李雅迪等：航空发动机阻燃钛合金力学性能预测及成分优化 7 1060 (a) (b) 1020 30 980 940 -Tensile strength 之Elongation .Yield strength ·Reduction of area 90 0 0.05 0.10 0.15 0.20 100 0.05 0.10 0.15 0.20 Mass fraction of C/% Mass fraction of C/% 图5C元素含量对Ti-V-Cr系阻燃钛合金力学性能的影响.(a)强度：(b)塑性 Fig.5 Influence of the C element content on the properties of the Ti-V-Cr burn-resistant titanium alloy:(a)strength;(b)ductility 变化).考虑到目前各国研制的Ti-V-Cr系阻燃钛 试样本的实验值与模型预测值的绝对百分误差均 合金主干元素中，BuRTi加入了Al元素，Alloy C, 在5%以内，模型泛化能力良好 TB12和TF550不含A1元素，因此成分优化分为未 (2)Ti-V-Cr系阻燃钛合金的强度随着V和 加入A1元素和加入A1元素两种情况进行讨论. A1元素含量的增加而增加.随着Si元素含量的增 未加入Al元素时，Ti-V-Cr系阻燃钛合金的 加先减小后增加，随着C元素含量的增加而降低： 成分同时满足V元素质量分数在30%~33%之 塑性随着V、AI和Si元素含量的增加而降低，随 间、Si元素质量分数在0~0.1%之间和C元素质 着C元素含量的增加先增加后减小 量分数在0.05%~0.125%之间时，力学性能良好， (3)对于Ti-35V-15Cr阻燃钛合金，可以通过 所对应的抗拉强度在1035~1057MPa之间，屈服 加入质量分数为0~0.1%的Si元素和0.05%~0.125% 强度在954~989MPa之间，延伸率在19.5%~ 的C元素，并减少质量分数为2%~5%的V元素， 23.4%之间，断面收缩率在39.1%~48.1%之间.加 来提高力学性能：对于Ti-25V-15Cr阻燃钛合金， 入Al元素时，Ti-V-Cr系阻燃钛合金的成分同时 可以通过加入质量分数为1.5%~1.8%的A1元素 满足不加Si元素，V元素质量分数在24%~27% 和0.15%~0.2%的C元素，来改善力学性能 之间、A1元素质量分数在1.5%~1.8%之间和C 参考文献 元素质量分数在0.15%~0.2%之间时，所对应的 抗拉强度在1033~1052MPa之间，屈服强度在 [1]Liang X Y,Mi G B,Li P J,et al.Theoretical study on ignition of titanium alloy under high temperature friction condition.Acta Phys 996~1021MPa之间，延伸率在16.6%~18.3%之 Sim,2020,69(21):343 间，断面收缩率在30%~37.6%之间，力学性能良 (梁贤烨，弭光宝，李培杰，等.钛合金高温摩擦着火理论研究 好.因此，针对主干元素为Ti-35V-15Cr的阻燃钛 物理学报，2020,69(21)：343) 合金，可以通过加入质量分数为0~0.1%的Si元 [2]Mi G B,Huang X,Cao JX,et al.Microstructure characteristics of 素和0.05%~0.125%的C元素，并减少质量分数 buming products of Ti-V-Cr fireproof titanium alloy by frictional 为2%~5%的V元素，来提高力学性能：对于主干 ignition.Acta Phys Sin,2016,65(5):056103 (弭光宝，黄旭，曹京霞，等.摩擦点火Ti-V-C阻燃钛合金燃烧 元素为Ti-25V-15Cr的阻燃钛合金，可以通过加 产物的组织特征.物理学报，2016,65(5)：056103) 入质量分数为1.5%~1.8%的A1元素和0.15%~0.2% [3] Zhao Y Q.Zhu K Y,Qu H L.et al.Microstructures of a burn 的C元素，设计出一种与Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C resistant highly stabilized B-titanium alloy.Mater Sci Eng:4. 合金成分相近的阻燃钛合金来改善力学性能 2000,282(1-2):153 [4]Ouyang PX,MiG B.CaoJX,et al.Microstructure characteristics 3结论 after combustion and fireproof mechanism of TiAl-based alloys Mater Today Commun,2018,16:364 (I)采用支持向量机建立了Ti-V-Cr系阻燃钛 [5]Xiong J S,Huang J F,Xie G L,et al.Effect of electroplating Cr 合金的合金化元素与力学性能之间的定量关系模 coating on combustion characteristics of TC4 titanium alloy.Chin 型，各个力学性能模型的线性相关系数均在 JEng,2020,42(8):1007 0.975以上，模型预测精度较高：各个力学性能测 (熊家帅，黄进蜂，解国良，等.电镀C涂层对TC4钛合金燃烧性变化）. 考虑到目前各国研制的 Ti−V−Cr 系阻燃钛 合金主干元素中，BuRTi 加入了 Al 元素，Alloy C, TB12 和 TF550 不含 Al 元素，因此成分优化分为未 加入 Al 元素和加入 Al 元素两种情况进行讨论. 未加入 Al 元素时，Ti−V−Cr 系阻燃钛合金的 成分同时满足 V 元素质量分数在 30%～33% 之 间、Si 元素质量分数在 0～0.1% 之间和 C 元素质 量分数在 0.05%～0.125% 之间时，力学性能良好， 所对应的抗拉强度在 1035～1057 MPa 之间，屈服 强 度 在 954～ 989  MPa 之间 ，延伸率 在 19.5%～ 23.4% 之间，断面收缩率在 39.1%～48.1% 之间. 加 入 Al 元素时，Ti−V−Cr 系阻燃钛合金的成分同时 满足不加 Si 元素，V 元素质量分数在 24%～27% 之间、Al 元素质量分数在 1.5%～1.8% 之间和 C 元素质量分数在 0.15%～0.2% 之间时，所对应的 抗拉强度 在 1033～ 1052 MPa 之间 ，屈服强度 在 996～1021 MPa 之间，延伸率在 16.6%～18.3% 之 间，断面收缩率在 30%～37.6% 之间，力学性能良 好. 因此，针对主干元素为 Ti−35V−15Cr 的阻燃钛 合金，可以通过加入质量分数为 0～0.1% 的 Si 元 素和 0.05%～0.125% 的 C 元素，并减少质量分数 为 2%～5% 的 V 元素，来提高力学性能；对于主干 元素为 Ti−25V−15Cr 的阻燃钛合金，可以通过加 入质量分数为1.5%～1.8% 的Al 元素和0.15%～0.2% 的 C 元素，设计出一种与 Ti−25V−15Cr−2Al−0.2C 合金成分相近的阻燃钛合金来改善力学性能. 3    结论 (1) 采用支持向量机建立了 Ti−V−Cr 系阻燃钛 合金的合金化元素与力学性能之间的定量关系模 型 ， 各 个 力 学 性 能 模 型 的 线 性 相 关 系 数 均 在 0.975 以上，模型预测精度较高；各个力学性能测 试样本的实验值与模型预测值的绝对百分误差均 在 5% 以内，模型泛化能力良好. (2) Ti−V−Cr 系阻燃钛合金的强度随着 V 和 Al 元素含量的增加而增加，随着 Si 元素含量的增 加先减小后增加，随着 C 元素含量的增加而降低； 塑性随着 V、Al 和 Si 元素含量的增加而降低，随 着 C 元素含量的增加先增加后减小. (3) 对于 Ti−35V−15Cr 阻燃钛合金，可以通过 加入质量分数为0～0.1% 的Si 元素和0.05%～0.125% 的 C 元素，并减少质量分数为 2%～5% 的 V 元素， 来提高力学性能；对于 Ti−25V−15Cr 阻燃钛合金， 可以通过加入质量分数为 1.5%～1.8% 的 Al 元素 和 0.15%～0.2% 的 C 元素，来改善力学性能. 参    考    文    献 Liang X Y, Mi G B, Li P J, et al. Theoretical study on ignition of titanium alloy under high temperature friction condition. Acta Phys Sin, 2020, 69（21）: 343 （梁贤烨, 弭光宝, 李培杰, 等. 钛合金高温摩擦着火理论研究. 物理学报, 2020, 69（21）：343） [1] Mi G B, Huang X, Cao J X, et al. Microstructure characteristics of burning products of Ti−V−Cr fireproof titanium alloy by frictional ignition. Acta Phys Sin, 2016, 65（5）: 056103 （弭光宝, 黄旭, 曹京霞, 等. 摩擦点火Ti−V−Cr阻燃钛合金燃烧 产物的组织特征. 物理学报, 2016, 65（5）：056103） [2] Zhao  Y  Q,  Zhu  K  Y,  Qu  H  L,  et  al.  Microstructures  of  a  burn resistant  highly  stabilized  β-titanium  alloy. Mater Sci Eng: A, 2000, 282（1-2）: 153 [3] Ouyang P X, Mi G B, Cao J X, et al. Microstructure characteristics after  combustion  and  fireproof  mechanism  of  TiAl-based  alloys. Mater Today Commun, 2018, 16: 364 [4] Xiong J S, Huang J F, Xie G L, et al. Effect of electroplating Cr coating on combustion characteristics of TC4 titanium alloy. Chin J Eng, 2020, 42（8）: 1007 （熊家帅, 黄进峰, 解国良, 等. 电镀Cr涂层对TC4钛合金燃烧性 [5] 1060 (a) (b) 1020 980 940 900 0 0.05 0.10 0.15 Mass fraction of C/% 0.20 0 0.05 0.10 0.15 Mass fraction of C/% 0.20 30 20 10 Elongation Ductility/ % Reduction of area Tensile strength Yield strength Strength/MPa 图 5    C 元素含量对 Ti−V−Cr 系阻燃钛合金力学性能的影响. （a）强度；（b）塑性 Fig.5    Influence of the C element content on the properties of the Ti−V−Cr burn-resistant titanium alloy: (a) strength; (b) ductility 李雅迪等： 航空发动机阻燃钛合金力学性能预测及成分优化 · 7 ·