钛合金在末敏弹中的应用

贺玉民 辛敏艳 杨丽军

在某炮射末敏弹项目研制过程中，由于受高过载、小空间等条件制约，要求某关重零件具有极高的强度（屈服强度R0.2≥1140MPa）和韧度（伸长率δ5≥10%），同时为满足全弹质心和转动惯量等总体参数，其最大重量只能是钢质零件的60%，为达到上述要求，该零件必须使用强度和韧度极高的轻质材料制作。本文通过对TC-E钛合金的选取、改进处理与组织性能分析，提出了一种新的模锻技术，解决了上述难题，并将钛合金材料首次成功应用于末敏弹中。

与其他金属相比，钛在化学、物理和机械性能方面有其自已的特点，概括起来主要有以下六项性能。1)密度小，比强度高：金属钛的密度为4.5g/cm3,在相同尺寸条件下，使用钛制造的设备比钢约轻一半，所以钛是一种轻型材料；钛合金的强度与钢接近，远高于铝，所以钛合金又是一种轻型高强度金属结构材料。由于这种优异特性，钛合金在航空、航天、导弹、兵器等尖端技术中被大量采用。2)耐腐蚀性能：钛在很多介质中是非常稳定的，如果说钛合金的比强度高是航空、航天用钛的重要依据，那么钛的耐腐蚀性能优异是民用工业使用的基础。钛和氧有很大的亲和力，在空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀，即使由于机械磨损也会很快自愈或重新再生，而且介质温度在315℃以下时钛的氧化膜始终保持这一特性，这是各国民用工业使用钛材的基础保障。3)无磁性、无毒：钛合金是无磁性金属，在很大的磁场中也不会被磁化。这一特性可使钛合金应用于磁控设备中，钛制舰艇外壳可以避免磁性雷的爆炸。钛合金无毒，与人体组织及血液有良好的相容性，所以被医疗界采纳，用于人工关节、心脏起博器等设备。另外钛设备也是制药行业理想的设备。4)抗阻尼性能：钛合金受到机械振动、电振动后，与钢、铜相比，其自身振动衰减时间最长。利用这一性能钛合金可制作音叉、医学上的超声粉碎机振动元件和高级音响扬声器的振动薄膜等。5)耐热性能：通过固溶强化α相研制出的高温钛合金，可以在600℃以下长期使用，800℃以下短时间使用。当飞机的飞行速度马赫数高于2．7以上，其发动机的盘、叶片、后机身、导向器、进气机匣等部件都采用高温钛合金。6)耐低温性能：以TA7、TC4为代表的低温钛合金，其强度随温度的降低而提高，但塑性变化不大，可在－196～－253℃低温下保持较好的延性及韧性，避免了金属冷脆性，是低温容器、储箱等设备的理想材料。

钛合金中最常用的合金元素有10余种，其主要强化途径是固溶强化和沉淀强化。前者是通过提高α相或β相的固溶浓度而提高合金的性能；后者是借助热处理获得高度弥散的α+β或α+金属间化合物（α+TiXMy）以达到强化的目的。按现有水平，钛合金利用单相或复相固溶强化效果，可使抗拉强度从纯钛的约450MPa提高到1000～1200MPa，即提高1倍左右；如再结合适当的热处理，还可进一步提高到1200～1500MPa，个别合金的σb可达1800～2000MPa。如前所述，钛中加入元素不同，可获得组织为单相或多相的合金，溶解浓度的差异、组织形态、晶粒大小等因素对钛合金的力学性能均有影响，下面分别作一简单介绍。

（1）α钛合金 若要使钛合金退火组织由单相α构成，添加元素应以α稳定元素为主。工业上，主要靠加入铝获得α钛合金。因此，此类钛合金，多半属于钛-铝系。添加合金元素铝是因为铝有较低的密度，能抵消加入合金中重过渡金属元素对钛合金密度的影响作用。铝能显著地使室温和高温下的α相强化，但加入量过多会出现Ti3Al相而引起脆性，因此，铝的添加量一般不超过7%（质量）。为进一步改善α-Ti合金的耐热性，钛-铝系合金中还添加锆、锡等中性元素和少量的β稳定元素。α钛合金为单相合金，不能热处理强化，只有中等水平的室温强度。但由于这类合金的组织稳定，抗蠕变性能好，可在较高温度下长期稳定地工作，是创制新型耐热钛合金的基础。

（2）β钛合金 是退火组织完全由β相构成的合金。从钛与同晶型β稳定元素的状态图可知，要得到单相β组织，合金中β稳定元素的含量必须大于Cβ，才能使β转变温度降低到室温或室温以下。据实验结果，要使合金的β转变温度下降到600℃，应分别加入30%Mo，或70%V，或50%Nb，或70%Ta；如要将β转变温度下降到温室，则加入量还要更大。这样就可能使钛由主要元素变为非主要元素，加大合金密度，降低比强度。所以，稳定的β钛合金在工业上并没有多大的实际意义。目前，稳定型β合金只有作耐蚀材料的Ti-32Mo。工业常用的β钛合金是亚稳定型近β钛合金。这类合金中β稳定元素含量无须大于Cβ，而只要大于CKB。这是因为此类合金当其加热到β相区淬火时，将发生马氏体转变，和钢一样，钛合金中马氏体转变也有一个开始温度Ms和转变终了温度Mf，它们随合金中β稳定元素含量的增加而降低，当β稳定元素含量超过CKB时，Ms下降到室温。通常将CKB称为临界浓度。亚稳定近β钛合金在固溶状态有良好的工艺塑性，便于加工成形，时效处理后可获得很高的强度性能。例如TB2（Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al）合金，固溶状态σb＜1000MPa，δ≥20%；时效后σb≈1350MPa，δ≥8%。目前，国内试制的亚稳定近β钛合金牌号有：TB1，TB2，Ti-22，Ti-15-3，Ti-1023等，主要用于紧固件和飞机结构件。这类合金的缺点是对杂元素敏感性高，组织不够稳定，耐热性较低，不宜在高温下使用。另外，该类合金的冶金工艺也较一般合金复杂，焊接性较差。

（3）（α+β）钛合金 该合金退火组织由（α+β）两相组成。它兼有α和β钛合金的优点，即具有较高的耐热性，热加工较容易并能通过热处理强化。（α+β）型合金的优点是可以通过调整成分，使合金的组织，即α相和β相的性质与比例在很宽的范围内变动，从近α型直到近β型合金，以满足不同的设计和使用要求。从成分上，（α+β）合金一般是以Ti-Al为基再添加适量的β稳定元素。因在周期表中具有实用价值的合金元素当中大多属β稳定的组元，故（α+β）型合金成分的选择余地远远超过α合金。（α+β）钛合金的性能不仅与β稳定元素含量而且还与热处理方式有关，α+β合金的强度在较大范围内是可调整的，只要控制合金成分和选择适当的热处理方法，就能获得不同的组织形态，从而具有不同的性能水平。

1.钛合金材料在末敏弹中的初步应用

研制初期，为满足强度要求，某关重零件的原材料使用D6BA高强度钢，但重量超标。后期选用TC-E钛合金棒材，但抗拉强度、伸长率等指标与要求仍有距离。

TC-E是一种高合金化的α+β型钛合金，2007年我国将其纳入国军标,其名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，铝当量5.0，钼当量11.75，密度4.62g/cm2，该合金具有高强度、高韧性、高塑性、淬透性焊接性好、重量轻等优点，在空气介质中的最大淬透截面厚度可达250mm，即淬透性好，热处理调整空间大。TC-E合金的最高工作温度为400℃。是目前退火状态下强度最高的钛合金，一般可在退火状态下使用，他比钢材强度高、无磁、防腐，密度低，替代钢材可减重40%。适合制造飞机机身和起落架上的大型承力结构件及高过载下的结构件等，但抗拉强度、伸长率等指标与要求仍有距离。

2.TC-E钛合金的优选与处理

通过使用等离子焊接电极、多次真空熔炼、多级真空热处理、新型模锻等先进工艺技术，将钛合金TC-E抗拉强度和伸长率等性能大幅提高，最终各项指标满足要求。钛合金对锻造工艺参数非常敏感，锻造温度、变形量、变形及冷却速度的改变都会引起钛合金组织性能的变化。为更好地控制锻件的组织性能，近几年，热模锻造、等温锻造等先进的锻造技术在钛合金的锻造生产中得到了广泛应用。钛合金的塑性随温度升高而增大，在1000—1200℃温度范围内，塑性达到最大值，允许变形程度达70%—80%。钛合金锻造温度范围较窄，应严格按(α+β)/β转变温度进行掌握(铸锭开坯除外)，否则β晶粒会剧烈长大，降低室温塑性；α钛合金通常在(α+β)两相区锻造，因(α+β)/β相变线以上锻造温度过高，将导致β脆相，β钛合金其始锻和终锻都必须高于(α+β)/β转变温度。钛合金的变形抗力随变形速度的增加提高较快，锻造温度对钛合金变形抗力影响更大，因此常规锻造必须在锻模内冷却最少的情况下完成。间隙元素(如O、N、C)的含量对钛合金的锻造性也有显著影响。

选用高品质的海绵钛与合金，经人工严格挑选作为TC-E的原材料；采用等离子电极焊接，避免了钨夹杂；采用三次真空熔炼，大大减少了成分偏析；采用合理的加热温度和变形比，经过三次模锻、一次轧制、四次热加工，使其内部组织进一步调整和细化，组织更加均匀；每次热加工后进行修磨处理，去除表面缺陷和氧化层；热加工完成后使其内部组织细碎等轴，最后通多级热处理调整机械性能，达到要求指标。改进前后的TC-E与高强度钢D6BA主要性能对比情况见表1。

表1 改进前后的TC-E与高强度钢D6BA主要性能对比

从低倍组织分析，锻件边部呈流线状，这是由于锻件很薄，从坯料高向墩粗过程中大的变形量产生的；心部低倍反映出坯料直径的大小，此处在墩粗变形过程中变形量较小，其肉眼观察到的组织并不是实际的晶粒尺寸，只反应出某个区域α相的多少，这些都是锻件墩粗变形过程中不可避免的。该零件精毛坯的显微组织为转变β本体上均匀细小的等轴和条状α（见图2），针对相关技术要求的力学性能指标（强度、塑性和硬度等），此组织是最好的组织。另外，针对该产品，我们采用半成品和成品二次超声探伤，成品采用最高级别的AA级探伤，避免了有内部组织缺陷的残次品流出。采用模锻件后，比圆柱形毛坯内部组织更均匀，机械性能进一步提高，减少重量60%，锻件精毛坯如图1所示。

图1 TC-E钛合金精毛坯

图2 左图 TC-E钛合金精毛坯显微组织图右图 TC-E钛合金晶相图

3.关键技术及使用效果

突破的关键技术主要有：等离子焊接、多次真空熔炼、真空热处理、新型模锻等先进工艺技术。

由于采用了新型模锻技术，不仅提高了产品性能，而且毛坯重量由2.4 kg减轻到0.986kg，每件节省材料费550元、节省加工费70元，按年产5000件计算，仅此一项就可创造直接经济效益310万元。改进后的TC-E先后应用于多个型号的炮射末敏弹，经400余发末敏子弹强度、流程等各类试验考核，质量稳定可靠。

4.结束语

经过两年多的摸索和试验，该材料的制作工艺已成熟固化。本材料研制成功后首次在兵器行业应用，为高过载、小空间环境下的零部件设计提供了一种新型材料，它必将以其自身独特的优势在越来越广泛的领域发挥更加重要的作用。