钛合金材料组织性能关系复习进程

钛合金材料组织性能关系钛合金成分-工艺-组织-性能四要素钛合金成分、工艺、组织和性能四要素成分决定了合金类型工艺决定了组织类型组织决定了性能钛合金组织参数(D、d、b、)对性能的影响关系钛合金组织类型的工程化定义(1)等轴组织；(2)混合组织；(3)网篮组织；(4)魏氏组织钛合金组织类型的工程化定义(1)片层组织；(2)过渡组织(3)球状组织普通分类方法国外一般分类国内普通分类4、片层组织２、网篮组织３、双态组织1、等轴组织钛合金组织类型的工程化定义适合工程应用的分类等轴组织及其类型变化钛合金组织类型的工程化定义近型合金+型合金近型合金●等轴组织＝(α等+β转)●特征：α等轴≥40％以上●等轴α，有球形、椭圆形、橄榄形、棒锤形、短棒形等多种形态双态组织及其类型变化（混合组织）钛合金组织类型的工程化定义近型合金+型合金近型合金●等轴组织＝(α等+β转)●特征：α等轴≤40％●等轴α，有球形、椭圆形、橄榄形、棒锤形、短棒形等多种形态网篮组织及其类型变化钛合金组织类型的工程化定义破碎晶界●网篮组织＝β转（变形的）●特征：α等轴＝0％●β转（变形的）具网篮编制状为主要特征断续晶界大块片层组织及其类型变化钛合金组织类型的工程化定义粗大片层●片层组织＝β转（不变形的）●特征：α等轴＝0％●β转（不变形的）以片层状为主要特征，片层厚度不同，形态不同（6级）典型片层针状细小（魏氏组织）钛合金组织类型的工程化定义钛合金组织与性能的一般关系钛合金组织与拉伸性能的关系拉伸性能：退火（片层）组织塑性最差、双态最好、加工（网篮）组织各向异性大钛合金组织与断裂韧性关系断裂韧度KIC：退火组织较高、双态居中、加工组织最高钛合金组织特征与da/dN性能关系da/dN

:退火组织最低、加工组织居中、双态最差钛合金组织与疲劳性能关系疲劳强度：退火(片层)组织居中、双态最好、加工(网篮)组织各向异性大原始β晶粒尺寸与钛合金性能匹配关系随着β晶粒的增大，合金的断裂韧性和屈服强度逐渐降低MicrostructuresA>B>C

强韧性匹配：退火组织只提高强度时，塑性与韧性大为降低使用性能：晶粒粗大时，强度与韧性变化不大，但塑性与疲劳强度却大为降低α相含量与钛合金拉伸性能的关系随着初生相含量的增加，合金的抗拉强度和屈服强度变化只有50MPa，而延伸率和断面收缩率则迅速增加。热处理制度σb(MPa)σ0.2(MPa)δ5(%)Ψ(%)KIC(MPa∙m1/2)s厚度760℃/2hWQ+480℃/8hAC144813733.88.137.30.05μm760℃/2hWQ+520℃/8hAC1245118810.326.858.90.08μm760℃/2hWQ+540℃/8hAC1222117011.633.563.70.10μm760℃/2hWQ+580℃/8hAC1048101817.353.699.80.15μm760℃/2hWQ+620℃/8hAC101898620.062.997.70.20μm时效温度对Ti-10V-2Fe-3Al合金力学性能与次生尺寸的影响随着次生α相的片层厚度的增加，合金的强度下降比较明显，而塑性和断裂韧性获得了较大幅度的增加。α相含量与钛合金强韧性匹配关系钛合金组织与性能的一般关系问题：钛合金的普通组织类型，均难以满足综合高性能的要求钛合金组织控制技术，实现综合高性能目标1、基本要求：强韧性匹配、强塑性匹配2、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3、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）4、其它综合性能：低的缺口敏感性、良好的耐环境稳定性、抗应力腐蚀与抗氢脆能力、综合高性能（一）对高强度钛合金，采用钛合金准锻造工艺，获得高塑性网篮组织，是实现综合高性能目标的有效途径

采用新型“准锻造工艺”(授权发明专利:ZL01131237.8)，控制复杂、变截面、大尺寸整体航空锻件的网篮组织均匀性，获得了具有高强、高韧、高疲劳性能和低da/dN的综合性能。例子1：高强韧损伤容限型TC21钛合金621所TC21钛合金相比美Ti62222S钛合金具有更加优异的综合性能匹配

TC18钛合金是我国大型运输机大量选用的高强韧钛合金，也采用新型“准锻造工艺”，获得了高性能综合匹配。例子2：高强韧TC18(BT22)钛合金取向bMPa0.2MPa5

%

%KIC

MPam0.5L11201125107510801413403374.371.2L115411761117113814.212.440.849.176.176.8指标≥1080≥1010≥8≥20≥60

TC6钛合金是普遍应用的中强度钛合金，采用新型“准锻造工艺”，也获得了高性能综合性能，并在某歼击机上得到应用。例子3：中强度TC6(BT31)钛合金锻造取向bMPa5%%KICMPam0.5da/dNx10-4DMPaα+βL1080~111014~1845~4955~6311.2566T1105~112012~1534~37准βL1035~109514~1735~4775~957.4650T1075~110016~1838~42（二）对中等强度钛合金，采用钛合金准热处理工艺，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采用新型“钛合金准热处理工艺”(专利号ZL200410090864.3)，解决了：(1)片层组织塑性低；(2)复杂截面特大型锻件组织性能均匀性；(3)普通热处理在实际生产控制难等技术关键。例子：中强高损伤容限型TC4-DT钛合金TC4-DT钛合金大量应用于我国新一代飞机安全寿命级关键承力部件上621所

美国F-22飞机和C-17等大型运输机上也大量采用了普通退火态的Ti6Al4VELI损伤容限钛合金，在其它性能相当的情况下，TC4-DT钛合金采用准热处理可得到较高的塑性与疲劳性能（以满足我国飞机设计需求）。与美国Ti-6Al-4VELI合金对比（三）对高温钛合金，采用钛合金近锻造工艺，可获得高温综合性能好的双态组织近β锻造℃α+βαβ相转变点Tiβ稳定元素含量（%）15钛合金二元相图示意近锻造工艺即在相变点以下15℃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）具有良好的蠕变和持久性能的综合匹配例子：发动机用TC11和TC17高温钛合金TC11TC17西北工业大学（四）对钛合金大规格棒材，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声波探伤缺陷可检性等均好的等轴组织几个研究热点斑点冶金缺陷控制织构新材料组织性能新工艺组织性能定义：α相（等轴或条状）含量少于基体的20%一种冶金缺陷特征：低倍一般显亮点，也有黑点，高倍显黑斑，硬度稍高形成原因：Fe偏析，其它含Mo、Cr、Mn等共析元素偏析斑冶金缺陷研究SP700棒材TC18（BT22）锻件Ti1023锻件斑可以在许多钛合金中存在斑对性能的影响β斑对Ti-10-2-3钛合金塑性和低周疲劳性能的影响如何控制斑生产时控制：（1）合金化控制：避免Fe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（3）加热控制：锻造或热处理时在相变点上或下50C以上加热变形应用时控制：属于冶金缺陷：β斑超标时应整炉报废（依据标准）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现状：X-射线（极图、ODF），SEM（EBSD），TEM等织构控制与性能取向与疲劳裂纹形成关系（F.Bridier，France）相的ND取向图（621所、北工大）(钛合金准锻造大块相形成机理)Ti5553：代替BT22与Ti1023因有斑等而用在B787上新材料组织与性能B787飞机起落架梁（V.Vladislav）低倍×1高倍×200GUM合金：超高强度、低弹性模量，合金化及强化机理研究新材料组织与性能日本丰田公司研制的GUM钛合金特性超细化工艺：大塑性变形（SPD）—高压扭转变形(HPT)、等通道挤压（ECAP）等，热氢处理(THT)、循环热处理(CHT)、其它热机械处理等新工艺的组织与性能纯钛经多次累计SPD变形后的细化与强化效应（D.Terada，Japan）基础研究方面：虽然钛合金的组织与性能关系研究热点多，但对组织设计与演变模拟等的基础研究不够。应用基础研究方面：

（1）以“表象”或基本性能研究为主，应加强新材料与新工艺使用性能研究，并与实际应用挂钩。（2）综合高性能要求下的组织参数设计与控制研究不多，追求单一高性能的组织-性能关系研