鈦合金材料組織性能關(guān)系復(fù)習(xí)進(jìn)程

鈦合金材料組織性能關(guān)系鈦合金成分-工藝-組織-性能四要素鈦合金成分、工藝、組織和性能四要素成分決定了合金類型工藝決定了組織類型組織決定了性能鈦合金組織參數(shù)(D、d、b、)對(duì)性能的影響關(guān)系鈦合金組織類型的工程化定義(1)等軸組織；(2)混合組織；(3)網(wǎng)籃組織；(4)魏氏組織鈦合金組織類型的工程化定義(1)片層組織；(2)過渡組織(3)球狀組織普通分類方法國外一般分類國內(nèi)普通分類4、片層組織２、網(wǎng)籃組織３、雙態(tài)組織1、等軸組織鈦合金組織類型的工程化定義適合工程應(yīng)用的分類等軸組織及其類型變化鈦合金組織類型的工程化定義近型合金+型合金近型合金●等軸組織＝(α等+β轉(zhuǎn))●特征：α等軸≥40％以上●等軸α，有球形、橢圓形、橄欖形、棒錘形、短棒形等多種形態(tài)雙態(tài)組織及其類型變化（混合組織）鈦合金組織類型的工程化定義近型合金+型合金近型合金●等軸組織＝(α等+β轉(zhuǎn))●特征：α等軸≤40％●等軸α，有球形、橢圓形、橄欖形、棒錘形、短棒形等多種形態(tài)網(wǎng)籃組織及其類型變化鈦合金組織類型的工程化定義破碎晶界●網(wǎng)籃組織＝β轉(zhuǎn)（變形的）●特征：α等軸＝0％●β轉(zhuǎn)（變形的）具網(wǎng)籃編制狀為主要特征斷續(xù)晶界大塊片層組織及其類型變化鈦合金組織類型的工程化定義粗大片層●片層組織＝β轉(zhuǎn)（不變形的）●特征：α等軸＝0％●β轉(zhuǎn)（不變形的）以片層狀為主要特征，片層厚度不同，形態(tài)不同（6級(jí)）典型片層針狀細(xì)?。ㄎ菏辖M織）鈦合金組織類型的工程化定義鈦合金組織與性能的一般關(guān)系鈦合金組織與拉伸性能的關(guān)系拉伸性能：退火（片層）組織塑性最差、雙態(tài)最好、加工（網(wǎng)籃）組織各向異性大鈦合金組織與斷裂韌性關(guān)系斷裂韌度KIC：退火組織較高、雙態(tài)居中、加工組織最高鈦合金組織特征與da/dN性能關(guān)系da/dN

:退火組織最低、加工組織居中、雙態(tài)最差鈦合金組織與疲勞性能關(guān)系疲勞強(qiáng)度：退火(片層)組織居中、雙態(tài)最好、加工(網(wǎng)籃)組織各向異性大原始β晶粒尺寸與鈦合金性能匹配關(guān)系隨著β晶粒的增大，合金的斷裂韌性和屈服強(qiáng)度逐漸降低MicrostructuresA>B>C

強(qiáng)韌性匹配：退火組織只提高強(qiáng)度時(shí)，塑性與韌性大為降低使用性能：晶粒粗大時(shí)，強(qiáng)度與韌性變化不大，但塑性與疲勞強(qiáng)度卻大為降低α相含量與鈦合金拉伸性能的關(guān)系隨著初生相含量的增加，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度變化只有50MPa，而延伸率和斷面收縮率則迅速增加。熱處理制度σb(MPa)σ0.2(MPa)δ5(%)Ψ(%)KIC(MPa?m1/2)s厚度760℃/2hWQ+480℃/8hAC144813733.88.137.30.05μm760℃/2hWQ+520℃/8hAC1245118810.326.858.90.08μm760℃/2hWQ+540℃/8hAC1222117011.633.563.70.10μm760℃/2hWQ+580℃/8hAC1048101817.353.699.80.15μm760℃/2hWQ+620℃/8hAC101898620.062.997.70.20μm時(shí)效溫度對(duì)Ti-10V-2Fe-3Al合金力學(xué)性能與次生尺寸的影響隨著次生α相的片層厚度的增加，合金的強(qiáng)度下降比較明顯，而塑性和斷裂韌性獲得了較大幅度的增加。α相含量與鈦合金強(qiáng)韌性匹配關(guān)系鈦合金組織與性能的一般關(guān)系問題：鈦合金的普通組織類型，均難以滿足綜合高性能的要求鈦合金組織控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)綜合高性能目標(biāo)1、基本要求：強(qiáng)韌性匹配、強(qiáng)塑性匹配2、使用要求：高疲勞性能與損傷容限性能匹配、疲勞性能與蠕變－持久性能匹配3、加工要求：熱工藝簡(jiǎn)單易行、加工成形性能優(yōu)異（如焊接性能、超塑成形性能等）4、其它綜合性能：低的缺口敏感性、良好的耐環(huán)境穩(wěn)定性、抗應(yīng)力腐蝕與抗氫脆能力、綜合高性能（一）對(duì)高強(qiáng)度鈦合金，采用鈦合金準(zhǔn)鍛造工藝，獲得高塑性網(wǎng)籃組織，是實(shí)現(xiàn)綜合高性能目標(biāo)的有效途徑

采用新型“準(zhǔn)鍛造工藝”(授權(quán)發(fā)明專利:ZL01131237.8)，控制復(fù)雜、變截面、大尺寸整體航空鍛件的網(wǎng)籃組織均勻性，獲得了具有高強(qiáng)、高韌、高疲勞性能和低da/dN的綜合性能。例子1：高強(qiáng)韌損傷容限型TC21鈦合金621所TC21鈦合金相比美Ti62222S鈦合金具有更加優(yōu)異的綜合性能匹配

TC18鈦合金是我國大型運(yùn)輸機(jī)大量選用的高強(qiáng)韌鈦合金，也采用新型“準(zhǔn)鍛造工藝”，獲得了高性能綜合匹配。例子2：高強(qiáng)韌TC18(BT22)鈦合金取向bMPa0.2MPa5

%

%KIC

MPam0.5L11201125107510801413403374.371.2L115411761117113814.212.440.849.176.176.8指標(biāo)≥1080≥1010≥8≥20≥60

TC6鈦合金是普遍應(yīng)用的中強(qiáng)度鈦合金，采用新型“準(zhǔn)鍛造工藝”，也獲得了高性能綜合性能，并在某殲擊機(jī)上得到應(yīng)用。例子3：中強(qiáng)度TC6(BT31)鈦合金鍛造取向bMPa5%%KICMPam0.5da/dNx10-4DMPaα+βL1080~111014~1845~4955~6311.2566T1105~112012~1534~37準(zhǔn)βL1035~109514~1735~4775~957.4650T1075~110016~1838~42（二）對(duì)中等強(qiáng)度鈦合金，采用鈦合金準(zhǔn)熱處理工藝，獲得高塑性片層組織，也是實(shí)現(xiàn)綜合高性能目標(biāo)的有效途徑采用新型“鈦合金準(zhǔn)熱處理工藝”(專利號(hào)ZL200410090864.3)，解決了：(1)片層組織塑性低；(2)復(fù)雜截面特大型鍛件組織性能均勻性；(3)普通熱處理在實(shí)際生產(chǎn)控制難等技術(shù)關(guān)鍵。例子：中強(qiáng)高損傷容限型TC4-DT鈦合金TC4-DT鈦合金大量應(yīng)用于我國新一代飛機(jī)安全壽命級(jí)關(guān)鍵承力部件上621所

美國F-22飛機(jī)和C-17等大型運(yùn)輸機(jī)上也大量采用了普通退火態(tài)的Ti6Al4VELI損傷容限鈦合金，在其它性能相當(dāng)?shù)那闆r下，TC4-DT鈦合金采用準(zhǔn)熱處理可得到較高的塑性與疲勞性能（以滿足我國飛機(jī)設(shè)計(jì)需求）。與美國Ti-6Al-4VELI合金對(duì)比（三）對(duì)高溫鈦合金，采用鈦合金近鍛造工藝，可獲得高溫綜合性能好的雙態(tài)組織近β鍛造℃α+βαβ相轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tiβ穩(wěn)定元素含量（%）15鈦合金二元相圖示意近鍛造工藝即在相變點(diǎn)以下15℃加熱鍛造，并控制鍛后冷卻方式等得到的雙態(tài)組織（或三態(tài)組織）具有良好的蠕變和持久性能的綜合匹配例子：發(fā)動(dòng)機(jī)用TC11和TC17高溫鈦合金TC11TC17西北工業(yè)大學(xué)（四）對(duì)鈦合金大規(guī)格棒材，采用鈦合金鑄錠與坯料的鐓拔工藝，希望獲得力學(xué)性能與超聲波探傷缺陷可檢性等均好的等軸組織幾個(gè)研究熱點(diǎn)斑點(diǎn)冶金缺陷控制織構(gòu)新材料組織性能新工藝組織性能定義：α相（等軸或條狀）含量少于基體的20%一種冶金缺陷特征：低倍一般顯亮點(diǎn)，也有黑點(diǎn)，高倍顯黑斑，硬度稍高形成原因：Fe偏析，其它含Mo、Cr、Mn等共析元素偏析斑冶金缺陷研究SP700棒材TC18（BT22）鍛件Ti1023鍛件斑可以在許多鈦合金中存在斑對(duì)性能的影響β斑對(duì)Ti-10-2-3鈦合金塑性和低周疲勞性能的影響如何控制斑生產(chǎn)時(shí)控制：（1）合金化控制：避免Fe等元素的添加（2）成分均勻性控制：布料均勻、熔化與凝固速率（3）加熱控制：鍛造或熱處理時(shí)在相變點(diǎn)上或下50C以上加熱變形應(yīng)用時(shí)控制：屬于冶金缺陷：β斑超標(biāo)時(shí)應(yīng)整爐報(bào)廢（依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)）晶體學(xué)織構(gòu)：主要影響力學(xué)性能各向異性、疲勞與腐蝕行為等發(fā)展現(xiàn)狀：X-射線（極圖、ODF），SEM（EBSD），TEM等織構(gòu)控制與性能取向與疲勞裂紋形成關(guān)系（F.Bridier，F(xiàn)rance）相的ND取向圖（621所、北工大）(鈦合金準(zhǔn)鍛造大塊相形成機(jī)理)Ti5553：代替BT22與Ti1023因有斑等而用在B787上新材料組織與性能B787飛機(jī)起落架梁（V.Vladislav）低倍×1高倍×200GUM合金：超高強(qiáng)度、低彈性模量，合金化及強(qiáng)化機(jī)理研究新材料組織與性能日本豐田公司研制的GUM鈦合金特性超細(xì)化工藝：大塑性變形（SPD）—高壓扭轉(zhuǎn)變形(HPT)、等通道擠壓（ECAP）等，熱氫處理(THT)、循環(huán)熱處理(CHT)、其它熱機(jī)械處理等新工藝的組織與性能純鈦經(jīng)多次累計(jì)SPD變形后的細(xì)化與強(qiáng)化效應(yīng)（D.Terada，Japan）基礎(chǔ)研究方面：雖然鈦合金的組織與性能關(guān)系研究熱點(diǎn)多，但對(duì)組織設(shè)計(jì)與演變模擬等的基礎(chǔ)研究不夠。應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面：

（1）以“表象”或基本性能研究為主，應(yīng)加強(qiáng)新材料與新工藝使用性能研究，并與實(shí)際應(yīng)用掛鉤。（2）綜合高性能要求下的組織參數(shù)設(shè)計(jì)與控制研究不多，追求單一高性能的組織-性能關(guān)系研