航空發(fā)動機被稱為飛機的心臟，是影響飛機使用性能、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的決定因素。先進(jìn)航空發(fā)動機朝著高渦輪前溫度、高推重比、高增壓比方向發(fā)展，其中高推重比需要通過提高部件的工作應(yīng)力、減輕部件的重量來實現(xiàn)，減重是提高發(fā)動機推重比的最有效手段，因此先進(jìn)航空發(fā)動機對兼具輕質(zhì)、耐熱、耐蝕特性的材料提出了愈加迫切的需求。
鈦合金材料具有密度低（約4.5g/cm3）、強度高（室溫抗拉強度600~1300MPa）、工作溫度范圍寬（最高長時使用溫度能達(dá)到600℃，低溫下沒有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變問題）、耐腐蝕好等近乎完美的綜合性能優(yōu)勢，極其適應(yīng)航空發(fā)動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計及使用要求，因此被廣泛用于航空發(fā)動機各類結(jié)構(gòu)。所用的鈦合金零件主要包含兩類：一類為風(fēng)扇和壓氣機系統(tǒng)的葉片、盤、葉盤、盤軸、軸頸、隔環(huán)、機匣等，多數(shù)為關(guān)鍵件或重要件，一般采用鍛件加工而成；一類為進(jìn)氣、壓氣機、渦輪支承、傳動裝置、燃滑油等系統(tǒng)的彎管、支架、支板、肋條、襯套、安裝邊、軸承座、各類接頭等，多數(shù)為一般件，其中部分采用小鍛件加工而成，部分采用棒材、板材、管材直接加工而成。從國內(nèi)外航空發(fā)動機鈦合金的應(yīng)用經(jīng)驗可知，鈦合金使用溫度的提高，可以替代高壓壓氣機更多級數(shù)的鎳基高溫合金轉(zhuǎn)子，減重效果顯著。除了直接的減重外，壓氣機轉(zhuǎn)子重量的降低還可以減小對軸和軸承的負(fù)荷，可實現(xiàn)二次減重，或者提高軸和軸承的使用可靠性，發(fā)動機性能有明顯提高，甚至達(dá)到“換代”的標(biāo)準(zhǔn)。
受限于蠕變和氧化因素，與鎳基高溫合金相比，鈦合金的耐熱能力有限，傳統(tǒng)鈦合金材料在航空發(fā)動機上的長時使用溫度認(rèn)為應(yīng)不超過600℃。作為廣義鈦合金材料的Ti-Al系金屬間化合物和SiCf/Ti復(fù)合材料在600~800℃具有優(yōu)異的熱強性、低密度、高剛性等性能，可以作為推重比10以上的軍用發(fā)動機和先進(jìn)民用發(fā)動機應(yīng)用的潛在材料，可用于低壓渦輪葉片、風(fēng)扇和高壓壓氣機整體葉環(huán)，但高昂的制造成本、復(fù)雜和較差的制造工藝等限制了其在發(fā)動機中的應(yīng)用。目前，在全球各發(fā)動機型號上使用的鈦合金幾乎還是固溶強化型的傳統(tǒng)鈦合金材料。
我國航空發(fā)動機用鈦合金材料體系及標(biāo)準(zhǔn)體系的現(xiàn)狀及存在問題
我國航空發(fā)動機的發(fā)展經(jīng)歷了一個曲折且漫長的過程。20世紀(jì)50年代至90年代，基于當(dāng)時的歷史條件，我國航空發(fā)動機以仿制國外型號為主，早期仿制蘇聯(lián)（俄羅斯）的型號，后期仿制英國、美國、法國的型號。隨發(fā)動機型號引進(jìn)帶來的結(jié)果之一是我國仿制了各個國家的一大批材料，同時引入了各國的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。20世紀(jì)90年代后，我國開始自行研制發(fā)動機，除少量材料為我國新研外，工程使用的多數(shù)材料仍繼承前幾代發(fā)動機的選材，部分采用國外同期新研材料。
鈦合金材料是我國航空發(fā)動機主干材料的典型，目前在役的鈦合金材料絕大部分是引進(jìn)的，如仿蘇聯(lián)（俄羅斯）的TC1、TC2、TA15、TA16、TA21、TC6、TC8、TC8-1、TC8M-1、TC11、TC25、TC25G，仿制美國的TA7、TA11、TA18、TA19、TC4、TC17、TC19，仿制英國的TA13、TA14，這些材料中的大部分構(gòu)成了我國航空發(fā)動機鈦合金主干材料體系。根據(jù)對國內(nèi)鈦合金材料在航空發(fā)動機系統(tǒng)長期工程應(yīng)用結(jié)果的反饋可知，我國航空發(fā)動機鈦合金材料體系存在的問題主要體現(xiàn)在：
⑴材料牌號多，同性能水平材料重復(fù)；
⑵批量少，性能數(shù)據(jù)不完整，性能分散性大；
⑶新研材料多（基于專利、成果等因素），老材料改進(jìn)改型少；
⑷工程化應(yīng)用研究基礎(chǔ)薄弱，技術(shù)共享不足；
⑸材料標(biāo)準(zhǔn)和鍛件標(biāo)準(zhǔn)的層級多且雜亂。
這些問題造成的結(jié)果是：
⑴單個牌號、單個品種的產(chǎn)量和用量少，研發(fā)與生產(chǎn)力量較為分散；
⑵材料質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性控制能力不足，冶金質(zhì)量問題頻發(fā)；
⑶生產(chǎn)成本高，供應(yīng)鏈復(fù)雜。這些問題在很大程度上影響了我國航空發(fā)動機水平和質(zhì)量的提升。
我國航空發(fā)動機鈦合金材料標(biāo)準(zhǔn)和鍛件標(biāo)準(zhǔn)的層級較多，主要有國家標(biāo)準(zhǔn)（簡稱“國標(biāo)”）、國家軍用標(biāo)準(zhǔn)（簡稱“國軍標(biāo)”）、航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（簡稱“航標(biāo)”）、發(fā)動機型號標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。近年來，中國航空發(fā)動機集團(tuán)有限公司著手建立航空發(fā)動機行業(yè)的集團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)，面向航空發(fā)動機產(chǎn)品的科研與生產(chǎn)，形成了一套適用于航空發(fā)動機產(chǎn)品的檢驗、驗收標(biāo)準(zhǔn)體系。以在航空發(fā)動機系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的TC4鈦合金為例，僅棒材一項，行業(yè)以上標(biāo)準(zhǔn)有國標(biāo)GB/T2965-2023《鈦及鈦合金棒材》，國軍標(biāo)GJB2218A-2018《航空用鈦及鈦合金棒材和鍛坯規(guī)范》、GJB8368-2015《航空用鈦合金大規(guī)格棒材規(guī)范》、GJB494A-2008《航空發(fā)動機壓氣機葉片用鈦合金棒材規(guī)范》。針對不同的零件如葉片、盤、軸和不同的制造工藝，每個發(fā)動機型號編制了大量專用的TC4鈦合金棒材型號標(biāo)準(zhǔn)。另外，各層級的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)常修訂，造成同一編號的標(biāo)準(zhǔn)有多個版本。
反觀美國航空發(fā)動機鈦合金材料，主要集中于Ti-6Al-4V、Ti-6242S、Ti-6246、Ti-17、Ti-834，針對不同的用途和性能要求，主要通過制造工藝和具體工藝參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化來獲得所需的力學(xué)性能和功能功效，充分體現(xiàn)了“一材多用”的理念。鈦合金材料標(biāo)準(zhǔn)層級較少，航空應(yīng)用主要是采用宇航材料規(guī)范（AMS標(biāo)準(zhǔn)）和發(fā)動機公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
鈦合金材料統(tǒng)標(biāo)統(tǒng)型的必要性分析
近年來我國航空發(fā)動機行業(yè)快速發(fā)展，鈦合金產(chǎn)品存在牌號數(shù)量多、品種多、規(guī)格繁雜、標(biāo)準(zhǔn)繁復(fù)等問題，在采購材料和鍛件過程中，出廠檢驗和入廠復(fù)驗的工作量和管理成本居高不下，理化檢測往往成為型號研制進(jìn)度的主要短板，嚴(yán)重制約著航空發(fā)動機行業(yè)的低成本可持續(xù)良性發(fā)展，因此迫切需要通過通用材料和零件的統(tǒng)標(biāo)統(tǒng)型以解決上述問題。
材料統(tǒng)標(biāo)統(tǒng)型工作涵蓋兩個方面，即統(tǒng)標(biāo)和統(tǒng)型。統(tǒng)標(biāo)是指將同一牌號同一品種的半成品材料或鍛件所用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一，根據(jù)設(shè)計性能要求，明確標(biāo)準(zhǔn)選用的原則，整合優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，合理確定最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)選項。統(tǒng)型是指將各發(fā)動機型號用性能要求和功能相近的不同材料統(tǒng)一，要求優(yōu)先選用技術(shù)成熟度高、生產(chǎn)量大、應(yīng)用面廣、成本低的材料。
通過統(tǒng)標(biāo)統(tǒng)型工作，確定選用合適的標(biāo)準(zhǔn)，減少材料牌號數(shù)量和品種，以起到提升管理能力與效率、實現(xiàn)資源共享共用、縮短研制生產(chǎn)周期、壓降生產(chǎn)和管理成本、有效控制采購和庫存、降低質(zhì)量風(fēng)險等作用。從長遠(yuǎn)角度看，統(tǒng)標(biāo)統(tǒng)型對新研型號的設(shè)計選材與應(yīng)用評價具有很好的指導(dǎo)作用，還有利于促進(jìn)科學(xué)合理構(gòu)建我國航空發(fā)動機材料體系、標(biāo)準(zhǔn)體系和航空發(fā)動機的正向設(shè)計研發(fā)與良性發(fā)展。
鈦合金材料統(tǒng)標(biāo)統(tǒng)型實踐
以我國航空發(fā)動機用鈦合金材料為研究對象，筆者全面梳理了鈦合金及其材料標(biāo)準(zhǔn)、鍛件標(biāo)準(zhǔn)的使用現(xiàn)狀以及在材料采購、驗收和使用中存在的問題，提出材料統(tǒng)標(biāo)統(tǒng)型需求，制定統(tǒng)標(biāo)統(tǒng)型方案，開展現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對比分析和材料替代可行性分析。
使用現(xiàn)狀和存在問題調(diào)研
主要收集和整理所用鈦合金材料的牌號、品種、規(guī)格、標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)單位以及具體的零件名稱、零件圖號、單件定額、單臺發(fā)動機用零件數(shù)量等信息。
對調(diào)研信息進(jìn)行整合分析：首先，確定了各項鈦合金零件的屬性，可以簡單分為鍛件和非鍛件兩類；其次，梳理具體牌號、材料品種、材料標(biāo)準(zhǔn)、材料生產(chǎn)單位，以材料牌號和品種規(guī)格為主線，對相關(guān)信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理和分析，掌握了具體生產(chǎn)和應(yīng)用、相應(yīng)材料的型號共用等情況；再次，對每個材料牌號的成分和性能特點、主要應(yīng)用對象、材料標(biāo)準(zhǔn)和具體生產(chǎn)使用存在問題逐項分析，按材料牌號和品種規(guī)格，提出統(tǒng)標(biāo)統(tǒng)型建議。
鈦合金統(tǒng)標(biāo)工作具體實施
以TA15鈦合金采購時用到的材料標(biāo)準(zhǔn)為例說明統(tǒng)標(biāo)工作的具體實施。TA15板材標(biāo)準(zhǔn)有GB/T3621-2007、GJB2505A-2008、GJB2505A-2018以及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)動機型號標(biāo)準(zhǔn)各一份，TA15棒材標(biāo)準(zhǔn)有GJB2218A-2008以及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一份，TA15管材標(biāo)準(zhǔn)有型號標(biāo)準(zhǔn)一份，已編制TA15棒材、板材和管材的航發(fā)集團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)，但未貫徹。以TA15板材標(biāo)準(zhǔn)為例，開展了TA15板材現(xiàn)行集團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)、國標(biāo)、國軍標(biāo)、型號標(biāo)準(zhǔn)與企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的對比分析，對相關(guān)技術(shù)內(nèi)容和質(zhì)量保證規(guī)定逐項對比，具體內(nèi)容：適用范圍、熔煉方法、成形方法、交貨狀態(tài)、化學(xué)成分、力學(xué)性能、彎曲性能、低倍組織、顯微組織、超聲檢測、尺寸和外形、表面污染層、外觀質(zhì)量、檢驗分類、組批規(guī)則、檢驗項目、判定與復(fù)驗規(guī)則、檢驗方法等。厘清各項標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)差異要點，提出標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)等效性意見和替代建議，對標(biāo)準(zhǔn)條款提出修訂完善建議。統(tǒng)標(biāo)的原則一般是采用航發(fā)集團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)替代目前使用的國標(biāo)、國軍標(biāo)、型號標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，一些常用的國標(biāo)和國軍標(biāo)應(yīng)采用新版代替舊版，如TA15板材標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)采用GJB2505A-2018代替GJB2505A-2008。
鈦合金統(tǒng)型工作具體實施
因某些鈦合金材料性能低下及品種、規(guī)格、用量少等原因，在能滿足相關(guān)零件服役性能要求的前提下，可以采用性能更優(yōu)、成本更低和供應(yīng)量大面廣的材料及品種規(guī)格替代，如薄板類可以用TC1替代TA1、TA7、TC2等，棒材類可以用TA15替代TA1、TA7、TC6等，管材類可以用TA18代替TA1、TA16、TA21、TC2等。
以擬被替代的TA7鈦合金為例來分析材料特點和應(yīng)用情況。TA7名義成分為Ti-5Al-2.5Sn，是一種中等強度的α型單相鈦合金，具有優(yōu)異的可焊性和較高的熱強性，最高長時使用溫度不超過500℃，但其工藝塑性較低，不能通過熱處理強化，通常以普通退火狀態(tài)使用。目前TA7鈦合金應(yīng)用于發(fā)動機風(fēng)扇系統(tǒng)的整流罩密封襯套，中介機匣系統(tǒng)的肋條、堵蓋、支板，附件傳動裝置系統(tǒng)的軸承襯套、軸承支架等零件。TA7存在的問題主要有：
⑴鍛造時變形抗力大，易萌生表面裂紋和內(nèi)部孔洞，不適于制造薄板；
⑵室溫強度較低，如GB/T3621-2022要求室溫抗拉強度為735～930MPa，實測均值為830MPa，低于大部分常用的鈦合金材料如TA15和TC11；
⑶用量少，如在某型號上僅使用了一個零件；
⑷同一標(biāo)準(zhǔn)不同版本并存并用，如GB/T3621-1994和GB/T3621-2007并用。鑒于TA7較低的強度和較差的鍛造工藝性，建議發(fā)動機上使用的TA7相關(guān)零件建議采用其他鈦合金材料如TA15替代，不推薦TA7用于新研型號。為了說明TA15棒材替代TA7棒材的可行性，首先開展了TA7典型零件即密封襯套使用工況如工作溫度、工作應(yīng)力的分析，接著對TA15棒材和TA7棒材的關(guān)鍵性能指標(biāo)、實測力學(xué)性能、物理性能、零件加工工藝性、采購成本、采供能力進(jìn)行逐項對比分析。
結(jié)果表明：TA15棒材的綜合力學(xué)性能優(yōu)于TA7棒材，TA15棒材的力學(xué)性能和物理性能可以滿足密封襯套零件的服役要求，國內(nèi)的生產(chǎn)加工能力能滿足TA15密封襯套零件的加工要求，TA15棒材的采購成本低于TA7棒材。綜上認(rèn)為，可以用TA15棒材替代TA7棒材生產(chǎn)發(fā)動機密封襯套零件。
結(jié)論與展望
通過統(tǒng)標(biāo)統(tǒng)型工作能起到的作用：
⑴提高材料性能的穩(wěn)定性，通過統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和減少材料牌號，可以增加單個牌號和品種的產(chǎn)量，提高成分、組織、性能的一致性和穩(wěn)定性控制能力，從而間接提高發(fā)動機鈦合金零件的使用可靠性；
⑵降低生產(chǎn)和采購成本，通過采購統(tǒng)一型號的鈦合金材料和規(guī)?；a(chǎn)，可以大幅降低成本、縮短供應(yīng)鏈、減少庫存，從而總體實現(xiàn)降本增效的目的；
⑶優(yōu)化設(shè)計和制造工藝，統(tǒng)標(biāo)統(tǒng)型為設(shè)計和制造提供統(tǒng)一的材料和標(biāo)準(zhǔn)，有助于減少內(nèi)耗、提高生產(chǎn)效率；
⑷增強整個產(chǎn)業(yè)鏈的競爭力，促進(jìn)上下游企業(yè)間的協(xié)同合作。航空發(fā)動機材料統(tǒng)標(biāo)統(tǒng)型工作是一項繁雜而艱巨的任務(wù)，通過加強材料的優(yōu)選和集中采購、標(biāo)準(zhǔn)體系的完善等措施，有望逐步實現(xiàn)航空發(fā)動機材料的統(tǒng)標(biāo)統(tǒng)型，推動我國鈦合金產(chǎn)業(yè)和航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)的科學(xué)有序發(fā)展。
無相關(guān)信息