航空結(jié)構(gòu)用新型高性能鈦合金材料技術(shù)研究與發(fā)展 - 朱知壽 -

1、 AERONAUTICAL SCIENCE & TECHNOLOGY52012/1 航空科學(xué)技術(shù)0 引 言為了確保飛機(jī)的安全使用壽命,進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)重量,提高飛機(jī)的戰(zhàn)斗力和舒適度,降低飛機(jī)的燃油消耗和使用成本,先進(jìn)的破損-安全的設(shè)計理念和損傷容限設(shè)計理念在現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到了成功的應(yīng)用。作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料的鈦合金材料,不再追求單一高強(qiáng)度,而要求鈦合金結(jié)構(gòu)材料不僅具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、高韌、低裂紋擴(kuò)展速率,還要有低的缺口敏感性、良好的耐環(huán)境穩(wěn)定性、長的疲勞壽命和抗損傷能力以及良好的抗應(yīng)力腐蝕與抗氫脆能力等更高的綜合性能1-2。為了滿足新一代飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)的大尺寸、高減重、長壽命和低成本的設(shè)計

2、與應(yīng)用需求,采用高性能損傷容限型鈦合金材料及其應(yīng)用技術(shù)是重要途徑之一,國外發(fā)達(dá)國家在新型損傷容限型鈦合金材料與應(yīng)用方面已有了很大航空結(jié)構(gòu)用新型高性能鈦合金材料技術(shù)研究與發(fā)展導(dǎo)讀:大量采用先進(jìn)鈦合金材料及其應(yīng)用技術(shù),不僅可以大幅度改善結(jié)構(gòu)減重效果,而且可以延長使用壽命、提高安全可靠性,因此成為了新一代飛機(jī)和新型發(fā)動機(jī)先進(jìn)性的顯著標(biāo)志之一。本文分析了我國鈦合金加工材料的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的主要問題,提出了采用自主創(chuàng)新和按體系發(fā)展是實(shí)現(xiàn)我國航空鈦合金材料及應(yīng)用技術(shù)立足國內(nèi)自主保障的關(guān)鍵途徑,指出了材料創(chuàng)新和工藝技術(shù)創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)航空結(jié)構(gòu)鈦合金從單一高性能到綜合高性能跨越、提升技術(shù)成熟度以及向規(guī)模化、穩(wěn)定化和

3、低成本化發(fā)展的技術(shù)保障。關(guān)鍵詞: 鈦合金;航空結(jié)構(gòu)應(yīng)用;損傷容限;組織控制技術(shù);鍛造;熱處理Keywords :titanium alloys ;aeronautical applications ;damage tolerance ;microstructure control ; forging ; heat treatment朱知壽/北京航空材料研究院先進(jìn)鈦合金航空科技重點(diǎn)試驗室Research and Development of Advanced New Type Titanium Alloys for Aeronautical Applications率、成本控制、綜合性能和應(yīng)用水

4、平,建立關(guān)鍵主干材料技術(shù),完善具有中國特色的航空結(jié)構(gòu)用鈦合金材料體系,提升自主保障能力,是提高新型鈦合金在航空工業(yè)用量的重要推動力和技術(shù)保障。本文主要敘述了我國航空結(jié)構(gòu)用新型鈦合金材料及其應(yīng)用技術(shù)方面的研究進(jìn)展,重點(diǎn)探討新型損傷容限型鈦合金的材料特點(diǎn)、性能水平和應(yīng)用前景,并與國外航空鈦合金材料技術(shù)進(jìn)行對比,為更好地把握下一步研究方向和應(yīng)用目標(biāo)提供參考。應(yīng)用的平均水平在50%左右(圖1。為此,我國應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)航空結(jié)構(gòu)用新型鈦合金材料及其加工和應(yīng)用方面的創(chuàng)新性研究力度,提高航空高端鈦合金產(chǎn)品用量、材料利用圖1 鈦合金在不同工業(yè)領(lǐng)域的用量比例情況航空應(yīng)用占50%的發(fā)展,已經(jīng)把中強(qiáng)度的Ti6Al4V

5、ELI 和高強(qiáng)度的Ti -6-22-22S 等新型損傷容限型鈦合金成功應(yīng)用到美國F -22/F -35、C -17等新一代飛機(jī)中,極大地提高飛機(jī)的使用壽命和戰(zhàn)斗力。近年來,雖然中國鈦產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展,鈦材產(chǎn)量位居世界第四位,航空結(jié)構(gòu)用鈦合金產(chǎn)品也得到了穩(wěn)步發(fā)展,但與世界發(fā)達(dá)國家相比,我國在鈦合金應(yīng)用水平、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和用量等方面仍存在相當(dāng)大的差距3-5。例如,我國用于航空結(jié)構(gòu)用的鈦合金半成品只占鈦加工材的10%,而世界發(fā)達(dá)國家航空鈦合金 1 航空結(jié)構(gòu)用高性能鈦合金材料組織與性能關(guān)系特點(diǎn)1.1 綜合性能要求 隨著新一代飛機(jī)和發(fā)動機(jī)的研制與發(fā)展要求的不斷提高,對航空用鈦合金材料的綜合性能提出的要求也

6、變得更加苛刻,圖2所示為航空用鈦合金材料的主要基本性能和使用性能要求示意圖。航空用鈦合金材料應(yīng)具備的基本性能包括:低密度(輕質(zhì)、高強(qiáng)度(或高比強(qiáng)度、高模量(或高比模量、高韌性、高的疲勞強(qiáng)度、較低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率(或較高疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值。同時,航空用鈦合金材料還必須具備的使用性能有:低的缺口敏感性、良好的耐環(huán)境穩(wěn)定性(耐腐蝕、抗氧化、長的疲勞壽命和抗損傷能力、抗應(yīng)力腐蝕與抗氫脆能力、良好的工藝性能(機(jī)械加工性能好、易成形、可焊接和較低的使用成本等。1.2 組織與性能關(guān)系特點(diǎn)如何使新型鈦合金獲得綜合高性能是鈦合金材料研制和應(yīng)用研究的努力方向。由于鈦合金的固態(tài)相變具有多樣性和復(fù)雜性,所以鈦合金材

7、料的成分、工藝、組織和性能等四要素之間的相互關(guān)系也是材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)。鈦合金材料的顯微組織不僅取決于相變過程,更與熱機(jī)械處理工藝密切相關(guān),采取不同的熱處理以及熱加工工藝,可以得到具有不同性能的顯微組織類型。鈦合金典型的顯微組織主要有等軸組織、雙態(tài)組織、網(wǎng)籃組織和片層組織四類,如圖3所示。等軸組織類型的鈦合金具有較高的拉伸塑性和疲勞強(qiáng)度,尤其是斷面收縮率較高,但是斷裂韌性、沖擊韌性和持久強(qiáng)度較差。雙態(tài)組織類型的鈦合金塑性較好,具有較高的疲勞強(qiáng)度,但是斷裂韌性及高溫性能不如片層組織。而具有網(wǎng)籃組織的鈦合金因在(+/相變點(diǎn)以上溫度加熱和開始變形,轉(zhuǎn)變相編織成網(wǎng)籃狀結(jié)構(gòu),這種組織斷裂韌性好、持久強(qiáng)度

8、高、具有高的熱強(qiáng)性和抗蠕變性,但塑性和疲勞性能將會在一定程度上降低。具有片層組織的鈦合金一般加熱在相區(qū)進(jìn)行,因具有粗大原始晶粒和轉(zhuǎn)變相呈片狀規(guī)則排列,這種組織斷裂韌性和疲勞裂紋擴(kuò)展抗力均較好,但塑性、疲勞性能等都在一定程度上有所降低。其各自的具體性能情況見表1?，F(xiàn)在的問題是,如何突破鈦合金組織類型與綜合性能的一般關(guān)系,通過材料創(chuàng)新和工藝創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)綜合高性能水平,以滿足新一代飛機(jī)和發(fā)動機(jī)的設(shè)計和使用的要求。2 技術(shù)創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)航空結(jié)構(gòu)鈦合金從單一高性能到綜合高性能跨越的關(guān)鍵途徑開展航空結(jié)構(gòu)用新型鈦合金材料研究是提高鈦合金用量和應(yīng)用水平的重要保證。目前,我國已擁有一系列先進(jìn)的鈦合金熔煉與加工設(shè)備和先

9、進(jìn)的棒線材自動生產(chǎn)線等,具備開展新型航空鈦合金材料研制和產(chǎn)業(yè)化的硬件條件。此外,我國在結(jié)構(gòu)鈦合金新型熱機(jī)械處理等加工技術(shù)方面已經(jīng)積累了較豐富的經(jīng)驗。近十年來,為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)鈦合金從單一高性能向綜合高性能的組織控制轉(zhuǎn)變,也相繼研制并成功應(yīng)用了材料成分設(shè)計創(chuàng)新和工藝技術(shù)創(chuàng)新相結(jié)合的綜合強(qiáng)韌化技術(shù),從根本上提升了我國新型鈦合金材料的綜合性能水平,為關(guān)鍵材料技術(shù)立足國內(nèi)和自主保障做了一些準(zhǔn)備工作。2.1 通過材料創(chuàng)新開發(fā)出我國航空用新型高性能鈦合金材料1 TC21高強(qiáng)高韌損傷容限鈦合金在通用-型高強(qiáng)度鈦合金成分體系基礎(chǔ)上,創(chuàng)造性地通過添加鈮(Nb 元素,控制鉬(Mo 和鉻(Cr 元素圖3 鈦合金的典型組

10、織類型表1 鈦合金組織類型與性能的一般關(guān)系等軸組織 網(wǎng)籃組織雙態(tài)組織 片層組織圖2 新一代飛機(jī)和發(fā)動機(jī)用鈦合金材料綜合性能要求組織穩(wěn)定性好低密度(高比強(qiáng)度易成形耐腐蝕抗氧化性能抗蠕變性能使用成本可控抗疲勞性能高強(qiáng)、高韌、高?？珊附?AERONAUTICAL SCIENCE & TECHNOLOGY72012/1 航空科學(xué)技術(shù)含量,提出了新型高強(qiáng)、高韌、高模、可焊、損傷容限型TC21鈦合金的成分配比;采取第一性原理計算合金元素影響趨勢,篩選出主干合金化元素;通過鉬當(dāng)量校核等手段確定了TC21鈦合金主干成分;經(jīng)過小錠試驗、中試錠驗證和1t 級工業(yè)化錠的熔煉與加工,完成了合金組織設(shè)計與驗證、

11、強(qiáng)韌化工藝與綜合性能匹配技術(shù)等,最終創(chuàng)立了新一代飛機(jī)結(jié)構(gòu)用TC21鈦合金。TC21鈦合金是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型飛機(jī)結(jié)構(gòu)用鈦合金,具有高強(qiáng)度、高韌性、高可焊性、低裂紋擴(kuò)展速率等性能,其綜合力學(xué)性能比在美F -22飛機(jī)應(yīng)用的Ti -6-22-22S(美和蘇-27系列飛機(jī)廣泛應(yīng)用的BT20(俄鈦合金更加優(yōu)異,具有非常優(yōu)異的電子束焊接性能(表2,適合于制造飛機(jī)大型整體框梁類重要承力構(gòu)件。2 TC4-DT 中強(qiáng)高韌高損傷容限鈦合金TC4-DT 鈦合金是中強(qiáng)度高損傷容限型鈦合金,它是通過采用純凈化熔煉、合金成分優(yōu)化和間隙元素控制等手段,從材料成分優(yōu)化設(shè)計上提升了TC4鈦合金的綜合力學(xué)性能,并進(jìn)一步通

12、過采用新型的熱處理工藝,使該合金具有很高的韌性、低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率、優(yōu)異的焊接性能、優(yōu)良的工藝性能和較低的成本等綜合性能,特別適合制造飛機(jī)大型整體框梁類重要承力構(gòu)件。TC4-DT 鈦合金通過采用準(zhǔn)熱處理工藝,可以獲得中強(qiáng)度(825MPa、高韌性(90MPa、優(yōu)異焊接性能(與母材相當(dāng)(圖5和低疲勞裂紋擴(kuò)展速率(圖6,目前已被大量用于飛機(jī)安全壽命級關(guān)鍵承力部件中。2.2 采用鈦合金新型準(zhǔn)鍛造工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度損傷容限型鈦合金的綜合高性能采用高溫鍛造工藝代替常規(guī)的+鍛造鈦合金金構(gòu)件,由于變形溫度高、抗力小、易于成形、成品率高等特點(diǎn),在生產(chǎn)中受到了高度的重視。同時,高溫鍛造獲得的網(wǎng)籃組織正是大應(yīng)力高

13、溫長時間使用條件下的零件(如盤類零件所希望得到的組織,也是高損傷容限長壽命設(shè)計所需的高斷裂韌度、低疲勞裂紋擴(kuò)展速率的基本保證,在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用中具有廣泛的發(fā)展前景。但普通的鍛造工藝由于生產(chǎn)控制難、組織與性能穩(wěn)定性差、特別是室溫塑性常常降低到不可接受的地步等原因,在實(shí)際生產(chǎn)中難以實(shí)施。為此,提出了一種新型的鈦合金“準(zhǔn)鍛造工藝6”,通過控制鈦合金復(fù)雜構(gòu)件低倍組織和高倍顯微組織均勻性,從根本上解決了網(wǎng)籃組織塑性偏低的難題,該工藝可使普通和+型鈦合金獲得高塑性的網(wǎng)籃組織(圖7,同時提高了鈦合金的應(yīng)用水平,為損傷容限鈦合金的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。該工藝已經(jīng)分別在中強(qiáng)度 10410106105 (M P

14、a (N 10.10.10.10. K !MPa mm m 0 *圖6 TC4-DT 鈦合金在Paris 區(qū)的da /dN K 數(shù)據(jù)及其與TC4鈦合金的對比圖5 TC4-DT 鈦合金焊接接頭與母材基體的疲勞壽命S -N 曲線對比圖4 TC21鈦合金的強(qiáng)度、韌性、疲勞和裂紋擴(kuò)展抗力等性能表2TC21鈦合金電子束(EBW焊接接頭性能對比12001000800600400b (MPa K IC (10×MPam強(qiáng)度 斷裂韌性D (R=0.1/Kt=1da/dN(K=33疲勞強(qiáng)度裂紋擴(kuò)展速率8×10-46×10-44×10-42×10-4Ti -622

15、22STC21TC4 TC6(BT3-1鈦合金、高強(qiáng)度TC18(BT22鈦合金以及高強(qiáng)韌TC21鈦合金等實(shí)際構(gòu)件中得到了應(yīng)用(圖8。對于TC6鈦合金,相比普通鍛造工藝和近鍛造工藝7,“準(zhǔn)鍛造”工藝得到的模鍛件K IC 值提高了25%以上,疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯降低,光滑疲勞極限提高了14%以上8。而且,經(jīng)準(zhǔn)鍛造得到的鍛件K IC 值和a k 值都明顯高于常規(guī)鍛造得到的鍛件K IC 值和a k 值,由此可以看出準(zhǔn)鍛造工藝較常規(guī)鍛造具有優(yōu)越性8。2.3 采用鈦合金新型準(zhǔn)熱處理工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)中等強(qiáng)度損傷容限型鈦合金的綜合高性能通過熱處理工藝,可以提高鈦合金的損傷容限性能和高溫蠕變性能,所以在航空發(fā)動機(jī)盤

16、件以及飛機(jī)重要承力結(jié)構(gòu)件中都得到了應(yīng)用9。但是,采用這種普通的熱處理工藝,得到的片層組織粗大,塑性和疲勞強(qiáng)度偏低,不能達(dá)到綜合高性能水平(圖9和圖10。為此,提出了采用新型“鈦合金準(zhǔn)熱處理工藝10”,通過對TC4-DT 鈦合金大量的工藝驗證和應(yīng)用試驗分析,結(jié)果表明(圖5和圖6該工藝可提高鈦合金片層組織塑性、復(fù)雜截面特大型鍛件組織性能均勻性、以及降低普通熱處理在實(shí)際生產(chǎn)中的組織控制難度和不合格率等技術(shù)關(guān)鍵,從而滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)綜合高性能的要求11-13。圖11為通過采用一種新型準(zhǔn)熱處理工藝獲得的TC4-DT 鈦合金片層組織結(jié)構(gòu)特征。此外,這幾年快速發(fā)展和推廣應(yīng)用的鈦合金等溫鍛造14、激光快速成形(L

17、RF 15-17、先進(jìn)焊接等先進(jìn)加工和制造技術(shù),也在不同程度上提升了鈦合金構(gòu)件的綜合應(yīng)用性能。3 通過提升技術(shù)成熟度,實(shí)現(xiàn)高性能損傷容限型鈦合金批量應(yīng)用“零的突破”在材料創(chuàng)新和工藝技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上,通過面向使用需求、及時開展工程化應(yīng)用研究,突破關(guān)鍵技術(shù),進(jìn)一步提升了材料技術(shù)成熟度,使綜合高性能損傷容限型鈦合金(TC21和TC4-DT 成長為新一代飛機(jī)用的主干鈦合金,為飛機(jī)實(shí)現(xiàn)損傷容限長壽命設(shè)計和結(jié)構(gòu)減重奠定了堅實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ),從而實(shí)現(xiàn)了損傷容限型鈦合金在我國飛機(jī)關(guān)鍵承力部件上裝機(jī)應(yīng)用“零的突破”。圖10 -CEZ鈦合金具有不同晶粒大小的片層組織疲勞裂紋擴(kuò)展性能(K -da/dN 曲線圖9 -CE

18、Z鈦合金具有不同晶粒大小的片層組織高周疲勞S-N曲線圖8 鈦合金經(jīng)準(zhǔn)鍛造得到的模鍛件顯微組織(a TC18 (b TC21(a 肋部位(b 腹板部位圖7 TC6鈦合金經(jīng)準(zhǔn)鍛造得到的模鍛件顯微組織最大應(yīng)力(M P a 裂紋擴(kuò)展速率(m /周次失效周次900800700600500103 104 105 106 107 1082c(m 10 20 50 100 200 500 1000 20001 2 4 6 8 10 20 40 60K (MPam10-610-710-810-910-10晶粒尺寸60m 400m-CEZ ,50Hz ,R=-1微裂紋R=-1, 800MPa微裂紋R=0.5-CE

19、Z晶粒尺寸60m 400m AERONAUTICAL SCIENCE & TECHNOLOGY92012/1 航空科學(xué)技術(shù)4 我國航空用高性能鈦合金材料的發(fā)展趨勢1 高性能損傷容限型鈦合金是新一代飛機(jī)的主干材料,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)加強(qiáng)品種規(guī)格系列化和應(yīng)用批量穩(wěn)定化,擴(kuò)大應(yīng)用范圍和用量,進(jìn)一步提升技術(shù)成熟度。2 在積累實(shí)際構(gòu)件設(shè)計與制造的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,發(fā)揮自主創(chuàng)新能力,建立具有中國特色的航空用鈦合金材料體系,使關(guān)鍵材料立足國內(nèi)、按體系發(fā)展,實(shí)現(xiàn)低成本。3 進(jìn)一步發(fā)展超高強(qiáng)度級別的綜合高性能鈦合金材料和特種功能材料,以滿足下一代航空航天飛行器的發(fā)展需求。5 結(jié)論雖然我國鈦材產(chǎn)量位居世界第四

20、位,但航空航天用高端鈦材產(chǎn)量只占總量的10%左右,與世界的50%水平仍存在著相當(dāng)?shù)牟罹?因此需要加強(qiáng)綜合高性能鈦合金材料和應(yīng)用的創(chuàng)新性研究,提高航空航天鈦合金的應(yīng)用水平和用量,這也是縮短與世界發(fā)達(dá)國家差距的重要途徑和保障。此外,技術(shù)創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)航空結(jié)構(gòu)鈦合金從單一高性能到綜合高性能跨越的關(guān)鍵途徑。航空結(jié)構(gòu)鈦合金材料應(yīng)立足國內(nèi)、按體系發(fā)展,逐漸擺脫“雜、亂、散”的局面,以便能形成具有中國特色的航空鈦合金材料體系,實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、穩(wěn)定化和低成本化發(fā)展。再者,通過采用新型的準(zhǔn)鍛造、準(zhǔn)熱處理、等溫精密鍛造、快速成形、先進(jìn)焊接等鈦合金加工與制造技術(shù),在提高鈦合金構(gòu)件的性能的同時,促進(jìn)鈦合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

21、水平和用量。參考文獻(xiàn)1 曹春曉. 鈦合金在大型運(yùn)輸機(jī)上的應(yīng)用J. 稀有金屬快報, 2006 (1: 1721.2 楊健. 鈦合金在飛機(jī)上的應(yīng)用J. 航空制造技術(shù),2006 (11: 4143.3 Zhou Lian. Ti -2007 Science and Technology C, Japan: 2007.4 鄧炬.正在崛起的中國鈦工業(yè)J. 稀有金屬快報,2007,26(6.5 趙永慶. 鈦合金的研究與開發(fā)J. 鈦工業(yè)進(jìn)展,2005,22(4.6 朱知壽,王慶如,鄭永靈. 鈦合金準(zhǔn)鍛造工藝: 中國,ZL 01131237.8 P. 2004-7-28.7 Zhou Yigang, Zeng Weidong, Y u Hanqing. Ti -2003 Science and Technology C.Germany ,2003: 1623-1630.8 朱知壽,周曉虎,等. 高強(qiáng)韌損傷容限鈦合金新型鍛造工藝研究J. 稀有金屬材料與工程,2005,34 (S3: 537- 542.9 Cao Chunxia