航空大型構(gòu)件高強(qiáng)高韌鈦合金的研究

航空大型構(gòu)件高強(qiáng)高韌鈦合金的研究

鈦和鈦合金具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于航空、航空航天、車輛安裝和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域。近年來,隨著航空航天業(yè)對(duì)高強(qiáng)度、高斷裂韌性的新型結(jié)構(gòu)鈦合金的需要越來越迫切,因此研究具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),能夠替代超高強(qiáng)度鋼并用于航空大型結(jié)構(gòu)件的新型高強(qiáng)高韌鈦合金得到世界各國的重視。高強(qiáng)高韌鈦合金一般指抗拉強(qiáng)度在1000MPa以上,斷裂韌性在55MPa·m1/2以上的鈦合金。表1為幾種典型高強(qiáng)鈦合金的概況,其中國外的高強(qiáng)高韌鈦合金主要為美國的Ti-1023,俄羅斯的BT22合金,以及新型的Timetal555合金和VST55531合金,而中國的高強(qiáng)高韌鈦合金則為TB2和TB10合金等。高強(qiáng)高韌鈦合金一般都為β鈦合金,組織以β相為主。這是因?yàn)棣骡伜辖鹪诠倘芴幚硐碌睦涑尚托院痛阃感暂^好,合金時(shí)效后析出次生α相(αs)可大幅度提高合金強(qiáng)度。1國外高強(qiáng)高韌鈦合金1.1ti-1083和tc4的鑄造性能Ti-1023(Ti-10V-2Fe-3Al)合金是美國Timet公司于1971年研制成功,迄今為止應(yīng)用最為廣泛的一種高強(qiáng)韌近β鈦合金。Ti-1023的成功應(yīng)用應(yīng)歸結(jié)于它是一種高結(jié)構(gòu)效益、高可靠性和低制造成本的鍛造鈦合金。為了提高合金的鍛造性能和斷裂韌性,要求合金中Fe的含量低于2%,O的含量限制在0.13%以下。在同等強(qiáng)度等級(jí)下,合金在兩相區(qū)固溶處理得到的組織具有良好的塑性。合金經(jīng)熱處理后其Rm為965~1310MPa,KIC為99~33MPa·m1/2,有較好的強(qiáng)韌性匹配關(guān)系。Ti-1023之所以能夠作為大型鍛件用于結(jié)構(gòu)材料中,主要因?yàn)楹辖鹁哂辛己玫腻懺煨阅?。Boyer將Ti-1023與TC4的鍛造流變應(yīng)力進(jìn)行比較,表明在使用相同的鍛造設(shè)備和模具時(shí),Ti-1023更易于變形。換言之,Ti-1023比TC4可以在更低的溫度下模鍛,而鍛后經(jīng)熱處理還可獲得更佳的性能。在不同的鍛造工藝和熱處理?xiàng)l件下,Ti-1023合金形成不同的α相和ω相:固溶處理水冷,生成水冷ω相;β區(qū)水冷經(jīng)低于450℃時(shí)效,生成等溫ω相;時(shí)效溫度超過400℃的時(shí),均勻α相在等溫ω相上形核;經(jīng)過連續(xù)時(shí)效處理,α相轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的短針狀片層,均勻分布在β基體上;兩相區(qū)固溶生成晶界α相。該合金由于含有2%Fe,在熔煉時(shí)容易因成分偏析產(chǎn)生“β斑點(diǎn)”?！唉掳唿c(diǎn)”實(shí)際上是一種β轉(zhuǎn)變溫度比基體低的富Fe區(qū),當(dāng)在稍微低于基體轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行熱處理時(shí)就會(huì)發(fā)生偏析問題。Ti-1023合金的出現(xiàn)填補(bǔ)了具有高強(qiáng)度,高斷裂韌性和高淬透性結(jié)構(gòu)鈦合金的空白。用該合金代替TC4合金可以減重20%,用它代替30CrMnSiA時(shí),可減重40%。它能提供中、高強(qiáng)和高韌性的棒材、板材或截面達(dá)125mm厚的鍛件。現(xiàn)已應(yīng)用于波音777客機(jī)起落架轉(zhuǎn)向架梁,歐洲空客公司制造的載客量達(dá)500人以上的世界最大的客機(jī)A380的主起落架支柱。1.2bt2c合金B(yǎng)T22(Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr)合金是蘇聯(lián)在20世紀(jì)70年代研制成功的一種高合金化、高強(qiáng)度近β型鈦合金。研究結(jié)果表明合金中添加5%Mo,5%V以及少量的Fe和Cr,即可穩(wěn)定β相,在長時(shí)間加熱時(shí),其中包括在350℃下長時(shí)間應(yīng)力加熱也不致引起共析轉(zhuǎn)變脆化。同時(shí)少量的Fe和Cr還可以解決合金熔煉時(shí)制備中間合金的問題以及解決減少合金化元素沿鑄錠偏析問題。BT22合金退火狀態(tài)下的組織含有各約50%的α和β相,退火狀態(tài)下的強(qiáng)度是現(xiàn)有合金中退火強(qiáng)度最高的。固溶溫度一般在690~780℃,時(shí)間1~2h,時(shí)效溫度480~560℃,時(shí)間8~16h。退火后的Φ140mm~250mm鍛件Rm為1080~1280MPa,KIC為65MPa·m1/2。合金在(α+β)兩相區(qū)水冷并時(shí)效強(qiáng)化的合金,其組織由α相(α相的量決定于水冷溫度)和彌散強(qiáng)化的β固溶體組成。合金具有強(qiáng)度高,韌性高,塑性好以及焊接性能優(yōu)良等特點(diǎn),截面淬透深度高達(dá)250mm,主要用于大型鍛件和大型整體構(gòu)件。俄羅斯的Su-27,伊爾IL-76、和圖-204等主干線客機(jī)和重型運(yùn)輸機(jī)的機(jī)體和起落架的大型承力構(gòu)件和部件中均使用了BT22鈦合金鍛造構(gòu)件。BT22合金既可用于制造在350~400℃下長期工作的機(jī)身、機(jī)翼受力件及操作系統(tǒng)等的緊固件,也可用于制造工作溫度不高于350℃的發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇盤和葉片等。但BT22合金的強(qiáng)度范圍只能限定在1100~1300MPa,并不能進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度。1.3ti-15-3合金的熱性能β-21S合金(Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si)是美國Timet公司在1989年為麥道公司提供一種用于航天飛機(jī)的鈦金屬基復(fù)合材料中所需的抗氧化箔材而開發(fā)的亞穩(wěn)β型鈦合金。合金最顯著的特點(diǎn)就是在成分中添加了0.2%Si,用以提高合金的高溫性能。該合金具有良好的冷變形能力,冷軋變形量達(dá)72%~85%,抗氧化性比Ti-15-3合金高100倍,高溫性能優(yōu)于其他β型鈦合金。該合金的典型固溶處理制度為850℃固溶處理30min空冷,組織為等軸的β晶粒。固溶后的合金的時(shí)效溫度一般在480~595℃,時(shí)效時(shí)間為8~24h,其Rm為1150~1350MPa,A為6%~8%。由于β-21S合金具有良好的高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能,適于用于發(fā)動(dòng)機(jī)襯套和噴管等,還可用作金屬基復(fù)合材料的基體、鑄件等。β-21S合金中合金元素含量高達(dá)21%,尤其是合金中高熔點(diǎn)組元Mo和Ni的含量高達(dá)17.7%(含15%Mo和2.7%Nb),在鑄錠熔煉中,若爐料和熔煉工藝選擇不當(dāng),極易造成鑄錠成分不均或高熔點(diǎn)組元的偏析或夾雜。1.4航空彈簧的強(qiáng)度β-C合金(Ti-8V-6Cr-4Mo-4Zr-3Al)是由美國RMI公司于1969年研制成功,并于1971年申請(qǐng)專利的亞穩(wěn)β鈦合金。合金的典型熱處理工藝退火或固溶處理溫度在816~927℃,保溫15~30min,空冷;時(shí)效溫度454~538℃,保溫時(shí)間4~24h,空冷。Rack指出,該合金經(jīng)過927℃固溶處理,600℃,8h時(shí)效后,強(qiáng)度達(dá)到1200MPa,斷裂韌性KIC為66MPa·m1/2。Wagner和Gregory研究表明,通過927℃固溶,440℃,72h+500℃,16h雙重時(shí)效處理,合金強(qiáng)度可達(dá)到1400MPa,斷裂韌性KIC為58MPa·m1/2。該合金具有較高的強(qiáng)度、韌性、低的彈性模量和較好的耐蝕性,并廣泛應(yīng)用于航空彈簧、高強(qiáng)緊固件、扭力桿、箔材蜂窩結(jié)構(gòu)。盡管β-C合金在經(jīng)過雙重時(shí)效后強(qiáng)度和斷裂韌性可以達(dá)到較高的水平,但其長時(shí)間的時(shí)效制度并不適合于大型鍛件生產(chǎn)。同時(shí)由于合金元素含量較高,造成其變形抗力較高,也不適用于大型鍛件的生產(chǎn)。1.5u2003與ti-1083異構(gòu)異構(gòu)材料的性能對(duì)比Timetal555(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.6Fe)合金,亦稱Ti5553,是美國Boeing公司和俄羅斯VSMPO公司在BT22合金基礎(chǔ)上,通過添加Cr的含量而共同研制的一種新型高強(qiáng)亞穩(wěn)β鈦合金。合金設(shè)計(jì)的初始目的即用于飛機(jī)上的大型鍛件,且具有優(yōu)異的高強(qiáng)度與高韌性,其強(qiáng)度可達(dá)1517MPa,從而替代Ti-1023合金在Boeing777的主起落架的應(yīng)用。與Ti1023合金相比,Timetal555合金經(jīng)固溶處理空冷后,其淬透深度可達(dá)150mm,而Ti-1023合金熱處理需經(jīng)水淬且淬透面厚度僅為76mm。Fanning等對(duì)Timetal555合金與Ti-1023合金、BT22合金的性能進(jìn)行了對(duì)比(表2),Timetal555合金的強(qiáng)度-塑性-韌性的匹配要優(yōu)于現(xiàn)有的Ti-1023與BT22合金,較高的淬透性更適合于大型鍛件進(jìn)行熱處理。Harper等指出Timetal555合金經(jīng)熱處理后有兩種典型的組織,分別為片層和雙態(tài)組織。合金經(jīng)β相區(qū)固溶處理后,組織為片層或雙片層組織;經(jīng)(α+β)相區(qū)固溶處理后,組織為雙態(tài)組織。美國使用Timetal555合金做成了1∶1的飛機(jī)起落架,將該合金列為Boeing777飛機(jī)起落架轉(zhuǎn)向架橫梁。1.6試驗(yàn)條件及時(shí)效處理制度俄羅斯新設(shè)計(jì)的VST55531(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr)合金是俄羅斯VSMPO與歐洲空客公司聯(lián)合開發(fā)應(yīng)用于飛機(jī)A380的一種新型鈦合金。VST55531合金在(α+β)兩相區(qū)終鍛,固溶溫度790℃,保溫3h,空冷,時(shí)效溫度560℃,保溫8h,其抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)1350MPa,屈服強(qiáng)度1255MPa,延伸率10.5%,斷裂韌性可達(dá)51.5MPa·m1/2。合金成分中不含有Fe元素,使得合金在熔煉過程中避免了存在富Fe偏析而導(dǎo)致的β斑。該合金具有良好的斷裂韌性和高強(qiáng)度匹配特點(diǎn),合金亦有良好的淬透性,因此比較適用于機(jī)翼/吊掛接頭、起落架以及起落架/機(jī)翼接頭等要求高強(qiáng)高韌的零件。國內(nèi)學(xué)者也對(duì)VST55531進(jìn)行了初步的研究,結(jié)果表明:試驗(yàn)條件,VST55531合金的優(yōu)化制度為820℃固溶1h空冷,580℃時(shí)效4h空冷,其抗拉強(qiáng)度可達(dá)1370MPa,屈服強(qiáng)度1340MPa,延伸率9.0%。合金組織主要為20%左右的等軸αp和時(shí)效析出彌散狀的αs相。經(jīng)過時(shí)效處理后,隨著時(shí)效溫度的提高,VST55531合金的延伸率和斷面收縮率提高,時(shí)效析出的αs相數(shù)量增多且粗化聚集,導(dǎo)致合金強(qiáng)度下降。2國內(nèi)高強(qiáng)高韌鈦合金2.1固溶過程及鋁合金的應(yīng)用中國的高強(qiáng)鈦合金發(fā)展也比較早,20世紀(jì)60年代初期北京有色金屬研究院研制出了Ti-5583(Ti-3Al-5Mo-5V-8Cr)合金,研制工作和應(yīng)用取得了較大的進(jìn)展,并于1969年列入冶金部標(biāo)準(zhǔn),牌號(hào)為TB2。TB2合金主要通過Mo,Cr和V穩(wěn)定β相,同時(shí)V的添加有益于提高合金的塑性。典型的熱處理工藝為固溶溫度在稍高于β相變點(diǎn)(800±10)℃,保溫3~30min,空冷;時(shí)效溫度(500±10)℃、保溫時(shí)間8~24h,空冷或爐冷。TB2合金經(jīng)該工藝處理后,其時(shí)效后的Rm在1100~1200MPa,A在12%左右。該合金在固溶處理狀態(tài)下具有良好的冷成形性能和焊接性能,在固溶時(shí)效狀態(tài)下具有高的強(qiáng)度和良好的塑性相匹配。但這種合金作為大型鍛件時(shí),鍛造抗力較大,需要在1000℃的高溫下鍛造,但也難以保證整個(gè)截面獲得足夠的變形量。TB2合金是在我國人造衛(wèi)星上作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的第一個(gè)高強(qiáng)度鈦合金,該合金主要用于星箭連接帶已在我國各種型號(hào)的衛(wèi)星上使用了20多次,至今仍在使用。同時(shí)該合金制作的鉚釘、緊固件、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體也應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。2.2高強(qiáng)高韌鈦合金北京有色金屬研究總院在對(duì)TB2合金改造的基礎(chǔ)上,通過降低Cr含量,自主研制了高強(qiáng)高韌近β型鈦合金Ti-3Al-5Mo-5V-2Cr,合金牌號(hào)TB10。該合金中β穩(wěn)定元素總含量在臨界濃度附近,使得合金兼有(α+β)合金和亞穩(wěn)定β型合金的性能特征,具有比強(qiáng)度高,斷裂韌度好等特點(diǎn)。為了獲得合金良好的綜合性能,一般采用兩相區(qū)固溶加二次時(shí)效的方法,其典型熱處理工藝為固溶溫度750~770℃,保溫30~60min,水淬;時(shí)效處理500~540℃,保溫8h,空冷及時(shí)效處理600~620℃,保溫30min,空冷。TB10合金鍛件經(jīng)該工藝處理后,其Rm可達(dá)1110MPa,KIC為70.5MPa·m1/2。TB10合金主要用于航天結(jié)構(gòu)件,也可用于制造飛機(jī)機(jī)身和機(jī)翼結(jié)構(gòu)中的鍛造零件。3存在問題及發(fā)展趨勢由于航空航天業(yè)需要輕質(zhì)的高強(qiáng)高韌鈦合金,因此高強(qiáng)高韌鈦合金就成為各國爭相研究的鈦合金系列之一。但現(xiàn)有鈦合金的強(qiáng)度和韌性匹配不能滿足航空要求,而且合金成本太高,合金性能對(duì)工藝參數(shù)敏感等問題使其應(yīng)用受到了一定限制。高強(qiáng)高韌鈦合金的拉伸延性低和可鍛性差也限制了其作為大型鍛件在航空航天領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。綜合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及高強(qiáng)高韌鈦合金所存在的問題,作者分析認(rèn)為高強(qiáng)高韌鈦合金的發(fā)展目標(biāo)及趨勢主要為:1.發(fā)展研制Rm≥1300MPa,KIC≥55Pa·m1/2具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型高強(qiáng)高韌鈦合金?，F(xiàn)有高強(qiáng)高韌鈦合金的強(qiáng)韌性匹配仍不如現(xiàn)有高強(qiáng)韌鋼(現(xiàn)有超高強(qiáng)合金鋼的強(qiáng)度可達(dá)1500MPa以上),限制了鈦合金的應(yīng)用。隨著對(duì)鈦合金性能要求的提高,發(fā)展Rm≥1300MPa,KIC≥55Pa·m1/2的鈦合金是以后高強(qiáng)高韌鈦合金發(fā)展的主要趨勢。2.發(fā)展Ti-Al-Mo-V-Cr系高強(qiáng)高韌鈦合金,通過調(diào)整合金元素種類及含量的提高和進(jìn)一步優(yōu)化合金性能。研究發(fā)現(xiàn)目前高強(qiáng)高韌鈦合金的成分基本以Ti-Al-Mo-V-Cr系為主,通過添加合金元素Fe或Zr提