新型高性能鈦合金研究與應用

朱知壽，王新南，商國強，費　躍，祝力偉，李明兵，李　靜，王　哲

(北京航空材料研究院 先進鈦合金航空科技重點實驗室， 北京 100095)

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新型高性能鈦合金研究與應用

朱知壽，王新南，商國強，費躍，祝力偉，李明兵，李靜，王哲

(北京航空材料研究院 先進鈦合金航空科技重點實驗室， 北京 100095)

隨著鈦合金在我國航空、航天、兵器、海洋和化工等領域用量和應用范圍的不斷擴大，對鈦合金高綜合力學性能、低成本和加工工藝性能提出了更加苛刻的要求。通過基于組織參數設計的合金化、細晶強化、相變強化和強韌化工藝控制等綜合強韌化技術，研制出具有高強韌、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，是擴大鈦合金在高端領域的用量與應用水平，實現產業升級轉型，滿足下一代應用需求的重要保障。

新型鈦合金；高綜合性能；強韌化；低成本

受世界經濟的影響，雖然我國海綿鈦產量持續下滑，2015年產量59900噸，為5年來最低，但鈦及鈦合金加工材仍然維持在5萬噸左右的生產規模。這說明我國對鈦及鈦合金用量仍保持需求增長趨勢[1]，這得益于我國航空航天和海洋工程的高端應用拉動、石油化工用量的擴大。同時，我國鈦產業轉型任務艱巨，低端鈦材產能過剩嚴重，另一方面航空航天等高端應用鈦合金成熟度低、規模小、用量少、價格高，與世界發達國家鈦合金高端應用水平和用量差距仍然較大，某些深加工產品仍依賴進口[1-3]。所以，應堅持按體系發展原則的科技創新，發展具有中國特色的新型高性能鈦合金體系，才能實現我國鈦產業由“大國”向“強國”的轉變。

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

本文結合“十二五”期間我國新型鈦合金技術的研究和發展，重點介紹新型高性能鈦合金研究中的幾個關鍵技術，為新型鈦合金研制與綜合應用提供技術參考。

1　按體系發展原則，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

針對我國高端鈦合金仍以仿制為主、自主創新產品很少、“一材多用”的主干材料牌號不多、技術成熟度有待提升等問題[1]，“十五”以來，依托國家有關科研專項的大力支持，依照按體系發展原則，研制出低強高塑(TA18，Ti45Nb)、中高強高韌(TC32)、高強高韌(TC21)、超高強韌(TB17)和損傷容限型(TC4-DT，TC21)等鈦合金系列技術，從而進一步完善自主研發的航空新型鈦合金系列，為建立中國特色的關鍵主干材料體系奠定堅實基礎(見圖1)。

圖1是按鈦合金研發計劃年代(橫坐標)與強韌性匹配性(縱坐標)歸納的新型鈦合金系列發展示意圖，從圖1可以看出，“九五”期間通過突破亞穩β型鈦合金的焊接、熱處理、材料加工和零件成型等關鍵技術，研制成功的TB8超高強度鈦合金，在冷成形、焊接接頭性能、強韌性、抗氧化和耐腐蝕等方面具有非常優異的綜合性能匹配，為我國超高強度高性能鈦合金的研發奠定了一定的基礎。但該合金密度較高，達到了4.9 g/cm3的級別，限制了比強度/比剛度的進一步提升，說明不通過源頭創新就難以達到合金在綜合高性能方面的源頭設計與控制，由此也進一步促進了我國自“十五”以來立足國內自主研發新型高性能鈦合金的創新進程。為此，我國自“十五”以來陸續研制了高強高韌(TC21)、中強高韌(TC4-DT)，中高強高韌(TC32)、超高強韌(TB17)等系列新型高性鈦合金，綜合強韌化的匹配水平也在不斷得到了提升，同時，合金的密度控制在4.6～4.75 g/cm3之間，保證了合金的比強度/比剛度。

圖1　按系列化發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　綜合強韌化技術是發展新型高性能低成本鈦合金技術的主要途徑

圖2是按綜合強韌化技術發展的TC4-DT，TC32，TC21和TB17等新型高性能鈦合金與TC4等傳統鈦合金的強韌性對比情況。從圖中可以看出，當鈦合金由中等強度向高強度、超高強度發展時，面臨的主要問題是斷裂韌度的持續下降。如何在高強度水平下獲得較高的斷裂韌度和塑性等性能，是發展超高強度鈦合金系列的技術關鍵。

圖2　傳統鈦合金與新型主干鈦合金的強度與韌性匹配關系對比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鈦合金在斷裂強度900 MPa級別條件下，其斷裂韌度水平只有50 MPa·m1/2左右，通過進一步降低O和N等間隙元素的純凈化處理和準β熱處理獲得高塑性的片層組織后，獲得了中強高韌損傷容限性的TC4-DT鈦合金，從而擴大了它的應用領域，提高了應用水平。隨著斷裂強度提高到1100 MPa的高強度水平，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計和準β鍛造獲得高塑性網籃組織的綜合強韌化處理后，研制的TC21,TC32高強韌鈦合金，斷裂韌度提高至80 MPa·m1/2以上水平，實測斷裂韌度達到100 MPa·m1/2水平，從而大大提升了我國自主研發新型鈦合金的綜合高性能水平。當合金的斷裂強度水平進一步提高至1200 MPa，以及1350～1500 MPa以上時，合金的斷裂韌度一般會進一步降低，例如，美國最近研制的Ti55531鈦合金，通過固溶時效強化途徑把斷裂強度提高至1240 MPa以上時，斷裂韌度只有33 MPa·m1/2水平。為此，“十二五”以來，我國進一步在更高強度水平下，研發了1350 MPa超高強度級別條件下的綜合強韌化匹配技術，從而使鈦合金(例如TB17)的斷裂韌度達到50～70 MPa·m1/2水平，為發展超高強韌鈦合金奠定技術基礎。

3　綜合強韌化技術在研制與發展新型超高強韌鈦合金的關鍵作用

鈦合金強韌化方法與技術很多，適合獲得綜合強韌化效果和工藝匹配的主要強韌化技術主要包括“臨近鉬當量條件下的多元合金化”、基于組織參數設計的強韌化工藝[4-5]、細晶強化[6-12]、固溶時效(相變強化)[13-14]等。

3.1臨近鉬當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度隨Mo當量的提高存在增加的趨勢圖。從圖3可知，通過合金化設計，隨著Mo當量的提高，合金的強度水平存在一個持續提高的趨勢，但當Mo當量提高至15以上時，合金強度開始下降、合金密度也會升高，所以，如何采用合理的合金化技術，獲得最高的比強度和其他綜合性能匹配，是合金化設計研究的技術關鍵。目前，人們采用合金元素電子作用原理、計算機模擬仿真、材料基因組等綜合手段，竭力開發符合材料研發規律又能滿足設計使用的新型鈦合金，取得了一定的可供材料研究人員參考使用的成果?！笆濉币詠?，新材料開發的一個重要課題是基于組織參數設計的強韌化工藝技術研究，是新材料開發和合金應用的關鍵，也是檢驗合金化設計是否合理可行可用的手段。

圖3　鈦合金強度與Mo當量之間的關系Fig.3　Increasing trend map of tensile strength with the increase of Mo equivalent value of titanium alloys

3.2基于組織參數設計的強韌化工藝

改變鈦合金的組織參數主要采用常規兩相區鍛造、近β鍛造、β鍛造和β熱處理等工藝方法。包括近β鍛造工藝在內的常規兩相區鍛造，獲得等軸或雙態組織，一般用于中間坯組織細化和半成品加工，而普通β鍛造及熱處理等工藝均未能在生產中得到實際推廣應用。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、生產中實際控制難、組織與性能穩定性差，特別是對復雜厚截面的飛機結構零件，要想通過普通的β鍛造或β熱處理工藝方法獲得細小均勻的高低倍組織和高塑性的網籃或片層組織就更難了。為此，“十五”以來，針對高強韌鈦合金和中強高韌鈦合金，分別提出了鈦合金準β鍛造和準β熱處理工藝方法，以獲得了綜合性能優良的網籃組織和片層組織，提高了KIC值、降低了疲勞裂紋擴展速率(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β鍛造和準β熱處理工藝，得到了綜合性能良好匹配的網籃組織和片層組織[4-5]，均已經獲得了穩定批量應用。

圖4　采用準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細晶化技術

鈦合金細晶化強韌技術主要通過高溫塑性變形完成。通過調整加熱溫度、加熱時間、變形量等工藝參數，鈦合金實現動態回復再結晶過程，細化β晶粒尺寸[6]。一般情況下，通過細晶強化對鈦合金強度的提高幅度有限，但可以提高合金的塑性，從而為中間坯料的組織準備奠定基礎。例如，Timetal LCB鈦合金β晶粒尺寸在50 μm時，屈服強度為1095 MPa，當β晶粒尺寸在10 μm時，屈服強度為1130 MPa[7]，僅提高35 MPa。國內外學者通過大變形法實現鈦合金超細晶。研究表明[8-11]，當材料變形量足夠大時，就可獲得超細晶材料，大塑性變形方法由于具有能夠制備出大塊致密的材料、工藝簡單、成本低廉等優點而日益引起人們的重視。例如，Semenova等[12]對Ti-6Al-4V采用等通道轉角擠壓(ECAP)進行晶粒細化，得到均勻細小的晶界片狀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晶材料，一般只能提高強度至1360 MPa，但塑性(伸長率為7%)和韌性一般改善不多。

3.4固溶時效(相變強化)處理技術

亞穩定β型鈦合金一般通過固溶時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化相，實現超高強度。鈦合金的固溶時效強化或相變強化[13-14]是高強度鈦合金的主要強韌化手段，是研究的重點。圖6是超高強韌TB17鈦合金經固溶+時效后的顯微組織，其中，時效強韌化主要通過等軸的初生β相獲得一定的塑性、細小的二次析出相獲得強化、片層的次生相提高合金的韌性，再結合納米的三次析出相等進一步提高合金的強度水平，從而獲得1350～1500 MPa的超高強度水平。

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

4　綜合強韌化技術的應用

通過綜合應用強韌化手段，實現鈦合金組織類型控制與組織參數優化設計，從而達到綜合力學性能的最佳匹配。例如，TC32鈦合金是自主研發的新型中高強度高韌性鈦合金[15-17]，采用Cr，Mo合金化獲得固溶強化，通過準β鍛造獲得網籃組織提高斷裂韌度，并采用固溶+時效熱處理以實現析出相強化，進一步提高合金的強度水平，結果表明(見圖6～圖8)，TC32鈦合金具有中高強度(σb≥1000 MPa)、高塑性(δ5≥10%)、高韌性(KIC≥80 MPa·m1/2)、抗高速沖擊、抗疲勞(R=0.1，Kt=1，Nf=10時σD≥700 MPa)、損傷容限(da/dN與TC21相當)等綜合高性能特點，而且具有成本低、工藝簡單等工藝特點，是理想的多領域通用型材料。

圖6　TC32鈦合金的室溫綜合力學性能對比Fig.6　Comparison of synthetical properties among TC32, TA15 and TC4 titanium alloys

圖7　TC32與TC21鈦合金軸向應力疲勞S-N曲線(網籃組織/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沖擊動態真應力-應變曲線(臨界破碎應變率)Fig.8　True stress-strain curves in TC32 alloy with different microstructures at critical strain rate

5　結束語

(1)綜合強韌化是建立中國特色的航空用鈦合金主干材料系列的關鍵途徑。

(2)綜合強韌化技術需要在基于組織類型和組織參數設計基礎上的新型合金化、細晶強化、相變強化和強韌化組織控制等技術之間進行綜合匹配。

(3)通過綜合應用鈦合金的強韌化技術，研制出具有高強韌、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，才能擴大鈦合金在高端領域的用量與應用水平，實現產業升級轉型應用目標。

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(責任編輯：張崢)

Research and Application of New Type of High Performance Titanium Alloy

ZHU Zhishou，WANG Xinnan，SHANG Guoqiang，FEI 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”基礎科研項目(A0520110059)

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

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.3.002

TG146.2

A

1005-5053(2016)03-0007-06