度條件下，Ti-5AI-2.5Sn ELI 應(yīng)力應(yīng)變曲線為連續(xù)光滑曲線，而在 77 K 溫度條件下 為鋸齒狀波動(dòng)，如圖 4a 所示，同時(shí)在 77 K 下微觀結(jié)構(gòu)中還觀察到大量孿晶。Skoczen 和 Aldo Ghis 等認(rèn)為鋸齒狀波動(dòng)與滑移剪切應(yīng)力有關(guān)。一方面，隨著溫度的降低，HCP 晶格臨界剪切應(yīng)力升高很快，阻礙了晶界滑移，增加了變形所需的應(yīng)力。另一方面，在變形過(guò)程中孿晶與滑移的發(fā)生將產(chǎn)生形變熱，由于鈦合金比熱容很低，局部溫升明顯，降低了滑移剪切應(yīng) 力。熱軟化效應(yīng)與加工硬化效應(yīng)交替作用形成鋸齒狀波動(dòng)曲線。Moskalenko 和 Conrad 等認(rèn)為，應(yīng)力的上升是由于滑移受阻引起應(yīng)力集中導(dǎo)致，應(yīng)力的下 降是由于變形過(guò)程中產(chǎn)生的絕熱增溫引起位錯(cuò)坍塌導(dǎo)致，而位錯(cuò)坍塌形核過(guò)程中必然伴隨孿晶，所以鋸齒波是滑移與孿晶共同作用導(dǎo)致的。張忠等研究了 20 K 極低溫條件下 TA7 ELI 的單向拉伸力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)其拉伸塑性應(yīng)變區(qū)有明顯的鋸齒狀波動(dòng)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)試樣在不同位置出現(xiàn)多處頸縮。對(duì)于這種現(xiàn)象，張忠等認(rèn)為極低溫條件下，頸縮區(qū)的應(yīng)力集中可能誘發(fā)金屬微結(jié)構(gòu)的變化，產(chǎn)生局部強(qiáng)化的效果。Sun 等在 77 K 條件下拉伸試樣中觀察到大量孿晶，如圖 5 所示，確定孿晶在低溫變形中起著重要作用。此外，Sun 等還確定 77 K 條件下存在{10-11}，{10-11}， {11-22}這 3 個(gè)方向的孿晶。鄭桂鈞等對(duì)不同組織形態(tài)的 TA7 ELI 進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同顯微組織在不同溫度下力學(xué)性能表現(xiàn)不同。在室溫下等軸組織的塑 性最好，而在 20 K 溫度下塑性卻最差。

圖4 Ti-5Al-2.5Sn ELI 在不同溫度下的單向拉伸曲線

圖 5 Ti-5Al-2.5Sn ELI 不同溫度下單向加載微觀組織

　　針狀組織和網(wǎng)籃組織在室溫與 20 K 低溫環(huán)境下塑性都居中，而室溫下塑性最差的片狀組織在 20 K 低溫下塑性卻最好。同時(shí)在液氮溫度（77 K）下，與室溫和液氫溫度相比，片狀組織與等軸組織性能差異縮小，說(shuō)明隨著溫度降低，Ti-5AI-2.5Sn 變形方式逐漸由滑移過(guò)渡為孿晶。Aldo Ghisi 等探究了溫度對(duì) TA7 ELI 變形機(jī)制的影響，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是在室溫環(huán)境還是低溫環(huán)境， Ti-5Al-2.5Sn 斷裂形式均為韌性斷裂，并未發(fā)生低溫下的韌脆轉(zhuǎn)變。Reytier 等對(duì)比了光滑 TA7 ELI 試 樣與缺口 TA7 ELI 試樣在液氦溫度下的斷裂機(jī)理，其 結(jié)果如圖 6 所示，與光滑試樣相比，缺口試樣斷口有大量長(zhǎng)條狀韌窩，而光滑試樣斷口以等軸狀韌窩為主。Reytier 等認(rèn)為這些韌窩的變化與孿晶變形有關(guān)。與 Reytier 等不同，Stone 等在研究 TA7 合金在液氮溫度下斷裂機(jī)理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)試樣韌窩以長(zhǎng)條狀為 主，對(duì)于這種現(xiàn)象，陳廉等認(rèn)為，TA7 鈦合金晶格滑移系與滑移方向不同，從而表現(xiàn)變形的各向異性， 導(dǎo)致韌窩沿某一特定的方向生長(zhǎng)。

圖 6 Ti-5Al-2.5Sn ELI 液氦溫度斷口形貌

　　2.2 TC4 ELI 低溫鈦合金變形機(jī)理的研究

　　TC4作為典型的α+β型鈦合金，其組織由密排六方結(jié)構(gòu)的α相及體心立方結(jié)構(gòu)的β相組成，因此TC4 合金變形機(jī)理受α相及β相的綜合影響。考慮到α相與β相結(jié)構(gòu)的不同，滑移會(huì)從α相晶粒開(kāi)始，受到β相的影響，逐漸向周圍的β轉(zhuǎn)變組織擴(kuò)展。與α型鈦合金相同，Ti-6Al-4V在低溫下孿晶也是重要的變形機(jī)制。Upadrasta等研究了20 K溫度下Ti-6Al-4V 的變形，發(fā)現(xiàn)其具有與Ti-5A1-2.5Sn相似的鋸齒狀波動(dòng)，Upadrasta等將其歸因于局部發(fā)熱軟化與加工硬化交替作用。Ambard等研究了20 K溫度下α相形態(tài)對(duì) Ti-6Al-4V變形模式的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)α相為球狀時(shí)，主要滑移系統(tǒng)是棱柱體系統(tǒng)，而當(dāng)α相為板條狀時(shí)，主要滑移系統(tǒng)為基底滑移，α相形態(tài)決定低溫變形模式。同時(shí)，Ambard等在變形過(guò)程中并未觀察到孿晶，因此認(rèn)為Ti-6Al-4V合金20 K下的主要變形機(jī)制為滑移。與Ambard等不同，Iorio等研究Ti-6Al-4V在20 K 條件下的變形時(shí)，發(fā)現(xiàn)了{(lán)10-12}，{5-61-3}

圖 7 20 K 溫度 20%下應(yīng)變量下 Ti-6Al-4V 內(nèi)部孿晶

　　2.3 CT20 低溫鈦合金變形機(jī)理的研究

　　CT20 是我國(guó)第一種具有全部知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低溫鈦合金，由西北有色金屬研究院設(shè)計(jì)，是一種新型 Ti-Al-Zr-Mo 系低溫鈦合金。相比傳統(tǒng)低溫材料，CT20  在低溫下具有比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱率低、熱膨脹系數(shù)小、 介質(zhì)相容性好、抗氫脆等一系列優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)成功應(yīng)用于航天低溫管路。杜宇等探究了 20 K 溫度下 CT20 的應(yīng)變行為，發(fā)現(xiàn)孿晶是其低溫下變形的主要機(jī)制。范承亮等探究了合金元素對(duì) CT20 低溫力學(xué) 性能的影響規(guī)律，在 20 K 條件下低氧當(dāng)量及低間隙元素的試樣中觀察到{10-11}，{10-11}，{11-12}這 3 個(gè)方向的孿晶，同時(shí)發(fā)現(xiàn)顯微組織顯著影響低溫變形機(jī)理，滑移在等軸組織變形過(guò)程中起主要作用，而雙態(tài)組織變形過(guò)程中除了滑移，還伴隨著少量的孿晶變形。在片狀組織中，孿晶變形逐漸增多，開(kāi)始占據(jù)主導(dǎo)作用，這與張智等觀察到的結(jié)果相一致。張智等還探究了 20 K 條件下不同顯微組織 CT20 的斷裂失效形式，如圖 8 所示，可以看到，在斷裂過(guò)程中，4 種組織都發(fā)生了頸縮現(xiàn)象，同時(shí) 4 種組織斷口均可觀察到明顯韌窩，說(shuō)明斷裂形式均為韌性斷裂。同時(shí)， 不同的組織斷口韌窩形態(tài)不同，片狀組織韌窩尺寸相比等軸組織明顯較大，說(shuō)明片狀組織試樣斷裂過(guò)程中韌窩生長(zhǎng)充分，進(jìn)一步證明片狀組織更適合低溫環(huán)境下變形。

圖8 不同組織的 CT20 鈦合金在 20 K 的拉伸斷口形貌

　　3 、低溫鈦合金成型工藝研究現(xiàn)狀

　　3.1 鍛造工藝

　　鍛造作為傳統(tǒng)鈦合金成形方法，其工藝簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，能夠通過(guò)變形控制材料組織與性能。周立鵬等探究了不同鍛造工藝（如表1所示）對(duì)TA7 ELI 室溫性能及超低溫性能的影響，發(fā)現(xiàn)室溫下塑性最好的工藝低溫下表現(xiàn)較差，而室溫下表現(xiàn)最差的工藝低溫下卻表現(xiàn)最好，說(shuō)明不同工藝鍛造的TA7 ELI鈦合金鍛件室溫力學(xué)性能和超低溫力學(xué)性能各具優(yōu)缺點(diǎn)， 如圖9所示，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)該根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)及服役環(huán)境選擇合適的鍛造工藝。王云等研究了 不同鍛造組織的TA7 ELI鈦合金力學(xué)性能，結(jié)果表明， 使用始鍛溫度在950~980 ℃的試驗(yàn)工藝可得到等軸組織的材料，力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但材料的不同位置組織存在差異。始鍛溫度在1030~1040 ℃的試驗(yàn)工藝沒(méi)有能夠得到理想的網(wǎng)籃組織的材料，且伸長(zhǎng)率不合格。對(duì)此王云等認(rèn)為，組織的不均勻性是由于鍛造過(guò)程中的變形不均勻造成的，TA7 ELI顯微組織形態(tài)其與鍛造過(guò)程中的溫度、變形量有很大關(guān)系。孫洪蘭等探究了模具與毛坯溫差對(duì)TA7鍛造工藝的影響，發(fā)現(xiàn)隨著毛坯溫度與模具預(yù)熱溫度溫差的降低，TA7塑性顯著提高。郭凱等探究了鍛造變形量 對(duì)TA7棒材組織及性能的影響。結(jié)果表明，大變形量不適宜TA7鈦合金鍛造，原因在于大變形量導(dǎo)致TA7 棒材宏觀組織出現(xiàn)微觀孔洞（如圖10所示），降低了 TA7的力學(xué)性能。

表 1 TA7 ELI 鍛造工序

圖 9 不同鍛造工藝下 TA7 ELI 性能對(duì)比

圖 10 TA7 不同變形量下鍛造微觀組織

　　3.2 鑄造工藝

　　對(duì)于液氫渦輪泵等復(fù)雜低溫結(jié)構(gòu)件，鍛造工藝并不能滿足成形要求。相比于鍛造，鑄造成形可以獲得更加復(fù)雜的形狀，同時(shí)能夠有效降低成本。劉時(shí)兵等對(duì)TA7 ELI鈦合金的鑄造組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，TA7 ELI鑄態(tài)組織由α相組成，并呈片狀分布，經(jīng)熱等靜壓處理后顯微組織未有明顯變化， 缺陷彌合部位有再結(jié)晶現(xiàn)象，如圖11所示，熱等靜壓處理在提高塑性的同時(shí)，并未影響材料的強(qiáng)度及彈性模量。劉時(shí)兵等認(rèn)為，熱等靜壓工藝處理之后，能有效消除鑄造工藝過(guò)程中產(chǎn)生的微孔洞、微裂紋等缺 陷，從而減少變形過(guò)程中的斷裂缺口，減小應(yīng)力集中；另一方面，熱等靜壓處理后材料的晶粒被充分壓合， 裂紋不易擴(kuò)展，從而提高了材料的斷裂韌性。圖12 顯示了鑄態(tài)試樣與鑄造后經(jīng)熱等靜壓工藝處理試樣室溫拉伸的顯微組織及斷口形貌。可以看出，鑄造試樣的組織為粗大的魏氏組織，內(nèi)部有大量微觀缺陷；經(jīng)熱等靜壓處理后試樣的微觀組織發(fā)生了很大變化，缺陷明顯減少，組織更為均勻。從斷口形貌可以看出， 相比鑄態(tài)組織，熱等靜壓處理后的試樣韌窩較多，韌窩尺寸大而深，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在大韌窩中包含著大量小韌窩，說(shuō)明經(jīng)熱等靜壓處理后的試樣，斷裂過(guò)程中韌窩充分生長(zhǎng)，材料塑性的到極大改善。史昆等研究了真空退火對(duì)鑄造 TA7 ELI 合金組織和性能的影響。結(jié)果表明，真空脫氫退火后，焊接試樣的顯微組織略顯等軸化，熔合線處的顯微組織趨于均勻，強(qiáng)度略有下降，但伸長(zhǎng)率有所增加。黃金昌等比較了 TA7 ELI 和 TC4 ELI 在鑄造和鍛造狀態(tài)下的力學(xué)性能，結(jié)果如表 2 所示。經(jīng)熱等靜壓處理的鑄態(tài) TA7 ELI 具有與鍛造產(chǎn)品相同的優(yōu)良低溫塑性和斷裂韌性。前者的強(qiáng)度和斷裂韌性比后者低 10%左右，而在 4 K 時(shí)強(qiáng)度比鍛造低 25%。

圖 11 鑄造 TA7 ELI 顯微組織

圖 12 TA7 ELI 單向拉伸斷口形貌

表 2 TA7 和 TC4 不同成形工藝的力學(xué)性能比較

　　3.3 粉末熱等靜壓成形

　　鑄造工藝成本低，生產(chǎn)效率高，但材料利用率低，產(chǎn)品性能差，需要進(jìn)一步處理才能使用。為提高產(chǎn)品質(zhì)量同時(shí)保證生產(chǎn)效率，粉末熱等靜壓成形（Hot  isostatic pressing，HIP）工藝受到越來(lái)越多的關(guān)注。粉末熱等靜壓成形是將粉末直接置于模具中給予各向同等壓力，同時(shí)施加高溫?zé)Y(jié)，以獲得模具形狀相同的零件，其裝置原理如圖 13 所示。相比于傳統(tǒng)鑄造工藝，粉末熱等靜壓成形組織均勻，致密度高，無(wú)微觀缺陷，性能可全面達(dá)到或超過(guò)鍛件的水平；同時(shí)生產(chǎn)效率高，后續(xù)加工少，能生產(chǎn)各種復(fù)雜形狀的零 件，除此之外，熱等靜壓成形材料利用率高，約為鑄造成形的 2 倍。基于以上優(yōu)點(diǎn)，熱等靜壓技術(shù)受到各國(guó)的廣泛關(guān)注。美國(guó)自 20 世紀(jì) 70 年代就開(kāi)展了粉末熱壓工藝的研究，目前已經(jīng)能利用熱等靜壓技術(shù)快速、大規(guī)模生產(chǎn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)以及各種復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件。圖 14 為美國(guó) Synertech PM 公司設(shè)計(jì)和制造的鈦合金火箭發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪過(guò)程簡(jiǎn)圖。俄羅斯化工機(jī)械研究院研究了不同牌號(hào)鈦合金粉末的發(fā)動(dòng)機(jī)冠頂葉片及離心葉輪的熱等靜壓工藝，獲得了相對(duì)較好的成形質(zhì)量及結(jié)果。此外，他們還探究了包套全自動(dòng) 計(jì)算機(jī)輔助近凈成形設(shè)計(jì)、內(nèi)孔型芯材料與合金粉末的擴(kuò)散、熱等靜壓工藝與成形性能關(guān)系等一系列問(wèn)題，為后續(xù)熱等靜壓的進(jìn)一步推廣奠定基礎(chǔ)。

圖 13 典型熱等靜壓系統(tǒng)示意圖

圖 14 Synertech PM 公司設(shè)計(jì)和制造鈦合金火箭 發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪過(guò)程

　　近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)熱等靜壓技術(shù)研究也取得了一定的進(jìn)展。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所通過(guò)提高粉末純度及優(yōu)化粉末顆粒尺寸，解決了 TA7 ELI 葉輪粉末熱等靜壓成形過(guò)程中成形件性能不一致、可靠性低的技術(shù)難題，獲得了力學(xué)性能優(yōu)異的 TA7 ELI 氫泵葉輪（見(jiàn)圖 15）。李圣剛等采用熱等靜壓成形工藝，開(kāi)展粉末冶金 TA7 ELI 鈦合金構(gòu)件凈成形技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了大尺寸、薄壁、半封閉式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)低溫轉(zhuǎn)子高性能、高可靠性的整體凈成形，他們發(fā)現(xiàn)通過(guò)等離子旋轉(zhuǎn)電極方法制備的低溫鈦合金球形粉末，具有非常高的球形度和振實(shí)密度，同時(shí)可以根據(jù)實(shí)際需求將粒徑控制在一定范圍內(nèi)；粉末熱等靜壓成形零件性能達(dá)到鍛造件性能水平，微觀組織為等軸狀組織。目前， 李圣剛等通過(guò)粉末熱等靜壓成形的低溫鈦合金氫泵葉輪已通過(guò)了某發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)的低溫全程試車考核。在探索工藝的同時(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)粉末熱等靜壓成形機(jī)理展開(kāi)了研究。徐磊等研究了粉末在熱等靜壓過(guò) 程中的致密化行為，發(fā)現(xiàn)采用熱等靜壓技術(shù)制備形狀復(fù)雜的鈦合金構(gòu)件，其晶粒細(xì)小、組織均勻、無(wú)明顯 缺陷，后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)需或僅需少量進(jìn)一步加工。李一平等研究了熱等靜壓成形過(guò)程中 TA7 ELI 合 金的室溫彌散系數(shù)和低溫力學(xué)性能，如圖 16 所示， TA7 ELI 合金的低溫伸長(zhǎng)率和低溫收縮率的彌散系數(shù)較高，李一平認(rèn)為，其主要原因在于低溫塑性對(duì)間隙 元素含量比較敏感，而室溫強(qiáng)度和低溫強(qiáng)度的彌散系數(shù)較小，同時(shí)室溫沖擊能和斷裂韌性的彌散系數(shù)較高。這是因?yàn)闆_擊能和斷裂韌性屬于準(zhǔn)動(dòng)態(tài)性質(zhì)，對(duì)成分、晶粒尺寸、微氣孔率等因素更為敏感。彈性模量的離散系數(shù)很低，只有 0.4%，這是因?yàn)閺椥阅Ａ恐饕c晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，對(duì)結(jié)構(gòu)和成分不敏感，所以非常穩(wěn)定。盡管以粉末熱等靜壓成形為代表的粉末近凈成形技術(shù)擁有傳統(tǒng)成形無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，但考慮到航空航天領(lǐng)域高可靠性的特殊需求，粉末冶金零件目前并未獲得大規(guī)模使用，然而，航空航天領(lǐng)域?qū)τ诜勰┮?金零件的潛在需求是毋庸置疑的。隨著金屬粉末制備技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展，兩年前粉末成形技術(shù)的成本降低 了 65%；同時(shí)，隨著粉末熱等靜壓技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，粉末熱等靜壓件的質(zhì)量也越來(lái)越穩(wěn)定，在未來(lái)，粉末冶金部件必將在航天領(lǐng)域占據(jù)越來(lái)越多的份額。

圖 15 中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研制的 TA7 ELI 氫泵葉輪

圖 16 TA7 粉末熱等靜壓成形件力學(xué)性能離散系數(shù)

　　3.4 真空擴(kuò)散焊接工藝

　　真空擴(kuò)散焊技術(shù)是將焊接件緊密結(jié)合，在一定的溫度和壓力下保持一段時(shí)間，使接觸面之間的原子擴(kuò)散形成連接的方法。與其他焊接工藝相比，真空擴(kuò)散焊接工藝能最大限度地保持材料的原始性能，保證焊接接頭具有高強(qiáng)度和高塑性。擴(kuò)散焊技術(shù)廣泛應(yīng)用于低溫鈦合金鍛件、鑄件和熱等靜壓零件的連接，以獲得高強(qiáng)度、高轉(zhuǎn)動(dòng)性能。王江波等通過(guò)熱壓和熱等 靜壓擴(kuò)散焊工藝的結(jié)合，通過(guò)內(nèi)置支撐模的設(shè)計(jì)和使用，控制焊接變形，提高焊接質(zhì)量的均勻性，最終可獲得焊接強(qiáng)度大于 710 MPa、焊接變形小于 1%的合格葉輪。王江波等還探討了焊接參數(shù)對(duì) TA7 ELI 擴(kuò)散焊葉輪的影響。結(jié)果表明，隨著焊接壓力的增加，材料強(qiáng)度逐漸提高，但是，當(dāng)溫度達(dá)到 1000 ℃時(shí)， 材料的強(qiáng)度和塑性達(dá)到最佳，然后材料的性能隨著溫度的升高而逐漸下降，如圖 17 所示。

圖 17 焊接溫度及焊接壓力對(duì) TA7 ELI 焊接質(zhì)量的影響

　　4、結(jié)論

　　目前，國(guó)內(nèi)外通用的低溫鈦合金主要為近 α 型 鈦合金及含有少量 β 相的兩相鈦合金。由于其不含或僅含有少量 β 相，其工藝塑性差，致使渦輪等復(fù)雜零件難以成形。由于 α 鈦合金不能通過(guò)熱處理強(qiáng)化，只能用于受力較低的部件，例如液氫管道、氫泵等，對(duì)于葉輪等高速轉(zhuǎn)動(dòng)部件不能很好滿足要求。同時(shí)隨著深空領(lǐng)域探索的進(jìn)一步開(kāi)展，未來(lái)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)推力將進(jìn)一步提高，這就要求其低溫部件具有更高的強(qiáng)度，因此對(duì)于更高性能的低溫鈦合金開(kāi)發(fā)迫在眉睫。相比 α 鈦合金，β 鈦合金強(qiáng)度更高，且成形性能好，更適合復(fù)雜形狀零件，因此，低溫鈦合金發(fā)展趨勢(shì)如下。

　　1）開(kāi)發(fā)具有更高低溫強(qiáng)度和塑性的鈦合金，以滿足更大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)要求。同時(shí)，提高 β 相鈦合金低溫變形機(jī)理的研究，弄清楚 β 相鈦合金韌脆轉(zhuǎn)變的臨界條件。

　　2）開(kāi)發(fā)低成本民用低溫鈦合金。由于低溫鈦合金對(duì)間隙元素要求苛刻，導(dǎo)致成本高昂，目前民用較少，因此未來(lái)有必要進(jìn)行低成本低溫鈦合金的研發(fā)。

　　3）開(kāi)發(fā)新的成形技術(shù)及加工方法以滿足航空航天零件要求。粉末冶金技術(shù)作為一種凈近成形技術(shù)， 相比傳統(tǒng)鑄造、鍛造及熱成形具有顯著優(yōu)勢(shì)，除了此之外，其他粉末冶金技術(shù)，例如 SPS 燒結(jié)，粉末注射成形等都應(yīng)收到重視和發(fā)展。