继续发扬大协作精神

    随着一些更先进的航空发动机的发展，高压压气机的工作温度越来越高。TC4和TC11钛合金只能分别满足400℃和500℃以下工作的零部件的要求。后段高压压气机的工作温度已超过500℃，不得不选用耐热钢或镍基合金制造叶片、盘和鼓筒等零件。为了进一步减轻发动机重量、提高发动机的推重比，就迫切需要研制一种能耐更高温度的新型钛合金。

    沈阳的中国科学院金属研究所李东研究员等针对沈阳606所设计的昆仑发动机提出的要求，自主创新，初步研究成功了能耐550℃高温的钛合金（Ti-55），并主动建议与北京航空材料研究所曹春晓等联合开展Ti-55合金研制及应用研究。这一建议得到了中国科学院军工办、航空工业部科技局等有关领导部门的支持。根据国家计委和国防科工委下达的国家“七五”、“八五”计划，由中国科学院金属研究所、北京航空材料研究所、宝鸡有色金属加工厂、安大厂、606所、430厂组成了联合课题组。材料研制由中国科学院金属研究所牵头，宝鸡有色金属加工厂、北京航空材料研究所参加；应用研究由北京航空材料研究所牵头，606所、安大厂、430厂、中国科学院金属研究所、宝鸡有色金属加工厂参加。于是，从1986年开始，曹春晓作为“550℃高温钛合金的应用研究”课题负责人和材料研制的参加人，又开辟了新的战场，投入到新的战斗中。

    为了加强该重点项目的研究力量，北京航空材料研究所15室主任马济民研究员也作为应用研究课题的负责人之一与曹春晓一起主持该预研项目的开展，主要参加人还有高扬、孙福生、杜娟、郝孟一、王定华等。

    Ti-55合金不同于国外同类合金的最主要的特点是在Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系合金中添加了稀土元素钕（Nd），钕在细化晶粒、净化晶界、稳定组织、提高抗氧化性等方面显示了良好的作用。与国际上同类合金相比，在热稳定性与蠕变性能的匹配方面都表现了一定的优势。因此，该成果获得了发明专利。

    中国科学院金属研究所是我国钛合金领域的主要科研单位之一。Ti-55是北京航空材料研究所与中国科学院金属研究所正式合作的第一个钛合金研究项目。曹春晓非常重视这次合作，试图通过这次合作，充分发挥全国钛合金科研力量包括基础理论、合金研发、加工制备和应用研究等不同学科单位的作用，继续探寻一条在更大的范围内，互相学习、互相尊重、紧密协作、同进共赢的路子。曹春晓在TC4和TC11两个钛合金大型联合课题组的实践中，深刻体会到了只有大联合、大协作，才能使科研攻关事半功倍，他下定决心通过Ti-55合金的研制和应用，使已经取得的经验更加丰富、更加完善，更好更快地促进我国钛合金事业和航空工业的蓬勃发展。

    使用“组合拳”破解难题

    Ti-55高温钛合金研制及其应用研究的首要技术难题是解决550℃下蠕变抗力与热稳定性之间的矛盾。以当时的技术水平，同时达到蠕变抗力与热稳定性的技术指标是件非常困难的事，往往前者达标了，后者不合格，后者合格了，前者又不达标，很难兼顾。课题组首先从合金化入手解决这一难题。一方面，在合金中添加稀土元素钕，通过钕的内氧化作用，使合金基体中的氧和锡原子向稀土相转移，对Ti3X相析出起到抑制作用从而改善稳定性。形成的稀土相又能起到强化作用而改善蠕变抗力。钕还对合金在高温下形成的氧化膜起到晶粒细化的作用，从而进一步改善热稳定性。另一方面，通过合金的电子浓度对Ti3X相形成的影响规律的研究，给出了高温钛合金热稳定性的判据，即电子浓度超过某一数值后，在高温下长期工作时，将会析出过多的Ti3X相而变脆。根据试验数据，规定了合金的电子浓度为2.120~2.146。这一具有创新性的判定热稳定性的可行方法有助于合金配料成分的科学控制，以使蠕变抗力和热稳定性同时达标。

    课题组通过8年的攻关，突破了8大关键技术。

    （1）成功地将已应用于α+β钛合金（TC4、TC11）的高低温交替热变形工艺移植至近α钛合金Ti-55，保证了盘件金相组织的均匀性，有效地提高了盘件的室温拉伸强度、550℃拉伸强度、冲击韧性、550℃持久性能、低周疲劳寿命和高周疲劳强度。

    （2）创立了在国内外尚无先例的急冷式β模锻技术工艺。由于采用了β模锻和锻后急冷工艺，使Ti-55合金盘在具有良好拉伸性能的情况下，显著地提高了高温持久强度、蠕变抗力、断裂韧性和冲击韧性等力学性能，而且使盘件超声波检验的杂波显著降低，从而提高了超声波检验的可探性和使用的可靠性。

    （3）创立了三重式α+β热处理技术。β模锻盘的热处理工艺试验表明，与二重式α+β热处理相比，三重式α+β热处理技术具有更高的拉伸强度和高温持久性能，从而减少了大锻件拉伸强度的下降幅度，保证了更好的综合性能。该技术的另一创新点是把热处理与盘件的切边、校正巧妙地结合起来，提高了生产率，节省了能源，降低了成本，减少了气体污染。

    （4）采用了以双面车和轴向定位为核心的切削技术。昆仑发动机第六级盘和第五/六级鼓筒均属大尺寸薄壁零件，盘的幅板厚度为2.45毫米，尺寸公差±0.05毫米，且薄壁分布面积大（Φ463毫米），鼓筒的最薄处只有1.2+-00.1毫米，关键部位形状复杂，尺寸公差要求很严。同时，弹性变形大又是钛合金的共性，因此如何保证薄壁零件的尺寸公差是个难题。课题组采用了双面车削、轴向定位装夹、合理选用切削参数、增加检验修复基准的次数以及精车前真空退火消除应力等综合措施，有效地解决了这一技术难题。

    （5）采用大变形量β轧的轧棒技术。该技术的关键是β轧前棒坯应在α+β区有一定变形量，β轧时应在α+β区有大变形量。前者是为了获得细小的β晶粒尺寸，而后者则为最终叶片精锻件获得均匀细小的双态显微组织（可相应地获得优良的综合性能）奠定基础。

    （6）采用了叶片精锻技术（含中温挤杆技术）。Ti-55合金叶片精锻是一个难度大、影响因素多、技术含量高的综合技术。课题组对精锻工艺的每一个环节（模具设计、润滑剂选用、挤杆、镦头、预锻、终锻、校正等）都作了系统的试验研究，选择了最佳工艺参数。既保证了叶片的组织性能，又在加工余量、尺寸精度等方面达到了国外同类精锻件的工艺水平。在叶片精锻全过程中，有个挤杆工序。一开始，挤杆时总是出现裂纹。按照常理，提高挤压温度可以增加工艺塑性，塑性增加了，应当可以避免出现裂纹。但这脾气古怪的高温钛合金却偏偏不听“常理”的指挥棒。驯服不了怎么办？来个反其道而行之。于是，课题组把挤压温度降至中温（远低于β相变点）。果然，裂纹没有了，难题破解了！课题组将此具有新意的工艺称为中温挤杆技术。

聚合中文网 阅读好时光 www.juhezwn.com