前言

航空涡轮发动机的压气机（含风扇+压气机）承担为发动机提供持续、稳定、大流量空气的任务。压气机被涡轮转子高速驱动，旋转时在压气机叶片的进/排气边形成空气压差从而产生推力，而叶片通过燕尾型榫槽联结于轮盘[1]。压气机轮盘承受自身离心载荷，以及叶片气动+离心作用的复合载荷。若再考虑压缩空气的温升、燃烧室部件传热，则情况更复杂[2]。

由此可知：压气机轮盘的热力耦合载荷情况复杂，对轮盘选材、设计、制造过程均提出极高要求。钛合金因其比强度高，耐蚀性好，300℃~600℃温度区间持久、抗蠕变性能优良，因而成为航空发动机压气机盘的首选材料，目前先进燃气涡轮发动机压气机盘几乎均选用钛合金材料[3]。

压气机盘锻件属于大型盘类锻件，合金铸锭经过开坯锻造（β转变温度以上，历经3～5火次），快锻与精锻（α+β双相区，历经4～6火次）后制成大规格棒材（ø180mm以上）[4]，随后大规格棒材经过坯料的锻锤压锻及最终的压力机模锻而成盘锻件，热工艺流程繁多，而钛合金锻造过程同时发生组织转变与再结晶，因此锻件毛坯质量是决定产品质量的基础，而制定科学标准是毛坯质量的重要保障。

然而，由于锻件标准体现设计员对零件承载类型、受力状况、材料组织、热处理与性能等诸多方面的全面要求，对设计人员知识、经验要求较高，我国航空发动机部件设计人员大多从院校毕业后即从事设计工作，缺乏生产现场实践经验，导致在拟定锻件标准过程中硬搬国外标准，或套用普通钛合金模锻件通用标准的现象，致使发动机产品质量存在安全隐患。基于上述情况，有必要选择典型的压气机盘锻件标准，结合实物检测数据进行技术细节的对比与分析，从而帮助厘清思路，明辨技术细节，积累设计经验，加强质量管控水平，提高产品质量。

1、实验材料与方法

1.1实验材料

选择XX7涡喷发动机的TC11合金制盘锻件（炉号351-120598）、XX17涡扇发动机的TC8-1合金制盘锻件（炉号TC8-1-20122238），以及XX13涡扇发动机的TC25合金制盘锻件（炉号241-0007）为对象。对比三者盘锻件标准的取样、测试项目、性能要求，并与实物状态测试数值比较，最终获得实验结论。

1.2化学成分

TC11钛合金名义成分为Ti-6.5Al-1.5Zr-3Mo-0.25Si，TC25为Ti-6.7Al-1.5Sn-1.5Zr-2Mo-1W-0.25Si，TC8-1为Ti-6.3Al-1Sn-1Zr-3.3Mo-0.18Si。

根据Al当量[Al]与Mo当量[Mo]的计算公式[5]，将三种钛合金的计算结果及β转变温度列于表1。

1.3轮盘承载

以图1说明压气机盘工作过程承受的复杂的热—载荷耦合作用：①轮盘+叶片的高速旋转，产生径向与周向离心载荷，叠加轮缘—轮毂温度梯度形成的热应力，导致轮缘芯部呈三向应力状态。其中壁厚较薄的幅板与轮毂部位径向应力大，线速度最高的轮缘周向应力最大[6]；②工作过程的轮缘长期为高温拉伸状态，长时使用后产生蠕变残余变形；③随发动机启动—加速—最大—停车循环，盘件上述拉伸的应力幅值呈周期变化，表现为疲劳载荷特征[7]。

由于轮毂部位工作温度较低（不超过200℃），轮缘部位温度高达450℃～550℃[8]，结合上述载荷分析可知，压气机盘的静强度：轮毂部位的低温（低于200℃）抗拉强度，幅板部位沿径向中温（约为350℃）抗拉强度，轮缘部位沿周向高温抗拉强度（≥450℃）要求较高，避免上述部位在最高转速下发生一次性大应力撕裂（瞬时断裂）破坏。

轮缘部位尺寸大且易产生蠕变变形，故压气机盘轮缘部位的高温（≥450℃）持久、蠕变强度要求加高，避免盘件长时工作后的形状、尺寸精度降低影响叶尖间隙，从而恶化压气机效率[9]。另外，压气机盘的幅板-轮缘转接R处存在尺寸突变，易形成应力集中，因此盘部位的中温（350℃）疲劳强度要求加高，避免幅板部位疲劳载荷作用下萌生疲劳裂纹，发生疲劳断裂。

1.4取样部位与项目

图1为标准规定的TC11盘锻件的显微组织取样图，取样位置为轮缘表面、轮缘芯部，幅板芯部，及轮毂芯部；力学性能取样均来自轮缘部位。TC25、TC8-1盘锻件力学性能的取样部位参照TC11盘锻件进行。

由于TC11与TC8-1盘锻件均采用等温锻造，TC25盘锻件采用β锻造。显微组织应以追求盘锻件的各区域的显微组织均匀为目标，因此组织检查应选择轮缘、幅板、轮毂的典型部位，另外选取易形成组织缺陷的特殊部位进行组织取样检查。

力学性能取样应考虑典型部位承载特点，测试该部位的力学性能。TC8-1盘锻件检验的力学性能项目有：室温拉伸，高温拉伸，高温持久，高温蠕变，热稳定性能，取样部位为轮缘，沿周向选取，如表2所示[9]。

2、实验结果

2.1显微组织要求与测试结果

锻件标准规定的组织级别与实际检验结果列于表3[10～12]，具体组织形貌见图3与图4。

图3a为片层状魏氏组织：原始β晶界清晰可见，且该部位析出连续α相，晶内α相与β转相呈片层排列。魏氏组织的断裂韧度值高但冲击韧性差，抗疲劳性能最差[13]。压气机盘幅板与转接R处应避免出现魏氏体组织。

图3b为近似网篮组织：晶界析出连续α相，晶内α相与β转相生长方向呈片层排列，未编织成网篮。可认为这是一种未充分网篮化的片层组织，而网篮组织的塑性、抗疲劳性能优于片层组织。压气机盘幅板与转接R处应避免出现魏氏体组织。

图3c组织特点为α相呈现大块状、粒状与蠕虫状等不同形态，来自GJB2218A《航空用钛及钛合金棒材和锻坯规范》标准，组织形态可归为大块“蠕虫”状α相夹杂着β转变组织的双态组织，该组织在生产实践中较罕见。

图4a可见，TC11盘锻件组织均匀，初生α相再结晶进行的较为完全，基本均呈圆滑的粒状分布；β转变组织含量适中，且内部可见片状的次生α相与β相。此组织属于典型的双态状组织，组织变形充分，总体而言，属良好的锻造组织。

图4b的TC25盘锻件为典型网篮状组织：原始β晶界区域析出的初生α相呈弥散状分布。形貌圆滑，锻压过程破碎充分。晶内α相与β转相交互编织的网篮细小、齐整，属于优良的β锻组织。图4c的TC8-1盘锻件显微组织细小，均匀。α相已明显的等轴化，不可见次生α相。属变形充分的优良等轴状组织。

从上述显微组织对比结果来看，轮盘锻件变形充分，显微组织均匀、细小，满足标准要求。但应值得注意的是，图3a与图3c用来表征变形不充分的双态组织是不恰当的。换言之，在α+β双相区靠上部，小变形量条件下变形组织并非上述特征。

2.2力学性能要求与测试结果

锻件标准对盘锻件的室温力学性能要求以及盘锻件的实测数据列于表4，热稳定性能列于表5。

从表4可见，三种合金的盘锻件力学性能较之标准规定数值均有较大的裕度。TC25合金塑性指标尤其是断面收缩率Z较之TC11与TC8-1合金合金明显偏小，这符合网篮组织塑性低于等轴组织的特性。

从表5来看，TC8-1与TC25合金的抗热损伤性能优异，较之室温拉伸试验结果相差不大,说明三种合金均适合作为高温长时承载件使用，符合热强钛合金的性能特征。

3、分析与讨论

从成分特点可看出，TC25合金较之TC11合金的[Al]更高，接近α+β双相钛合金的成分极限，且TC25合金含少量共析型β相稳定元素W，因此TC25合金热强性能更好，符合高温高强钛合金的成分特点[4]。而TC8-1合金较之TC11合金适当增加了Mo含量，降低Si元素含量，并以Sn替代部分的Al元素。[Mo]决定马氏体钛合金的相变强化效果；长时使用后钛合金析出的硅化物导致合金脆化[5]，调整Si含量可抑制此不利影响。故TC8-1合金适合作为高强，长寿命压气机盘使用。

分析三种合金轮盘的显微组织，TC11与TC25盘的轮缘、幅板与轮毂属于不同变形量的区域，故进行显微组织检查以验证锻造工艺参数的正常性。但值得注意的是，靠近轮缘外部的显微组织检查为锻造组织缺陷检查，因为在盘件模锻过程，根据锻造“X理论”[8]，轮缘外部属于小形变量区域，容易形成晶界初生α相连续，原始β晶粒粗大等形变不足导致的组织缺陷，应加强对此区域的显微组织检查。

从力学性能取样来看，轮缘部位长时在高温下处于两向拉伸状态，对高温持久性能、热稳定性要求高。但应注意，疲劳失效也是盘类零件较普遍的一种失效方式[9]，有必要在幅板部位沿周向检测疲劳性能。实际取样过程中，由于疲劳试样尺寸较长（ø6mm×90mm，夹持处螺纹M12），幅板部位弦长较短，难以满足取样要求，故多数情况下从轮缘取样进行代替。

另外，在幅板部位测试断裂韧度KIC，也是一项常见的取样要求，国内某涡扇发动机用TC17钛合金盘锻件即有此项要求。断裂韧度KIC表征材料在高应力作用下抵御断裂的能力，取决于强度与塑性的匹配[11]，属静强度范畴。抗疲劳性能表征材料在周期应力作用下抵御断裂能力，属疲劳强度范畴。只有循环周次极少的疲劳破坏，才与断裂韧度近似。二者不可一概而论，以片层魏氏组织为例，KIC值高但抗疲劳性能差。

以目前国内某大流道涡扇发动机整体风扇叶盘的力学性能取样图[12]（图4）为例，沿盘轮缘弦向检验抗疲劳性能，轮缘径向或弦向检验KIC值，室温拉伸试样取自叶身径向（叶片离心载荷所致）与盘周向（此载荷亦诱发疲劳源）。可见，该锻件的取样图最为完备合理，符合以上推论。

从力学性能来看，等轴α相的尺寸与体积分数，次生α相厚度，α相与β相的组织形态等均对力学性能构成影响。初生等轴α相体积分数高则塑性、韧性升高，而片层组织（次生α相+β转相）体积分数高则塑性、韧性降低而断裂韧度升高。次生α相是高温下的强化相，其含量影响合金高温拉伸与高温持久强度。

拉伸应力作用下，晶界α相内位错发生滑移，对于TC25盘的网篮状组织而言，其原始β晶粒较粗大，故晶界α相相对含量少，难以协调变形[17]，因此网篮组织塑性逊于等轴组织，但高温持久、蠕变强度优异。

高温强度取决于次生α含量与尺寸，TC25盘属于网篮状组织，该组织的α相与β相相互交错编织，高温下不易滑动，热损伤效应较小。TC8-1合金属于高[Mo]、低Si含量合金，长时在高温暴露后Ti5Si3脆性相析出受到抑制，故热稳定性能优异。

4、结论

通过TC11，TC25，TC8-1钛合金制发动机压气机盘的标准与实物对比，并参照TC17钛合金制压气机盘锻件标准，形成结论如下：

（1）显微组织需选取典型变形部位检测，三种钛合金盘锻件选取轮缘、幅板、轮毂部位，符合锻件的变形特征。

（2）三种钛合金盘锻件变形充分，显微组织均匀、细小，均满足标准规定。但TC11合金、TC8-1合金轮盘标准引用的显微组织级别与图片不够科学。

（3）压气机盘的轮缘部位对高温拉伸、蠕变性能要求较高；幅板部位对中温抗疲劳性能要求高；轮毂部位对低温拉伸强度要求较高。

（4）对照轮盘部位—性能项目关系，三种钛合金盘锻件标准规定的力学性能检验项目存在少量缺失。另外，可取消轮盘检热稳定性能。

（5）实际盘件的显微组织、力学性能较之标准规定数值均有较大的裕度。说明目前三种钛合金盘锻造工艺相对成熟。可适当提高标准要求，严格锻件质量控制。

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