1200 MPa級新型高強韌鈦合金

趙永慶，馬朝利，常 輝，辛社偉，周 廉,

(1.西北有色金屬研究院，陜西 西安710016)(2.北京航空航天大學(xué)，北京 100191)(3.南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京211800)

1200 MPa級新型高強韌鈦合金

趙永慶1，馬朝利2，常 輝3，辛社偉1，周 廉1,3

(1.西北有色金屬研究院，陜西 西安710016)(2.北京航空航天大學(xué)，北京 100191)(3.南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京211800)

隨著飛機結(jié)構(gòu)件用鈦量的大幅度增加，對鈦合金的性能要求也隨飛機設(shè)計概念的改變而改變，在追求鈦合金高強度的同時，也要求合金具有高的韌性。為設(shè)計一種強度高于1200 MPa、斷裂韌性大于65 MPa·m1/2的新型高強高韌鈦合金，在計算合金Mo當(dāng)量的基礎(chǔ)上，合金設(shè)計時綜合考慮了合金元素對α相、β相的強化和韌化的影響，以及微觀組織對強韌性的影響，設(shè)計獲得一種新型高強高韌富β型的鈦合金Ti-5321。實驗室條件下30 kg鑄錠和中試條件下500 kg鑄錠試制的棒材在較理想的顯微組織下，新設(shè)計的合金室溫抗拉強度大于1200 MPa、延伸率大于8%、斷裂韌性大于65 MPa·m1/2，相比于現(xiàn)有高強高韌鈦合金，顯示出明顯優(yōu)勢。

高強韌鈦合金；成分設(shè)計；組織；力學(xué)性能

1 前 言

鈦及鈦合金因比強度高、耐高溫、耐蝕、可焊、無磁等優(yōu)良性能，在國防武器裝備和國民經(jīng)濟(jì)中有著廣泛的用途，其研究和應(yīng)用領(lǐng)域正不斷擴大。鈦合金在飛機和發(fā)動機中的使用量和應(yīng)用水平已成為衡量其先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一。如以蘇-27和F-15為標(biāo)志的第三代戰(zhàn)機用鈦量分別達(dá)到了15%和27%，美國的第四代戰(zhàn)斗機F-22的用鈦量高達(dá)39%。我國航空用鈦量與國外有較大差距，進(jìn)一步提高航空飛行器用鈦量和應(yīng)用技術(shù)水平是目前我國鈦合金研究的主要目標(biāo)之一。隨著飛機結(jié)構(gòu)件用鈦量的大幅度增加，對鈦合金的性能要求也隨飛機設(shè)計者設(shè)計概念的改變而改變。

新型高強鈦合金的開發(fā)給材料工作者帶來了新的課題，即研制具有更高強度韌性匹配的結(jié)構(gòu)鈦合金材料。在損傷容限設(shè)計思想的指導(dǎo)下，我國西北有色金屬研究院已研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、綜合性能優(yōu)異的高強高韌損傷容限鈦合金TC21(強度級別為1100 MPa)[1-2]和中強高韌損傷容限鈦合金TC4-DT(強度級別為850 MPa)[3]，在一定程度上滿足了目前我國航空用損傷容限鈦合金的要求。然而，隨著新一代飛機對合金性能的要求不斷提高，開發(fā)1200 MPa級損傷容限型鈦合金、1300 MPa級高強高韌鈦合金將是結(jié)構(gòu)用鈦合金的重要發(fā)展方向，具有重要應(yīng)用前景[4]。本文針對我國新型飛行器對高強韌鈦合金的應(yīng)用需求，設(shè)計和開發(fā)了一種1200 MPa級的新型高強韌鈦合金，并研究了該合金在實驗室和中試規(guī)模下合金組織和性能。該合金在優(yōu)化的熱處理工藝下強度水平超過1200 MPa，斷裂韌性(KIC)超過65 MPa·m1/2，相對于目前現(xiàn)有的高強韌鈦合金，在強韌性匹配上有一定的優(yōu)勢[5]。

2 實驗材料和方法

在現(xiàn)有的高強韌鈦合金的基礎(chǔ)上，通過多輪篩選，獲得所確定的合金成分。先通過30 kg級的鑄錠進(jìn)行實驗室規(guī)模研究，具體過程為：原料準(zhǔn)備→電極制備→真空自耗電弧爐三次熔煉→30 kg鑄錠→β區(qū)鍛造→α+β區(qū)成品棒材(□70 mm)鍛造→取樣→熱處理→顯微組織觀察、力學(xué)性能測試。之后通過500 kg級鑄錠進(jìn)行中試試驗，工藝過程和30 kg鑄錠相同，最后測試的樣品也來自鍛造的□70 mm的棒材。所有熱處理試樣、拉伸試樣和斷裂韌性試樣都取自該□70 mm的棒料。本文鑄錠的鍛造都是在快鍛機上進(jìn)行，金相組織、SEM組織和力學(xué)性能測試分別是在Zeiss Axio Vert A1光學(xué)顯微鏡、JSM-6460掃描電鏡和Instron 598X系列材料試驗機上進(jìn)行。

3 結(jié)果和分析

3.1 合金設(shè)計

(1)合金設(shè)計背景

提到高強韌鈦合金，以美國開發(fā)的Ti-1023、Ti-15-3、β-21S、Ti-62222s以及前蘇聯(lián)開發(fā)的BT22等為代表的高強鈦合金應(yīng)用最為廣泛，作為航空鍛件應(yīng)用時，這些合金一般用于1000～1200 MPa的強度水平，斷裂韌性大多在45～60 MPa·m1/2之間，進(jìn)一步提高其強度將會使這些合金的塑性、韌性等性能明顯惡化。最近幾年，國外對具有更高強度水平的可用于航空大型結(jié)構(gòu)件的高強鈦合金的研究非常重視。其代表性的合金是在BT22合金的基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計的Ti-5553(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr)及Ti-55531(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr)合金。AIRBUS公司為了滿足A-380飛機一些需要高強度和高斷裂韌性結(jié)合的特殊應(yīng)用場合，比較了VST-55531、Ti-5553、Ti-1023及Ti-62222S等幾種高強鈦合金的性能，并最終選用了Ti-55531合金作為發(fā)動機吊架的銷接結(jié)構(gòu)。BOEING公司聯(lián)合HOWMET及TIMET公司對Ti-5553合金進(jìn)行了研究，并且將其性能同Ti-1023和BT22合金進(jìn)行了比較。結(jié)果表明Ti-5553合金硬化效應(yīng)更高，并且空氣冷卻就可獲得高的淬透深度，適于飛機高強大規(guī)格構(gòu)件的應(yīng)用[6]。除了上述傳統(tǒng)的高強鈦合金，近年來，一些通過新合金設(shè)計及制備方法獲得超高強度的鈦合金研究引起關(guān)注。例如，日本豐田中央研究所開發(fā)了GUM鈦合金，絲材的強度可達(dá)到2000 MPa[7]。另外，通過引入大量的共析元素如Cr，Ni，Co或者添加W元素來強化合金，雖然可以獲得較高的強度，但是應(yīng)用傳統(tǒng)加工方法無法避免合金的脆性[8-10]，所以報道的合金和所謂的合金設(shè)計方法都沒有引起工程應(yīng)用的重視。

近年來在國內(nèi)，高強韌鈦合金的設(shè)計、加工和應(yīng)用都取得了長足的發(fā)展，不但將國外典型高強鈦合金進(jìn)行了國產(chǎn)化，而且創(chuàng)新研制出多種高強鈦合金。典型的如Ti-1023、Ti-15-3、β21S和BT22的國內(nèi)對應(yīng)牌號分別是TB6、TB5、TB8和TC18，這4種合金在國內(nèi)航空領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，并且積累了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，通過對國外相關(guān)高強韌鈦合金的引進(jìn)、吸收和消化后，國內(nèi)相關(guān)科研單位自行研制了多種高強鈦合金，取得了一定的成績。其中最為典型的是TC21合金，這是我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型高強損傷容限鈦合金，其在1100 MPa級強度水平下具有良好的塑性與韌性匹配，已經(jīng)在我國新型飛機上得到應(yīng)用。此外相關(guān)單位還相繼研制出強度水平在1200 MPa的TB10、TB19[11]和強度水平在1300 MPa級的Ti-1300合金[12]，這些合金在極限強度水平下都具有良好的強韌性匹配。

通過上面的論述，可以看出目前現(xiàn)有高強鈦合金可以細(xì)分為兩類，一類是追求更高強度的高強韌鈦合金，這類合金以Ti-5553、Ti-55531和Ti-1300合金為代表，其強度可以達(dá)到1300 MPa級，斷裂韌性(KIC)可以達(dá)到55 MPa·m1/2。另一類是追求更高斷裂韌性的高強韌損傷容限型鈦合金，這類合金以TC21合金為典型代表，其強度可以達(dá)到1100 MPa級，斷裂韌性(KIC)可以達(dá)到70 MPa·m1/2。但在現(xiàn)有高強韌鈦合金的基礎(chǔ)上，同時滿足強度大于1200 MPa，斷裂韌性大于65 MPa·m1/2的合金目前國內(nèi)外尚無明確的報道，現(xiàn)有的合金也都無法滿足該指標(biāo)要求。

(2)新合金的設(shè)計

目前，鈦合金成分設(shè)計的有效方法包括d-電子理論合金設(shè)計法、價電子理論法、電子濃度e/a法 、“團(tuán)簇+連接原子”和Mo當(dāng)量法等多種，其中Mo當(dāng)量法在高強鈦合金成分設(shè)計中應(yīng)用最廣，也最具有實際指導(dǎo)作用。對于鈦合金來說，隨著合金Mo當(dāng)量的增加，在固溶處理時能夠保留的亞穩(wěn)β相的量及其穩(wěn)定性都增加。因此合金的淬透性隨Mo當(dāng)量的升高而升高。從強化機制方面來說，由于亞穩(wěn)β相分解析出的α相的尺寸及數(shù)量決定了合金時效后的強度，所以存在一個Mo當(dāng)量的臨界值。在臨界值之前淬火能夠保留的亞穩(wěn)β相的量隨Mo當(dāng)量的增加而增加，因此時效強化效應(yīng)隨Mo當(dāng)量的升高而升高；在臨界值之后，淬火時能夠以全β組織保留下來，此時由于亞穩(wěn)β相的穩(wěn)定性越高，時效時α相的最大析出量反而越少，因此該條件下合金的時效強化效應(yīng)隨Mo當(dāng)量的升高而降低。基于此考慮，高強結(jié)構(gòu)鈦合金的Mo當(dāng)量選擇應(yīng)該在臨界值附近(約為10)具有最高的強化效率。

在Mo當(dāng)量的基礎(chǔ)上，合金設(shè)計也需綜合考慮元素對α相、β相的強、韌化的影響。β同晶元素Mo，V，Nb，Ta在強化合金的同時，可保持較高的塑性。其中Mo的β穩(wěn)定化效應(yīng)最大；V的添加有益于提高合金的塑性。添加的共析型β穩(wěn)定元素Cr，F(xiàn)e可使合金有高的熱處理強化效果，但在高含量時容易析出化合物，使塑性受到損失。因此合金元素的選擇必須考慮元素的β穩(wěn)定性及含量控制。對于合金的時效強化效應(yīng)而言，在Mo當(dāng)量臨界值之前時效強化效應(yīng)隨Mo當(dāng)量的升高而升高；在臨界值之后，合金的時效強化效應(yīng)隨Mo當(dāng)量的升高反而會降低，但合金的淬透性是隨Mo當(dāng)量的升高而升高。因此綜合考慮合金的固溶強化和時效強化效果，選定Mo當(dāng)量的范圍后，應(yīng)考慮共析型和同晶型β穩(wěn)定元素的比例，從而更好地優(yōu)化固溶強化和時效強化效果，在滿足強度性能指標(biāo)的同時，滿足延伸率指標(biāo)要求。同時，鈦合金的組織形態(tài)對其力學(xué)性能會產(chǎn)生很大的影響，組織結(jié)構(gòu)的微小變化往往導(dǎo)致合金性能的巨大差異。如何通過熔煉、鍛造和熱處理使合金的組織最佳也是獲得高強/高塑性能匹配的技術(shù)關(guān)鍵。

基于上述原則，在前期高強韌鈦合金設(shè)計試驗的基礎(chǔ)上，以西北有色金屬研究院自主開發(fā)的高強鈦合金Ti-1300、TC21為原型基礎(chǔ)合金，通過選擇合金元素的種類和權(quán)重，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度設(shè)計、材料研究之間的關(guān)系，設(shè)計了多種亞穩(wěn)β系高強高韌鈦合金，通過多輪篩選，最終獲得一種新型高強韌鈦合金Ti-5321，其主要合金元素有：Ti-Al-Mo-V-Cr-Zr-Nb-Fe。該合金Mo當(dāng)量為11.5，屬于富β型的雙態(tài)合金。試驗室條件下30 kg鑄錠和中試條件下500 kg鑄錠試制棒材的力學(xué)性能測試表明，新型合金可以同時滿足項目目標(biāo)要求的強度和斷裂韌性指標(biāo)，顯示出一定的優(yōu)勢。

3.2 30 kg鑄錠試驗

對30 kg鑄錠進(jìn)行鍛造后獲得□70 mm的方型棒材，然后進(jìn)行力學(xué)性能測試，圖1為合金經(jīng)雙態(tài)區(qū)鍛造后方棒的金相組織。合金組織均勻細(xì)小，特別是α相尺寸極為細(xì)小，這是這類富β型高強韌鈦合金的典型特征，細(xì)小的組織使得合金具有較好的強度，但往往難以獲得較高的斷裂韌性。

圖1 實驗室規(guī)模□70 mm方型棒材鍛態(tài)金相組織Fig.1 Metallograph of forged □70 mm blank for test sample

圖2為合金經(jīng)合適的雙態(tài)區(qū)固溶+時效后的組織，可以看到，該組織遺傳了鍛態(tài)組織的特點，初生α相呈等軸狀，均勻細(xì)小，這種組織往往具備良好的強塑性匹配，在該熱處理條件下，合金σb：1275 MPa，δ5：14.5%，KIC：66 MPa·m1/2，滿足設(shè)計要求。

圖2 實驗室規(guī)模□70 mm方型棒材熱處理后的金相組織Fig.2 Metallograph of test sample after heat treatment

3.3 500 kg鑄錠的中試試驗

對設(shè)計的Ti-5321合金進(jìn)行中試試驗，應(yīng)用真空自耗電弧爐進(jìn)行三次熔煉制備鑄錠，然后采用和30 kg鑄錠相似的鍛造工藝進(jìn)行合金鍛造，制備成□70 mm的方型棒材進(jìn)行顯微組織觀察和力學(xué)性能測試。圖3為合金鍛態(tài)組織，和圖1的組織相似，初生α相呈細(xì)小等軸狀，組織整體均勻性好。

圖3 中試規(guī)模□70 mm方型棒材的鍛態(tài)金相組織Fig.3 Metallograph of forged □70 mm blank for pilot-scale sample

圖4為采用金相法測試的合金初生α相與固溶溫度的關(guān)系。可以看到，合金相變點為860 ℃。從初生α相含量與相變點可以看出該合金屬于雙相富β合金，這類型合金具有良好的加工性能與力學(xué)性能，其和目前的Ti-5553、Ti-55531合金相似，是同一類合金。

圖4 Ti-5321合金初生α相含量與固溶溫度的關(guān)系Fig.4 Fraction of primary α vs. solution temperature for Ti-5321 alloy

圖5是中試規(guī)模鑄錠鍛造的方型棒材在雙態(tài)區(qū)固溶+時效后的顯微組織。可以看出，和圖2相似，合金具有極為細(xì)小的初生α相，這是這類富β合金的特點，這類合金初生α相過于細(xì)小彌散，導(dǎo)致轉(zhuǎn)變β組織中的α片層細(xì)小(圖5b)，雖然具有較好的強度和延伸率匹配，但合金斷裂韌性往往偏低，這是目前高強韌鈦合金強度和斷裂韌性往往無法共同兼顧的主要原因。因此，為兼顧合金強度和斷裂韌性，目前國際上開發(fā)了β退火后緩冷時效(BASCA)的熱處理工藝，應(yīng)用該熱處理工藝，可以獲得一種α片層尺度可控的魏氏體組織(如圖6所示)，這種組織具有較好的斷裂韌性優(yōu)勢，可以兼顧合金的強度、塑性和斷裂韌性。應(yīng)用該工藝熱處理后，合金強度超過1250 MPa, 延伸率超過8%，斷裂韌性超過65 MPa·m1/2，性能全面滿足設(shè)計需求。

圖5 中試規(guī)模鑄錠制備的棒材在雙態(tài)區(qū)固溶+時效處理后的金相組織(a)和SEM照片(b)Fig.5 Metallograph(a) and SEM image(b) of Ti-5321 alloy for pilot-scale sample after heat treatment

4 結(jié) 論

在現(xiàn)有高強韌鈦合金Ti-5553、Ti-55531、TC21和Ti1300合金的基礎(chǔ)上，通過選擇合金元素的種類和權(quán)重，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度設(shè)計，開發(fā)了一種富β相的兩相鈦合金Ti-5321。合金30 kg實驗室規(guī)格和500 kg中試規(guī)格鑄錠加工的棒材，在較為理想的顯微組織下，合金強度大于1200 MPa、延伸率大于8%、斷裂韌性大于65 MPa·m1/2，相比于現(xiàn)有合金，顯示出明顯優(yōu)勢。

圖6 Ti-5321合金經(jīng)BASCA熱處理后的金相組織Fig.6 Metallograph of Ti5321 alloy after BASCA heat-treatment

致謝本文的試驗過程，得到西北有色金屬研究院鈦合金研究所周偉高工、李倩高工及黃朝文博士研究生的大力幫助，在此一并表示感謝！

References

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(本文為本刊約稿，編輯 惠 瓊)

New High Strength and High Toughness Titanium Alloy with 1200 MPa

ZHAO Yongqing1, MA Chaoli2, CHANG Hui3, XIN Shewei1, ZHOU Lian1,3

(1.Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016, China) (2.Beihang University, Beijing 100191, China) (3.Nanjing Tech University, Nanjing 211800, China)

Ti usage in airplane is obviously increasing, the requirements for Ti-alloys are changing to high strength and high toughness with the changing of airplane design concept. In order to design a new Ti-alloy with tensile strength over 1200 MPa and fracture toughness over 65 MPa·m1/2, the following factors should be paid attention to: Mo equivalent, effects of alloying elements and microstructures on strength and toughness of α phase and β phase. A new Ti alloy named as Ti-5321 was designed, which is a rich-βalloy. Bars were forged from 30 kg and 500 kg ingots. With the ideal microstructure, the bars of the new alloy have a good match between strength and toughness, that is , tensile strength over 1200 MPa, elongation over 8% and fracture toughness over 65 MPa·m1/2. Compared with the TC21, Ti-5553 and Ti-55531 alloy, the new alloy possesses obvious advantages.

titanium alloy with high strength and high toughness; alloy design; microstructure; mechanical properties

2016-10-18

國家國際科技合作專項項目(2015DFA51430)；陜西省海洋金屬材料創(chuàng)新團(tuán)隊(2016KCT-27)

趙永慶，男，1966年生，教授，博士生導(dǎo)師， E-mail: trc@c-nin.com

10.7502/j.issn.1674-3962.2016.12.05

趙永慶

TG146.23

A

1674-3962(2016)12-0914-05