目前航空航天领域迫切需要能耐更高温度的钛材，一些新型高速飞行器在高超音速飞行时表面温度短时达到650～750 ℃，但现有的成熟高温钛合金不能满足需求，最高使用温度为650 ℃左右，如我国自主研制的Ti65 合金、英国的IMI834、美国的Ti-1100 和俄罗斯的BT36 及BT41 等，进一步提高工作温度受到蠕变、持久、组织稳定性和抗氧化等性能的限制[1-3]。世界各国研究的高温钛合金主要为Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 系，北京航空材料研究院、中科院金属所和西北有色院等单位对高温钛合金进行了大量的研究[4-9]，但是这些高温钛合金的使用温度没有超过650 ℃。曾立英等[8]提出限制高温钛合金的主要障碍是高温下蠕变抗力急剧下降；王涛等[9]研究了TG6 合金的锻造性能；岳颗[10]研究了金属所开发的Ti65 合金600～650 ℃的蠕变行为与机制；王冰等[11]指出平衡热强度和热稳定性是目前高温钛合金发展的最主要问题。另外，铸造钛合金与同牌号的加工钛合金成分有一定的差异，600 ℃及其以上温度使用的高温铸造钛合金未见相关报道，对于高温钛合金的铸造和焊接性能缺乏深入研究。本文通过优化设计，开发了一种Ti-Al-Zr-Mo-Nb-Si 系新型耐高温铸造Ti700SR 钛合金，重点对合金的力学性能、组织形貌和工艺性能进行了对比研究。
1 实验材料与方法
洛阳双瑞精铸钛业公司生产的Ti700SR 铸件，合金成分(质量分数，%)为：6.0～7.5Al、3～5Zr、1.0～2.5Nb、0.5～1.5Mo、0.1～0.3Si、0.01～0.15C、≤0.15O。在此基础上设计和熔炼了合金元素成分有差异的Ti700SR合金，1#成分为Ti-7.2Al-4.3Zr-2.3Nb-1.3Mo-0.28Si-0.1C-0.057O，2#成分为Ti-6.8Al-3.5Zr-1.4Nb-0.9Mo-0.21Si-0.04C-0.068O。使用2 次真空自耗电弧炉熔炼200 kg 铸锭，浇铸成圆筒、试棒、试板和流动性试样。力学性能试样为ϕ10 mm×70 mm，蠕变试样为ϕ10 mm×130 mm。使用OLYMPUS 金相显微镜和JEM-2100 透射电子显微镜对焊接试板进行微观组织观察，使用INSTRON5587 拉伸试验机进行力学性能和弹性模量的检测，使用水浸重量对比法测试密度，用激光导热仪LFA457 进行比热容和热扩散系数测量。焊接前对试板(宽250 mm×长300 mm)进行除油、酸洗去除表面氧化，先用砂纸将待焊接焊缝处的氧化膜打磨干净露出金属光泽，清水冲洗后烘干，然后用酒精或丙酮清洗后吹干，随后进行焊接。
2 实验结果及讨论
2.1 铸造Ti700SR 合金组织和力学性能分析
钛合金中铝当量和钼当量计算[2]如下式所示：
1# 和2# 成分的Ti700SR 合金铝当量分别为8.5 和7.9，钼当量分别为1.9 和1.4。成熟高温钛合金的铝当量一般小于9，不容易出现α2 相，可以保证优良的热稳定[6]；为了实现最佳的高低温性能匹配，应保持较低的钼当量(2 以下)，减少对蠕变有害的β 稳定元素[12]。
将铸态1#和2#试样进行热等静压后，室温和高温性能及短时高温持久与蠕变性能见表1。1# 合金的室温强度更高，高温性能更好，2# 合金强度则偏低一些，高温性能有降低，但2# 合金的室温塑性更好；2# 合金在650、700 和750 ℃，应力不低于320、250 和180 MPa 条件下，持久时间均在0.9 h 以上，蠕变断裂的伸长率较小，而1# 合金高温持久与蠕变性能更好。
表1 Ti700SR 合金力学性能
Tab.1 Mechanical properties of the Ti700SR alloy
AlloyTemperatureCreep property Rm/MPaRp0.2/MPaA/%Stress/MPaTime/hStress/MPaA/%StrengthStress rupture property 1#RT990～1 042904～9486.5～13.0----600 ℃555～610447～49513～1840012.7～19.64000.4～0.7 650 ℃520～555420～46015～283403.1～8.93400.7～1.2 700 ℃435～465335～38020.5～38.02900.9～2.22503.1～5.7 750 ℃355～365277～28825～30----2#RT902～932807～82311.5～14.5----550 ℃563～585454～46114.0～16.5----600 ℃524～563415～46013.5～18.04004.0～4.74000.7～1.2 650 ℃502～528405～42912～183202.7～3.63401.5～1.8 700 ℃424～458313～35515～272500.9～1.52503.7～5.9 750 ℃330～370259～28813～291800.9～1.41804.1～14.2
Ti700SR-2# 合金的组织形貌见图1，由晶界初生α 和包含次生层片状α 的转变β 组成。其中转变β 尺寸较为粗大，内部的次生层片状α 宽度较宽，存在较为明显的取向一致性束域(图1a)；原始β 晶粒尺寸达到数百微米，室温下形成多片层的a 相组织，每个原始晶粒内包含若干集束(宽度2～30 μm)，同一集束内片层的晶体取向大致相同(图1b)。
图1 铸造+热等静压态Ti700SR-2# 合金组织形貌：(a)微观组织；(b)EBSD 形貌
Fig.1 Microstructures of the cast+HIP Ti700SR-2#alloy:(a)microstructure;(b)EBSD microstructure
2# 合金透射电镜组织内可见排列较整齐的亚晶粒细长束集，宽度一般为10 μm 以下，晶界或亚晶界上有一些弥散析出相(图2a)，结果表明析出相主要为(Ti,Zr)5Si3 硅化物相(图2b)，析出相有利于提升合金的高温抗蠕变性能。类似的Ti-Al-Sn-Zr-Nb-W-Si 系近α 型高温钛合金(TNW700)的分析显示[5]，高温钛合金中以SiZr 相为主，还有Ti3Al、TiAl3 和TiC等化合物，TiC 的析出起到钉扎作用[13]，阻碍塑性变形。
图2 2# 合金TEM 照片：(a)微观组织；(b)衍射斑点
Fig.2 TEM images of the 2#alloy:(a)microstructure;(b)diffraction pattern
表2为2#合金的物理性能，相变点为1 010 ℃，相变温度较高的钛材一般高温稳定性较好；作为铸造合金要有良好的工艺性能，测试密度、比热容、收缩系数和膨胀系数等，其结果列于表2 中，为模具设计和焊接提供工艺参考。
表2 2# 合金物理性能
Tab.2 Physical properties of 2# alloy
PropertyValue Phase transformation point1 010 ℃Density4.47 g/cm3 Poisson's ratio0.33 Elastic modulus120 GPa Room temperature specific heat capacity0.53 J/(g·K)700 ℃specific heat capacity0.68 J/(g·K)750 ℃specific heat capacity0.71 J/(g·K)25～750 ℃linear thermal expansion coefficient11.26×10-6 ℃-1
2.2 铸造Ti700SR 合金工艺性能
作为耐高温铸造钛合金，不仅要有良好的高低温性能，还要有较好的工艺性能，包括铸造性能、抗裂性能和焊接性能等[14-15]。
通过测试钛合金熔液的流动长度来表征铸造性能，根据不同壁厚铸件中裂纹情况可以更直观地分析铸造性能[16-17]，测试装置示意图和流动性结果见图3。同样条件下，ZTC4 合金流动性长度约407 mm，Ti700SR 合金1#和2#流动长度分别为233 和340 mm，2#合金的铸造充型性能更好；铸造壁厚4～8 mm、直径400～500 mm 的圆筒型铸件，1#成分裂纹转多(4 条，长度＜30 mm)，特别是薄壁区域裂纹更明显(3 条)，适宜于制备中厚壁厚的铸件；2# 成分制备的圆筒型铸件有深度不超过2 mm 的少量浅表裂纹(2 条，长度＜15 mm)，除中厚壁厚铸件外，也能铸造壁厚不超过5 mm 的薄壁铸件。对比分析，2# 成分综合性能更好，适宜于复杂结构的铸件制备。
图3 铸造流动性示意图和铸造测试：(a)铸造流动性示意图；(b)流动性和铸造充型性测试
Fig.3 Diagram of the casting fluidity and the casting test:(a)diagram of the casting fluidity;(b)casting fluidity and casting filling tests
钨极氩弧焊(tungsten inert gas welding, TIG)作为一种非熔化极电弧方法，具有焊接过程稳定、焊接适应性好、焊接质量高等特点，在钛合金焊接中得到了广泛应用[18]，是钛材最为常用的焊接和补焊方法。这里重点分析2#成分的焊接与补焊性能。
图4 是拘束焊+补焊后Ti700SR-2# 合金试板外观和截面形貌，使用锯切方式解剖焊缝。对接头坡口用机械方法加工[19]，采用双面焊，坡口角度不超过25°以减少焊接应力，焊接电流降低到150 A 以下，减少焊接热输入从而减少硅化物析出；补焊后试板表面成型良好，未见裂纹、夹杂、咬边等焊接缺陷，焊缝表面呈银白色，未发生氧化等现象，焊缝鱼鳞纹细腻、光滑，表面着色和内部X 射线探伤未发现缺陷；焊缝背面无裂纹产生，说明材料具有良好的抗裂性，在刚性拘束条件下焊接裂纹倾向不明显。
图4 2# 合金试板拘束焊及补焊后形貌：(a)拘束焊+补焊；(b)截面形貌(黑宽缝为锯切造成)
Fig.4 Morphology of the 2#alloy restraint welding and butt-welding joints:(a)restraint welding and butt-welding joints;(b)cross-sectional microstructure(cutting causing black slits)
对Ti700SR 合金试板加工斜Y 坡口对接试件，采用手工焊施焊的焊缝如图5 所示，试板双面成型良好，焊缝区域内、外部均未发现焊接裂纹、夹杂、咬边等缺陷，焊缝表面呈银白色，未发生氧化等现象，焊缝鱼鳞纹细腻、光滑，无损着色检验合格，满足NB/T 47013 标准I 级合格要求，X 射线探伤合格；焊道清晰可见，焊缝底部为较薄的大晶粒，焊缝上部有部分粗大柱状晶，焊接接头冶金结合良好，没有明显的气孔、裂纹、夹杂等缺陷。
图5 2# 合金试板对接焊缝形貌：(a)TIG 补焊外观；(b)焊缝断面形貌
Fig.5 Butt-welding joint morphology of the 2#alloy plate:(a)TIG welding;(b)cross-sectional morphology of the joint
Ti700SR-2# 合金试板对焊后，对接头进行不同温度拉伸性能测试，结果见表3。焊接接头室温拉伸性能超过母材的90%，高温性能为母材的85%以上，高温下在焊缝位置断裂，与高温下焊缝结合性能弱于基体有关。
表3 Ti700SR合金补焊接头性能
Tab.3 Properties of repaired weld joints of Ti700SR alloys
TemperatureRm/MPaRp0.2/MPaFracture position RT852,866773,788Base metal 600 ℃446,463386,402Base metal 650 ℃431,433359,369Base metal 700 ℃406,408,413 297,303,311 Base/Weld seam/Base 750 ℃340,354,357 241,247,249Weld seam
Ti700SR 合金二次补焊后焊缝及热影响区组织有所粗化，微观无缺陷(图6)。对图3 中圆筒型铸件的缺陷打磨挖除后补焊，不超过2 次补焊可消除裂纹等缺陷，获得合格的内外部质量。制备壁厚3～10 mm×650～800 mm(直径)×1 500 mm(长度)的大型耐高温铸件，效果良好，可实现整体成型，铸件表面和内部质量合格。
图6 Ti700SR 合金试板二次补焊后截面外观
Fig.6 Cross-sectional morphology of the Ti700SR alloy plate after secondary repair welding
4 mm 厚的Ti700SR 试样和TA15 钛板电子束对接接头宏观形貌如图7 所示，由于电子束焊接热输入小，焊接金属冷速极快，热影响区较窄；焊缝形成了杯子状，整个焊缝沿接头中心线较对称分布，无焊接缺陷。由于两侧母材成分不同，晶粒尺寸存在差异，右侧Ti700SR为铸造组织因此晶粒粗大，而左侧TA15 板材为轧制组织，晶粒较为细小。
图7 Ti700SR 和TA15 钛板的电子束对接焊缝形貌
Fig.7 Electron beam welding joint morphology of the Ti700SR and TA15 alloys
2.3 讨论
在Ti700SR 高温钛合金的成分设计中，综合利用了合金强化、微合金化和析出强度等手段提高高温性能。相变温度提高到1 010 ℃，添加较多Al 元素改善热强性，利用中性元素Zr 提高强度并改善硅化物弥散析出及焊接性，少量添加β 相稳定元素Nb和Mo 并提高抗氧化性，添加Si 后主要以有序α2 相与(Ti, Zr)5Si3 或(Ti, Zr)6Si3 化合物的形式存在[20-21]，硅化物不连续析出于β 相或α/β 相界上，对位错运动产生阻碍作用，能显著提高抗蠕变性能，少量的Si 和C 形成高熔点析出物从而提高耐热性和抗蠕变性能[9,22]，但会影响塑性和焊接性能。经过成分优化设计和测试，1# 成分的Ti700SR 合金铝当量和钼当量更高，虽然室温强度和高温性能更好，但是铸造充型性更低、裂纹倾向更大，而合金含量更低的2# 成分，室温强塑性匹配较好，高温性能良好，铸造性能和可焊接性能良好，因此2# 成分Ti700SR 合金的综合性能更好，更适用于高温钛合金铸件制备。
3 结论
(1)新型耐高温Ti700SR 合金具有良好的室温和耐高温性能，室温强度超过900 MPa，700 ℃强度超过420 MPa、750 ℃强度超过330 MPa，650～750 ℃持久性能和蠕变性能良好，合金材料可在650～750 ℃高温使用。
(2)合金元素含量低的2#Ti700SR 合金具有更好的工艺铸造性和焊接性，流动性能约为铸造TC4 合金的83%，可用于各种壁厚的铸件制备；2# 合金具有良好的抗裂性，试板刚性拘束条件下TIG 焊接裂纹倾向不明显，焊接双面成型良好，一次补焊和二次补焊后内外质量合格，焊接系数不低于0.9，可制备大型复杂薄壁耐高温钛铸件。
(3)Ti700SR 和TA15 钛合金通过电子束焊接成型可实现异种钛材牢固结合。
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