朱知壽，王新南，商國強(qiáng)，費(fèi)　躍，祝力偉，李明兵，李　靜，王　哲

(北京航空材料研究院 先進(jìn)鈦合金航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100095)

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新型高性能鈦合金研究與應(yīng)用

朱知壽，王新南，商國強(qiáng)，費(fèi)躍，祝力偉，李明兵，李靜，王哲

(北京航空材料研究院 先進(jìn)鈦合金航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100095)

隨著鈦合金在我國航空、航天、兵器、海洋和化工等領(lǐng)域用量和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，對(duì)鈦合金高綜合力學(xué)性能、低成本和加工工藝性能提出了更加苛刻的要求。通過基于組織參數(shù)設(shè)計(jì)的合金化、細(xì)晶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化和強(qiáng)韌化工藝控制等綜合強(qiáng)韌化技術(shù)，研制出具有高強(qiáng)韌、抗疲勞、耐損傷、抗沖擊等綜合性能良好匹配的新型高性能鈦合金，是擴(kuò)大鈦合金在高端領(lǐng)域的用量與應(yīng)用水平，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型，滿足下一代應(yīng)用需求的重要保障。

新型鈦合金；高綜合性能；強(qiáng)韌化；低成本

受世界經(jīng)濟(jì)的影響，雖然我國海綿鈦產(chǎn)量持續(xù)下滑，2015年產(chǎn)量59900噸，為5年來最低，但鈦及鈦合金加工材仍然維持在5萬噸左右的生產(chǎn)規(guī)模。這說明我國對(duì)鈦及鈦合金用量仍保持需求增長趨勢(shì)[1]，這得益于我國航空航天和海洋工程的高端應(yīng)用拉動(dòng)、石油化工用量的擴(kuò)大。同時(shí)，我國鈦產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型任務(wù)艱巨，低端鈦材產(chǎn)能過剩嚴(yán)重，另一方面航空航天等高端應(yīng)用鈦合金成熟度低、規(guī)模小、用量少、價(jià)格高，與世界發(fā)達(dá)國家鈦合金高端應(yīng)用水平和用量差距仍然較大，某些深加工產(chǎn)品仍依賴進(jìn)口[1-3]。所以，應(yīng)堅(jiān)持按體系發(fā)展原則的科技創(chuàng)新，發(fā)展具有中國特色的新型高性能鈦合金體系，才能實(shí)現(xiàn)我國鈦產(chǎn)業(yè)由“大國”向“強(qiáng)國”的轉(zhuǎn)變。

在“十二五”期間，我國新型鈦合金技術(shù)研究取得一定的進(jìn)步，為下一代裝備發(fā)展奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，例如，成功研制出高性能低成本鈦合金、新型超高強(qiáng)度系列鈦合金、抗沖擊耐損傷鈦合金，發(fā)展了綜合強(qiáng)韌化系列技術(shù)，提升了鈦合金特大型構(gòu)件整體化成形技術(shù)水平，突破了特大型鍛坯的均勻化制坯技術(shù)等。

本文結(jié)合“十二五”期間我國新型鈦合金技術(shù)的研究和發(fā)展，重點(diǎn)介紹新型高性能鈦合金研究中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，為新型鈦合金研制與綜合應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1　按體系發(fā)展原則，逐步建立具有中國特色的新型高性能鈦合金主干材料系列

針對(duì)我國高端鈦合金仍以仿制為主、自主創(chuàng)新產(chǎn)品很少、“一材多用”的主干材料牌號(hào)不多、技術(shù)成熟度有待提升等問題[1]，“十五”以來，依托國家有關(guān)科研專項(xiàng)的大力支持，依照按體系發(fā)展原則，研制出低強(qiáng)高塑(TA18，Ti45Nb)、中高強(qiáng)高韌(TC32)、高強(qiáng)高韌(TC21)、超高強(qiáng)韌(TB17)和損傷容限型(TC4-DT，TC21)等鈦合金系列技術(shù)，從而進(jìn)一步完善自主研發(fā)的航空新型鈦合金系列，為建立中國特色的關(guān)鍵主干材料體系奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)(見圖1)。

圖1是按鈦合金研發(fā)計(jì)劃年代(橫坐標(biāo))與強(qiáng)韌性匹配性(縱坐標(biāo))歸納的新型鈦合金系列發(fā)展示意圖，從圖1可以看出，“九五”期間通過突破亞穩(wěn)β型鈦合金的焊接、熱處理、材料加工和零件成型等關(guān)鍵技術(shù)，研制成功的TB8超高強(qiáng)度鈦合金，在冷成形、焊接接頭性能、強(qiáng)韌性、抗氧化和耐腐蝕等方面具有非常優(yōu)異的綜合性能匹配，為我國超高強(qiáng)度高性能鈦合金的研發(fā)奠定了一定的基礎(chǔ)。但該合金密度較高，達(dá)到了4.9 g/cm3的級(jí)別，限制了比強(qiáng)度/比剛度的進(jìn)一步提升，說明不通過源頭創(chuàng)新就難以達(dá)到合金在綜合高性能方面的源頭設(shè)計(jì)與控制，由此也進(jìn)一步促進(jìn)了我國自“十五”以來立足國內(nèi)自主研發(fā)新型高性能鈦合金的創(chuàng)新進(jìn)程。為此，我國自“十五”以來陸續(xù)研制了高強(qiáng)高韌(TC21)、中強(qiáng)高韌(TC4-DT)，中高強(qiáng)高韌(TC32)、超高強(qiáng)韌(TB17)等系列新型高性鈦合金，綜合強(qiáng)韌化的匹配水平也在不斷得到了提升，同時(shí)，合金的密度控制在4.6～4.75 g/cm3之間，保證了合金的比強(qiáng)度/比剛度。

圖1　按系列化發(fā)展原則研制的我國新型高性能鈦合金主干材料Fig.1　Several new types of key titanium alloys developed on the basis of system principle in China

2　綜合強(qiáng)韌化技術(shù)是發(fā)展新型高性能低成本鈦合金技術(shù)的主要途徑

圖2是按綜合強(qiáng)韌化技術(shù)發(fā)展的TC4-DT，TC32，TC21和TB17等新型高性能鈦合金與TC4等傳統(tǒng)鈦合金的強(qiáng)韌性對(duì)比情況。從圖中可以看出，當(dāng)鈦合金由中等強(qiáng)度向高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度發(fā)展時(shí)，面臨的主要問題是斷裂韌度的持續(xù)下降。如何在高強(qiáng)度水平下獲得較高的斷裂韌度和塑性等性能，是發(fā)展超高強(qiáng)度鈦合金系列的技術(shù)關(guān)鍵。

圖2　傳統(tǒng)鈦合金與新型主干鈦合金的強(qiáng)度與韌性匹配關(guān)系對(duì)比Fig.2　Comparison of matching relationships between strength and toughness of traditional type and new type of key titanium alloys

從圖2可知，普通TC4鈦合金在斷裂強(qiáng)度900 MPa級(jí)別條件下，其斷裂韌度水平只有50 MPa·m1/2左右，通過進(jìn)一步降低O和N等間隙元素的純凈化處理和準(zhǔn)β熱處理獲得高塑性的片層組織后，獲得了中強(qiáng)高韌損傷容限性的TC4-DT鈦合金，從而擴(kuò)大了它的應(yīng)用領(lǐng)域，提高了應(yīng)用水平。隨著斷裂強(qiáng)度提高到1100 MPa的高強(qiáng)度水平，一般鈦合金的斷裂韌度降低至60 MPa·m1/2以下，而通過新型合金化設(shè)計(jì)和準(zhǔn)β鍛造獲得高塑性網(wǎng)籃組織的綜合強(qiáng)韌化處理后，研制的TC21,TC32高強(qiáng)韌鈦合金，斷裂韌度提高至80 MPa·m1/2以上水平，實(shí)測(cè)斷裂韌度達(dá)到100 MPa·m1/2水平，從而大大提升了我國自主研發(fā)新型鈦合金的綜合高性能水平。當(dāng)合金的斷裂強(qiáng)度水平進(jìn)一步提高至1200 MPa，以及1350～1500 MPa以上時(shí)，合金的斷裂韌度一般會(huì)進(jìn)一步降低，例如，美國最近研制的Ti55531鈦合金，通過固溶時(shí)效強(qiáng)化途徑把斷裂強(qiáng)度提高至1240 MPa以上時(shí)，斷裂韌度只有33 MPa·m1/2水平。為此，“十二五”以來，我國進(jìn)一步在更高強(qiáng)度水平下，研發(fā)了1350 MPa超高強(qiáng)度級(jí)別條件下的綜合強(qiáng)韌化匹配技術(shù)，從而使鈦合金(例如TB17)的斷裂韌度達(dá)到50～70 MPa·m1/2水平，為發(fā)展超高強(qiáng)韌鈦合金奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

3　綜合強(qiáng)韌化技術(shù)在研制與發(fā)展新型超高強(qiáng)韌鈦合金的關(guān)鍵作用

鈦合金強(qiáng)韌化方法與技術(shù)很多，適合獲得綜合強(qiáng)韌化效果和工藝匹配的主要強(qiáng)韌化技術(shù)主要包括“臨近鉬當(dāng)量條件下的多元合金化”、基于組織參數(shù)設(shè)計(jì)的強(qiáng)韌化工藝[4-5]、細(xì)晶強(qiáng)化[6-12]、固溶時(shí)效(相變強(qiáng)化)[13-14]等。

3.1臨近鉬當(dāng)量條件下的多元合金化方法

圖3所示為幾種主要鈦合金強(qiáng)度隨Mo當(dāng)量的提高存在增加的趨勢(shì)圖。從圖3可知，通過合金化設(shè)計(jì)，隨著Mo當(dāng)量的提高，合金的強(qiáng)度水平存在一個(gè)持續(xù)提高的趨勢(shì)，但當(dāng)Mo當(dāng)量提高至15以上時(shí)，合金強(qiáng)度開始下降、合金密度也會(huì)升高，所以，如何采用合理的合金化技術(shù)，獲得最高的比強(qiáng)度和其他綜合性能匹配，是合金化設(shè)計(jì)研究的技術(shù)關(guān)鍵。目前，人們采用合金元素電子作用原理、計(jì)算機(jī)模擬仿真、材料基因組等綜合手段，竭力開發(fā)符合材料研發(fā)規(guī)律又能滿足設(shè)計(jì)使用的新型鈦合金，取得了一定的可供材料研究人員參考使用的成果。“十二五”以來，新材料開發(fā)的一個(gè)重要課題是基于組織參數(shù)設(shè)計(jì)的強(qiáng)韌化工藝技術(shù)研究，是新材料開發(fā)和合金應(yīng)用的關(guān)鍵，也是檢驗(yàn)合金化設(shè)計(jì)是否合理可行可用的手段。

圖3　鈦合金強(qiáng)度與Mo當(dāng)量之間的關(guān)系Fig.3　Increasing trend map of tensile strength with the increase of Mo equivalent value of titanium alloys

3.2基于組織參數(shù)設(shè)計(jì)的強(qiáng)韌化工藝

改變鈦合金的組織參數(shù)主要采用常規(guī)兩相區(qū)鍛造、近β鍛造、β鍛造和β熱處理等工藝方法。包括近β鍛造工藝在內(nèi)的常規(guī)兩相區(qū)鍛造，獲得等軸或雙態(tài)組織，一般用于中間坯組織細(xì)化和半成品加工，而普通β鍛造及熱處理等工藝均未能在生產(chǎn)中得到實(shí)際推廣應(yīng)用。究其原因，主要是：這些β鍛造和β熱處理等工藝因存在塑性和疲勞性能的降低、生產(chǎn)中實(shí)際控制難、組織與性能穩(wěn)定性差，特別是對(duì)復(fù)雜厚截面的飛機(jī)結(jié)構(gòu)零件，要想通過普通的β鍛造或β熱處理工藝方法獲得細(xì)小均勻的高低倍組織和高塑性的網(wǎng)籃或片層組織就更難了。為此，“十五”以來，針對(duì)高強(qiáng)韌鈦合金和中強(qiáng)高韌鈦合金，分別提出了鈦合金準(zhǔn)β鍛造和準(zhǔn)β熱處理工藝方法，以獲得了綜合性能優(yōu)良的網(wǎng)籃組織和片層組織，提高了KIC值、降低了疲勞裂紋擴(kuò)展速率(da/dN值)。相比美國Ti-6-22-22S合金采用的三重β熱處理、Ti6Al4V ELI采用的普通β熱處理，均提高了合金的塑性和疲勞等綜合性能。

圖4和圖5分別為損傷容限型TC21鈦合金框類模鍛件和TC4-DT鈦合金梁類模鍛件，并分別采用了準(zhǔn)β鍛造和準(zhǔn)β熱處理工藝，得到了綜合性能良好匹配的網(wǎng)籃組織和片層組織[4-5]，均已經(jīng)獲得了穩(wěn)定批量應(yīng)用。

圖4　采用準(zhǔn)β鍛造工藝處理的TC21鈦合金組織控制原理圖Fig.4　Diagram showing the microstructure controlling of TC21 titanium alloy by quasi-β forging process

圖5　采用準(zhǔn)β熱處理工藝處理的TC4-DT鈦合金組織控制原理圖Fig.5　Diagram showing the microstructure controlling of TC4-DT titanium alloy by quasi-β heat treatment process

3.3細(xì)晶化技術(shù)

鈦合金細(xì)晶化強(qiáng)韌技術(shù)主要通過高溫塑性變形完成。通過調(diào)整加熱溫度、加熱時(shí)間、變形量等工藝參數(shù)，鈦合金實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)回復(fù)再結(jié)晶過程，細(xì)化β晶粒尺寸[6]。一般情況下，通過細(xì)晶強(qiáng)化對(duì)鈦合金強(qiáng)度的提高幅度有限，但可以提高合金的塑性，從而為中間坯料的組織準(zhǔn)備奠定基礎(chǔ)。例如，Timetal LCB鈦合金β晶粒尺寸在50 μm時(shí)，屈服強(qiáng)度為1095 MPa，當(dāng)β晶粒尺寸在10 μm時(shí)，屈服強(qiáng)度為1130 MPa[7]，僅提高35 MPa。國內(nèi)外學(xué)者通過大變形法實(shí)現(xiàn)鈦合金超細(xì)晶。研究表明[8-11]，當(dāng)材料變形量足夠大時(shí)，就可獲得超細(xì)晶材料，大塑性變形方法由于具有能夠制備出大塊致密的材料、工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)而日益引起人們的重視。例如，Semenova等[12]對(duì)Ti-6Al-4V采用等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP)進(jìn)行晶粒細(xì)化，得到均勻細(xì)小的晶界片狀α相和原始β晶粒，晶粒尺寸一般為600～800 nm。但該方法獲得的超細(xì)晶材料，一般只能提高強(qiáng)度至1360 MPa，但塑性(伸長率為7%)和韌性一般改善不多。

3.4固溶時(shí)效(相變強(qiáng)化)處理技術(shù)

亞穩(wěn)定β型鈦合金一般通過固溶時(shí)效工藝獲得在一定尺寸的原始β組織基體上彌散分布微米或納米析出強(qiáng)化相，實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)度。鈦合金的固溶時(shí)效強(qiáng)化或相變強(qiáng)化[13-14]是高強(qiáng)度鈦合金的主要強(qiáng)韌化手段，是研究的重點(diǎn)。圖6是超高強(qiáng)韌TB17鈦合金經(jīng)固溶+時(shí)效后的顯微組織，其中，時(shí)效強(qiáng)韌化主要通過等軸的初生β相獲得一定的塑性、細(xì)小的二次析出相獲得強(qiáng)化、片層的次生相提高合金的韌性，再結(jié)合納米的三次析出相等進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度水平，從而獲得1350～1500 MPa的超高強(qiáng)度水平。

圖6　TB17鈦合金經(jīng)固溶時(shí)效后的顯微組織Fig.6　Microstructures observed in TB17 titanium alloy by solution and aging treatment process

4　綜合強(qiáng)韌化技術(shù)的應(yīng)用

通過綜合應(yīng)用強(qiáng)韌化手段，實(shí)現(xiàn)鈦合金組織類型控制與組織參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到綜合力學(xué)性能的最佳匹配。例如，TC32鈦合金是自主研發(fā)的新型中高強(qiáng)度高韌性鈦合金[15-17]，采用Cr，Mo合金化獲得固溶強(qiáng)化，通過準(zhǔn)β鍛造獲得網(wǎng)籃組織提高斷裂韌度，并采用固溶+時(shí)效熱處理以實(shí)現(xiàn)析出相強(qiáng)化，進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度水平，結(jié)果表明(見圖6～圖8)，TC32鈦合金具有中高強(qiáng)度(σb≥1000 MPa)、高塑性(δ5≥10%)、高韌性(KIC≥80 MPa·m1/2)、抗高速?zèng)_擊、抗疲勞(R=0.1，Kt=1，Nf=10時(shí)σD≥700 MPa)、損傷容限(da/dN與TC21相當(dāng))等綜合高性能特點(diǎn)，而且具有成本低、工藝簡(jiǎn)單等工藝特點(diǎn)，是理想的多領(lǐng)域通用型材料。

圖6　TC32鈦合金的室溫綜合力學(xué)性能對(duì)比Fig.6　Comparison of synthetical properties among TC32, TA15 and TC4 titanium alloys

圖7　TC32與TC21鈦合金軸向應(yīng)力疲勞S-N曲線(網(wǎng)籃組織/R=-1)Fig.7　Axial stress fatigue S-N curves of TC32 and TC21 titanium alloys with lamellar microstructure (R=-1)

圖8　TC32鈦合金不同組織的高速?zèng)_擊動(dòng)態(tài)真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(臨界破碎應(yīng)變率)Fig.8　True stress-strain curves in TC32 alloy with different microstructures at critical strain rate

5　結(jié)束語

(1)綜合強(qiáng)韌化是建立中國特色的航空用鈦合金主干材料系列的關(guān)鍵途徑。

(2)綜合強(qiáng)韌化技術(shù)需要在基于組織類型和組織參數(shù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的新型合金化、細(xì)晶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化和強(qiáng)韌化組織控制等技術(shù)之間進(jìn)行綜合匹配。

(3)通過綜合應(yīng)用鈦合金的強(qiáng)韌化技術(shù)，研制出具有高強(qiáng)韌、抗疲勞、耐損傷、抗沖擊等綜合性能良好匹配的新型高性能鈦合金，才能擴(kuò)大鈦合金在高端領(lǐng)域的用量與應(yīng)用水平，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型應(yīng)用目標(biāo)。

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(責(zé)任編輯：張崢)

Research and Application of New Type of High Performance Titanium Alloy

ZHU Zhishou，WANG Xinnan，SHANG Guoqiang，F(xiàn)EI Yue，ZHU Liwei，LI Mingbing，LI Jing，WANG Zhe

(Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Titanium Alloys, Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

With the continuous extension of the application quantity and range for titanium alloy in the fields of national aviation, space, weaponry, marine and chemical industry, etc., even more critical requirements to the comprehensive mechanical properties, low cost and process technological properties of titanium alloy have been raised. Through the alloying based on the microstructure parameters design, and the comprehensive strengthening and toughening technologies of fine grain strengthening, phase transformation and process control of high toughening, the new type of high performance titanium alloy which has good comprehensive properties of high strength and toughness, anti-fatigue, failure resistance and anti-impact has been researched and manufactured. The new titanium alloy has extended the application quantity and application level in the high end field, realized the industrial upgrading and reforming, and met the application requirements of next generation equipment.

new type of titanium alloy; excellent overall performance; strengthening and toughening; low cost

2016-02-26；

2016-04-10

“十二五”基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(A0520110059)

朱知壽(1966—)，男，博士，研究員，主要從事航空鈦合金及應(yīng)用技術(shù)研究，(E-mail)zhuzzs@126.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.3.002

TG146.2

A

1005-5053(2016)03-0007-06