航空用新型低成本鈦合金顯微組織與損傷容限性能關系研究

王新南，費 躍，劉 洲，商國強，李 軍，祝力偉，朱知壽

(北京航空材料研究院，北京 100095)

航空用新型低成本鈦合金顯微組織與損傷容限性能關系研究

王新南，費 躍，劉 洲，商國強，李 軍，祝力偉，朱知壽

(北京航空材料研究院，北京 100095)

利用掃描電鏡對某新型航空用Ti-Al-Mo-Cr-Zr系低成本鈦合金的雙態組織、片層組織及網籃組織3種典型顯微組織特征和裂紋擴展過程進行了觀察和分析，并對具有不同類型顯微組織的合金進行了拉伸、斷裂性能和疲勞性能的檢測。結果表明:該新型Ti-Al-Mo-Cr-Zr系高性能低成本鈦合金在不同顯微組織下均具有良好的強度—塑性—韌性—疲勞性能的匹配。其中，雙態組織的該合金具有最高的強度和塑性，但損傷容限性能較低(斷裂韌性稍低，疲勞裂紋擴展速率高);網籃組織的該合金具有良好的斷裂韌性和疲勞強度，疲勞裂紋擴展速率與雙態組織的水平相當;片層組織的該合金具有最為優異的損傷容限性能(最低的疲勞裂紋擴展速率和最高的斷裂韌性)，但疲勞極限、強度和塑性稍低于雙態組織和網籃組織的該合金。

鈦合金;低成本;顯微組織;損傷容限性能

1 前言

近年來，隨著新一代航空航天飛行器大量采用鈦合金來滿足其高減重、長壽命和低成本的設計與應用要求［1－3］，如何降低鈦合金的材料成本、制造成本和全壽命使用成本已成為當前面臨的重要問題。國內外一般采用以較為廉價的合金元素代替昂貴的合金元素或降低鈦合金的加工制造成本這兩種方法來降低鈦合金的成本［4－7］。但目前國內外低成本鈦合金主要應用在綜合性能要求不高的汽車、兵器和體育等民用或非航空領域，至今仍沒有應用在對綜合性能(高斷裂韌性、低疲勞裂紋擴展速率、高疲勞性能等)要求較高的航空領域。為此，北京航空材料研究院采用低成本合金化和綜合強韌化技術，成功研制出一種具有我國自主知識產權的、綜合性能較好的 Ti-Al-Mo-Cr-Zr系低成本鈦合金［3－4］。該合金成本低，且具有良好的強度—塑性—韌性匹配和優異的抗疲勞性能［3］，可滿足航空關鍵承力構件的應用。

針對北京航空材料研究院研制的該新型 Ti-Al-Mo-Cr-Zr系航空用低成本鈦合金，研究了雙態組織、片層組織及網籃組織3種典型顯微組織對力學性能，特別是損傷容限性能(斷裂韌性和疲勞裂紋擴展速率等)的影響規律，為其應用提供理論基礎和試驗依據。

2 實驗

針對該新型 Ti-Al-Mo-Cr-Zr系低成本鈦合金，分別采用兩相區鍛造+普通退火、兩相區鍛造+準β退火、準β鍛造+普通退火工藝獲得了典型的雙態組織、片層組織和網籃組織，考察了該合金這3種不同類型顯微組織的拉伸性能、斷裂韌性、疲勞裂紋擴展速率和高周疲勞性能，研究了顯微組織的類型對該合金作為飛機結構件的關鍵性能，如強度、塑性、韌性、疲勞性能等的影響規律。

實驗采用JSM－5600LV型掃描電子顯微鏡對顯微組織和斷口進行了觀察，利用INSTRON 5887型電子萬能試驗機測試合金的室溫拉伸性能，利用MTS810型熱機疲勞試驗機測試該合金的斷裂韌性和疲勞裂紋擴展速率，利用QBG－50KN型高頻疲勞試驗機測試光滑試樣的高周疲勞極限。

3 結果與分析

3.1 典型顯微組織特征

通過不同熱工藝試制的該新型低成本鈦合金的3種典型顯微組織形貌如圖1所示。其中，雙態組織中的等軸狀初生α相含量約40%(見圖1a);片層組織中的β晶界完整清晰，晶內α相呈細片狀排列(見圖1b);網籃組織的β晶界破碎，晶內α相呈短棒狀交錯分布，編織成網籃狀結構(見圖1c)。

圖1 新型低成本鈦合金的典型顯微組織Fig.1 The typical microstructures of the new low cost titanium alloy

3.2 不同顯微組織對強度與塑性的影響

表1為新型低成本鈦合金不同顯微組織的室溫拉伸性能。從表1可以看出，顯微組織為雙態組織的該合金強度和塑性最好，網籃組織次之，片層組織性能稍差。造成其拉伸性能差異的原因主要與變形機理有關，雙態組織具有較短的滑移間距，片層組織具有較大的垂直滑移間距，而網籃組織則介于兩者之間。

表1 新型低成本鈦合金不同顯微組織的室溫拉伸性能Table 1 Room-temperature tensile properties of new titanium alloy with different microstructure types

3.3 不同顯微組織對損傷容限性能的影響

表2為新型低成本鈦合金不同顯微組織的損傷容限性能。

表2 新型低成本鈦合金不同顯微組織的損傷容限性能Table 2 Damage-tolerance properties of new titanium alloy with different microstructure types

從表2可以看出，3種不同類型顯微組織的新型鈦合金均具有較高的斷裂韌性，其中，雙態組織的斷裂韌性最低，但也達到了60 MPa·m1/2，片層組織的斷裂韌性最高，達到了119 MPa·m1/2，這是由于片狀組織中α片層集束的不同取向阻礙了裂紋擴展，當裂紋穿越束界時改變方向，導致裂紋分叉和二次裂紋萌生，這些過程需消耗更多的能量，導致斷裂韌性提高;而雙態組織裂紋擴展途徑平直，分支少，裂紋在擴展過程中無需很多能量，導致斷裂韌性較低。

從表2還可以看出，3種不同類型顯微組織的鈦合金均具有優異的抗高周疲勞性能，疲勞極限均高于700 MPa，且顯微組織為雙態組織和網籃組織的高周疲勞極限水平相當，為片層組織的略低。鈦合金的高周疲勞性能主要與顯微組織對裂紋萌生密切相關，通常組織越細小、初生α相比例越大，裂紋萌生抗力越大，高周疲勞極限越高。雙態組織含有一定數量的初生α相，增加了裂紋萌生抗力;網籃組織具有組織細密、短棒狀α相短小的特點，在位錯滑移方面有所補償，因此其裂紋萌生抗力與雙態組織相當。

從表2還可知，顯微組織為片層組織的該低成本鈦合金具有最低的疲勞裂紋擴展速率，而為雙態組織和網籃組織的疲勞裂紋擴展速率相當。組織類型不同的鈦合金的疲勞裂紋擴展速率曲線如圖2所示，可以看出，在低速擴展區網籃組織的擴展速率低于雙態組織，在中速擴展區雙態組織和網籃組織疲勞裂紋擴展速率差別不大，而片層組織的疲勞裂紋擴展速率遠低于雙態組織和網籃組織。疲勞裂紋擴展速率主要與顯微組織對疲勞裂紋擴展抗力的影響有關，通常組織越粗大，裂紋擴展抗力越大，疲勞裂紋擴展速率越低，因此片層組織具有最低的疲勞裂紋擴展速率。

圖2 新型低成本鈦合金不同顯微組織的疲勞裂紋擴展速率Fig.2 Fatigue crack propagation rate of new titanium alloy with different microstructure types

3.4 不同顯微組織的斷口分析

圖3為新型低成本鈦合金不同顯微組織的疲勞裂紋擴展試樣的斷口宏觀形貌。相比之下，片層組織試樣的斷口表面粗糙程度最大，雙態組織試樣的斷口表面最為平滑細膩，而網籃組織試樣的斷口表面粗糙度居中。根據 V.Sinha等人［8］的研究結果，在應力比較低(R=0.1)的情況下，裂紋表面粗糙度增加了裂紋擴展初期的裂紋閉合效應，降低了長裂紋的擴展速率。同時，試樣斷面的粗糙程度也間接地反映了疲勞裂紋擴展路徑的曲折程度。由圖3可知，片層組織試樣表面顆粒感最強，表面積也最大，裂紋擴展路徑最為曲折，擴展長度最長，也就是說其擴展穿越了更多的組織，必然消耗更多的能量，減緩了裂紋擴展速度。

圖3 新型低成本鈦合金不同顯微組織的疲勞裂紋擴展試樣斷口Fig.3 Macroscopic features of fatigue crack propagation of new titanium alloy with different microstructure types

圖4為新型低成本鈦合金不同顯微組織的疲勞裂紋擴展試樣斷口的微觀形貌。從圖4可以看出，裂紋萌生擴展初期，片層組織試樣的疲勞臺階、擴展棱線最為明顯，網籃組織試樣次之，而雙態組織試樣的疲勞臺階則不明顯，擴展棱線非常細小，上述特征與圖2中疲勞裂紋擴展速率曲線前段趨勢相對應。網籃組織試樣裂紋擴展初期斷面較雙態組織粗糙，可見類似條束狀特征，擴展中后期微觀特征與雙態組織試樣比較接近，中期呈細小河流花樣擴展，擴展棱線不明顯，可見疲勞條帶;隨著擴展速率的加快，后期河流花樣逐漸消失，疲勞條帶逐漸變寬，出現二次裂紋，并逐漸可見韌窩特征。片層組織擴展中期可見顆粒狀表面，表面疲勞條帶切過片層條束，可見較多二次裂紋;后期平面特征逐漸消失，可見明顯的疲勞條帶和大量二次裂紋。對于片層組織，疲勞裂紋擴展路徑比較曲折，主要以垂直和平行于片狀α相的長軸方向擴展。穿越片狀α相需要消耗更多的能量，同時二次裂紋的產生，使得裂紋前沿的應力集中程度減弱，消耗了大量的應變能，對于延遲主裂紋的擴展有益。

圖4 新型低成本鈦合金3種典型的顯微組織的疲勞裂紋擴展試樣斷口微觀形貌(a)(e)(i)源區形貌;(b)(f)(j)擴展前期;(c)(g)(k)擴展中期;(d)(h)(l)擴展后期Fig.4 Microscopic features of fatigue crack propagation with different microstructure types

4 結論

北京航空材料研究院研制的該新型Ti-Al-Mo-Cr-Zr系航空用高性能低成本鈦合金3種不同的顯微組織均具有良好的強度—塑性—韌性—疲勞性能匹配。其中，片層組織具有最為優異的損傷容限性能(最低的疲勞裂紋擴展速率和最高的斷裂韌性);雙態組織具有最高的強度和塑性，但損傷容限性能較低(斷裂韌性稍低，疲勞裂紋擴展速率高);網籃組織具有良好的斷裂韌性和疲勞性能，疲勞裂紋擴展速率與雙態組織水平相當。

［1］顏鳴皋，吳學仁，朱知壽.航空材料技術的發展現狀與展望［J］.航空制造技術，2003(12):19－25.

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［3］朱知壽，商國強，王新南，等.低成本高性能鈦合金研究進展［J］.鈦工業進展，2012，29(6):1－5.

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Research of the Relationship Between Microstructure and Damage-Tolerance Property of New Low Cost Titanium Alloy in Aviation Applications

Wang Xinnan，Fei Yue，Liu Zhou，Shang Guoqiang，Li Jun，Zhu Liwei，Zhu Zhishou
(Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China)

The typical microstructure characteristics and the crack propagation process of a new kind of low cost Ti-Al-Mo-Cr-Zr system titanium alloy in aviation applications were observed and analyzed by scanning electron microscopy(SEM).The tensile，toughness and fatigue properties of the new alloy under different microstructure types were detected.The results show that the new kind of low cost Ti-Al-Mo-Cr-Zr system titanium alloy has good strength-plastictoughness-fatigue properties matching under different microstructure types.The titanium alloy of bi-modal structure has the highest strength and ductility，but has the slowest damage-tolerance property.And basket structure has higher toughness property and fatigue limit，of which the fatigue crack propagation rate has the same level of bi-modal structure，lamellar structure has the highest damage-tolerance property，of which the fatigue limit，strength and ductility is lower than bi-modal and basket structure.

titanium alloy;low cost;microstructure;damage-tolerance properties

2013－01－27

王新南(1980—)，女，工程師。