钛合金材料组织性能关系学习教案

1、会计学1钛合金材料钛合金材料(cilio)组织性能关系组织性能关系第一页，共50页。钛合金成分钛合金成分(chng fn)-工艺工艺-组织组织-性性能四要素能四要素第2页/共50页第二页，共50页。钛合金成分、工艺、组织钛合金成分、工艺、组织(zzh)和性能四要素和性能四要素第3页/共50页第三页，共50页。成分成分(chng fn)决定了合金类型决定了合金类型第4页/共50页第四页，共50页。工艺工艺(gngy)决定了组织类型决定了组织类型第5页/共50页第五页，共50页。组织组织(zzh)决定了性能决定了性能钛合金组织参数钛合金组织参数(D、d、b、 )对性能对性能(xngnng)的影响关

2、系的影响关系第6页/共50页第六页，共50页。钛合金组织类型钛合金组织类型(lixng)的工程化的工程化定义定义第7页/共50页第七页，共50页。(1) 等轴组织等轴组织(zzh)；(2) 混合组织混合组织(zzh)；(3) 网篮组织网篮组织(zzh)；(4) 魏氏组织魏氏组织(zzh)钛合金组织(zzh)类型的工程化定义(1) 片层组织片层组织(zzh)；(2) 过渡组织过渡组织(zzh)(3) 球状组织球状组织(zzh)普通分类方法普通分类方法国外一般分类国外一般分类国内普通分类国内普通分类第8页/共50页第八页，共50页。4、片层组织、片层组织(zzh)、网篮、网篮(wngln)组织组织

3、、双态组织、双态组织(zzh)1、等轴组织、等轴组织钛合金组织类型的工程化定义适合工程应用适合工程应用的分类的分类第9页/共50页第九页，共50页。等轴组织等轴组织(zzh)及其类型及其类型变化变化钛合金组织类型(lixng)的工程化定义近近型合金型合金(hjn) + 型型合金合金近近 型型合金合金 等轴组织等轴组织(等等 + 转转) 特征：特征： 等轴等轴40以上以上 等轴等轴，有球形、椭圆形、橄榄形、棒锤形、短棒形等多种形态，有球形、椭圆形、橄榄形、棒锤形、短棒形等多种形态第10页/共50页第十页，共50页。双态组织及其类型双态组织及其类型(lixng)变变化（混合组织）化（混合组织）钛合

4、金组织(zzh)类型的工程化定义近近型合型合金金(hjn) + 型型合金合金近近 型型合金合金 等轴组织等轴组织(等等 + 转转) 特征：特征： 等轴等轴40 等轴等轴，有球形、椭圆形、橄榄形、棒锤形、短棒形等多种形态，有球形、椭圆形、橄榄形、棒锤形、短棒形等多种形态第11页/共50页第十一页，共50页。网篮组织网篮组织(zzh)及其类型变及其类型变化化钛合金组织类型(lixng)的工程化定义破碎破碎(p su)晶界晶界 网篮组织网篮组织转（变形的）转（变形的） 特征：特征： 等轴等轴0 0 转（变形的）转（变形的） 具网篮编制状为主要特征具网篮编制状为主要特征断续晶界断续晶界 大块大块 第1

5、2页/共50页第十二页，共50页。片层组织及其类型片层组织及其类型(lixng)变化变化钛合金组织(zzh)类型的工程化定义粗大粗大(cd)片片层层 片层组织片层组织转（不变形的）转（不变形的） 特征：特征： 等轴等轴0 0 转（不变形的）转（不变形的） 以片层状为主要特征，片层厚度不同，形态不同（以片层状为主要特征，片层厚度不同，形态不同（6级）级）典型片层典型片层 针状细小针状细小 （魏氏组织）（魏氏组织）第13页/共50页第十三页，共50页。钛合金组织类型(lixng)的工程化定义第14页/共50页第十四页，共50页。钛合金组织与性能钛合金组织与性能(xngnng)的一般的一般关系关系第

6、15页/共50页第十五页，共50页。钛合金组织与拉伸性能(xngnng)的关系拉伸性能：拉伸性能：退火退火(tu hu)（片层）组织塑性最差、（片层）组织塑性最差、 双双态最好、态最好、 加工（网篮）组织各向异性大加工（网篮）组织各向异性大 第16页/共50页第十六页，共50页。钛合金组织(zzh)与断裂韧性关系断裂断裂(dun li)韧度韧度KIC：退火组织较高、退火组织较高、 双态居双态居中、中、 加工组织最高加工组织最高第17页/共50页第十七页，共50页。钛合金组织特征与da/dN性能(xngnng)关系da/dN : 退火退火(tu hu)组织最低、组织最低、 加工组织居中、加工组织

7、居中、双态最差双态最差第18页/共50页第十八页，共50页。钛合金组织与疲劳性能(xngnng)关系疲劳强度：疲劳强度：退火退火(片层片层)组织组织(zzh)居中、居中、 双态最双态最好、好、 加工加工(网篮网篮)组织组织(zzh)各向异性大各向异性大第19页/共50页第十九页，共50页。原始晶粒尺寸与钛合金性能匹配(ppi)关系随着随着晶粒的增大，合金的断裂韧性和屈服晶粒的增大，合金的断裂韧性和屈服(qf)强度逐渐降低强度逐渐降低第20页/共50页第二十页，共50页。MicrostructuresABC 强韧性匹配：强韧性匹配：退火组织只提高强度退火组织只提高强度(qingd)时，塑性与韧性

8、时，塑性与韧性大为降低大为降低第21页/共50页第二十一页，共50页。使用性能：晶粒粗大使用性能：晶粒粗大(cd)时，强度与韧性变化不大，但塑性与疲劳强度却时，强度与韧性变化不大，但塑性与疲劳强度却大为降低大为降低第22页/共50页第二十二页，共50页。相含量(hnling)与钛合金拉伸性能的关系随着初生随着初生相含量的增加，合金的抗拉强度和屈服强度相含量的增加，合金的抗拉强度和屈服强度变化只有变化只有50MPa，而延伸率和断面，而延伸率和断面(dun min)收缩率则迅速增加。收缩率则迅速增加。第23页/共50页第二十三页，共50页。热处理制度热处理制度b(MPa)0.2(MPa)5(%)(

9、%)KIC(MPam1/2) s厚度厚度760/2h WQ +480/8hAC144813733.88.137.30.05m760/2h WQ +520/8hAC1245118810.326.858.90.08m760/2h WQ +540/8hAC1222117011.633.563.70.10m760/2h WQ +580/8hAC1048101817.353.699.80.15m760/2h WQ +620/8hAC101898620.062.997.70.20m时效温度对时效温度对Ti-10V-2Fe-3Al合金合金(hjn)力学性能与次生力学性能与次生尺寸的影响尺寸的影响随着次生随着

10、次生相的片层厚度的增加，合金的强度下降比较明显，相的片层厚度的增加，合金的强度下降比较明显，而塑性而塑性(sxng)和断裂韧性获得了较大幅度的增加。和断裂韧性获得了较大幅度的增加。相含量与钛合金强韧性匹配(ppi)关系第24页/共50页第二十四页，共50页。钛合金组织(zzh)与性能的一般关系问题：钛合金的普通组织类型，均难以满足问题：钛合金的普通组织类型，均难以满足(mnz)综合高性能的要求综合高性能的要求第25页/共50页第二十五页，共50页。钛合金组织钛合金组织(zzh)控制技术，实现综合高性控制技术，实现综合高性能目标能目标第26页/共50页第二十六页，共50页。1 1、基本要求：强韧

11、性匹配、强塑性匹配、基本要求：强韧性匹配、强塑性匹配2 2、使用要求：高疲劳性能与损伤容限性能匹配、疲劳性能、使用要求：高疲劳性能与损伤容限性能匹配、疲劳性能与蠕变持久性能匹配与蠕变持久性能匹配3 3、加工要求：热工艺简单易行、加工成形性能优异（如焊、加工要求：热工艺简单易行、加工成形性能优异（如焊接性能、超塑成形性能等）接性能、超塑成形性能等）4 4、其它综合性能：低的缺口、其它综合性能：低的缺口(quku)(quku)敏感性、良好的耐环敏感性、良好的耐环境稳定性、抗应力腐蚀与抗氢脆能力、境稳定性、抗应力腐蚀与抗氢脆能力、综合综合(zngh)高性能高性能第27页/共50页第二十七页，共50页

12、。（一）对高强度钛合金，采用钛合金准（一）对高强度钛合金，采用钛合金准锻造锻造(dunzo)工艺，获得高塑性网篮组工艺，获得高塑性网篮组织，是实现综合高性能目标的有效途径织，是实现综合高性能目标的有效途径第28页/共50页第二十八页，共50页。例子例子(l zi)1：高强韧损伤容限型：高强韧损伤容限型TC21钛钛合金合金621所所第29页/共50页第二十九页，共50页。TC21钛合金相比美钛合金相比美Ti62222S钛合金具有更加钛合金具有更加(gnji)优异的综合性能优异的综合性能匹配匹配第30页/共50页第三十页，共50页。例子例子(l zi)2：高强韧：高强韧TC18(BT22)钛合金钛

13、合金取向取向 bMPa 0.2MPa 5 % %KIC MPam0.5L11201125 10751080 1413 4033 74.371.2 L11541176 11171138 14.212.4 40.849.1 76.176.8 指标指标1080 1010 8 20 60 第31页/共50页第三十一页，共50页。例子例子(l zi)3：中强度：中强度TC6(BT31)钛合金钛合金锻锻造造取取向向 bMPa 5% %KICMPam0.5da/dNx10-4 DMPa+L1080111014184549556311.2566T1105112012153437准准L1035109514173

14、54775957.4650T1075110016183842第32页/共50页第三十二页，共50页。（二）对中等（二）对中等(zhngdng)强度钛合金，采用强度钛合金，采用钛合金准钛合金准热处理工艺，获得高塑性片层组织热处理工艺，获得高塑性片层组织，也是实现综合高性能目标的有效途径，也是实现综合高性能目标的有效途径第33页/共50页第三十三页，共50页。例子例子(l zi)：中强高损伤容限型：中强高损伤容限型TC4-DT钛合钛合金金TC4-DT钛合金大量钛合金大量(dling)应用于我国新一代飞机安全寿命级关键承力应用于我国新一代飞机安全寿命级关键承力部件上部件上621所所第34页/共50页

15、第三十四页，共50页。与美国与美国Ti-6Al-4V ELI合金合金(hjn)对比对比第35页/共50页第三十五页，共50页。（三）对高温钛合金，采用钛合金近（三）对高温钛合金，采用钛合金近锻造锻造(dunzo)工艺，可获得高温综合性能好的双态工艺，可获得高温综合性能好的双态组织组织第36页/共50页第三十六页，共50页。近近锻造锻造+相转变点相转变点Ti稳定元素含量（稳定元素含量（%）15钛合金二元相图钛合金二元相图(xin t)示意示意近近锻造工艺即在相变点以下锻造工艺即在相变点以下(yxi)15(yxi)15加热锻造，并控制锻后加热锻造，并控制锻后冷却方式等得到的双态组织（或三态组织）具

16、有良好的蠕变和持久冷却方式等得到的双态组织（或三态组织）具有良好的蠕变和持久性能的综合匹配性能的综合匹配例子例子(l zi)：发动机用：发动机用TC11和和TC17高温钛高温钛合金合金TC11TC17西北工业大学西北工业大学第37页/共50页第三十七页，共50页。（四）对钛合金大规格（四）对钛合金大规格(gug)棒材，采用钛合金棒材，采用钛合金铸锭与坯料的镦拔工艺，希望获得力学性能与超铸锭与坯料的镦拔工艺，希望获得力学性能与超声波探伤缺陷可检性等均好的等轴组织声波探伤缺陷可检性等均好的等轴组织第38页/共50页第三十八页，共50页。几个研究几个研究(ynji)热点热点 斑点冶金缺陷控制斑点冶金

17、缺陷控制织构织构新材料新材料(cilio)(cilio)组织性能组织性能新工艺组织性能新工艺组织性能第39页/共50页第三十九页，共50页。定义：定义：相（等轴或条状）含量少于基体的相（等轴或条状）含量少于基体的20%一种冶金缺陷一种冶金缺陷特征：低倍一般显亮点，也有黑点，高倍显黑斑，硬度稍高特征：低倍一般显亮点，也有黑点，高倍显黑斑，硬度稍高形成形成(xngchng)原因：原因：Fe偏析，其它含偏析，其它含Mo、Cr、Mn等等共析元素偏析共析元素偏析 斑冶金缺陷斑冶金缺陷(quxin)研究研究第40页/共50页第四十页，共50页。SP700棒材棒材TC18（BT22）锻件）锻件(dunjin

18、)Ti1023锻件锻件(dunjin) 斑可以斑可以(ky)在许多钛合金中存在在许多钛合金中存在第41页/共50页第四十一页，共50页。 斑对性能斑对性能(xngnng)的影响的影响斑对斑对Ti-10-2-3钛合金塑性钛合金塑性和低周疲劳和低周疲劳(plo)性能的影响性能的影响第42页/共50页第四十二页，共50页。如何如何(rh)控制控制 斑斑生产时控制：生产时控制： （1） 合金化控制：避免合金化控制：避免Fe等元素的添加等元素的添加 （2） 成分均匀性控制：布料均匀、熔化与凝固速率成分均匀性控制：布料均匀、熔化与凝固速率 （3） 加热加热(ji r)控制：锻造或热处理时在相变点上或下控制

19、：锻造或热处理时在相变点上或下 50C以上加热以上加热(ji r)变形变形应用时控制：应用时控制： 属于冶金缺陷：属于冶金缺陷：斑超标时应整炉报废（依据斑超标时应整炉报废（依据(yj)标准标准）第43页/共50页第四十三页，共50页。晶体学织构：主要影响力学性能各向异性、疲劳与腐蚀行为等晶体学织构：主要影响力学性能各向异性、疲劳与腐蚀行为等发展发展(fzhn)现状：现状：X-射线（极图、射线（极图、ODF），），SEM（EBSD），），TEM等等织构控制织构控制(kngzh)与性能与性能取向与疲劳裂纹取向与疲劳裂纹(li wn)形成形成关系（关系（F. Bridier，France） 相的相的ND取向图（取向图（621所、北工大）所、北工大） (钛合金准钛合金准 锻造大块锻造大块 相形成机理相形成机理)第44页/共50页第四十四页，共50页。Ti5553：代替：代替(dit)BT22与与Ti1023因有因有斑等而