新型高性能钛合金研究与应用

朱知寿，王新南，商国强，费　跃，祝力伟，李明兵，李　静，王　哲

(北京航空材料研究院 先进钛合金航空科技重点实验室， 北京 100095)



新型高性能钛合金研究与应用

朱知寿，王新南，商国强，费跃，祝力伟，李明兵，李静，王哲

(北京航空材料研究院 先进钛合金航空科技重点实验室， 北京 100095)

随着钛合金在我国航空、航天、兵器、海洋和化工等领域用量和应用范围的不断扩大，对钛合金高综合力学性能、低成本和加工工艺性能提出了更加苛刻的要求。通过基于组织参数设计的合金化、细晶强化、相变强化和强韧化工艺控制等综合强韧化技术，研制出具有高强韧、抗疲劳、耐损伤、抗冲击等综合性能良好匹配的新型高性能钛合金，是扩大钛合金在高端领域的用量与应用水平，实现产业升级转型，满足下一代应用需求的重要保障。

新型钛合金；高综合性能；强韧化；低成本

受世界经济的影响，虽然我国海绵钛产量持续下滑，2015年产量59900吨，为5年来最低，但钛及钛合金加工材仍然维持在5万吨左右的生产规模。这说明我国对钛及钛合金用量仍保持需求增长趋势[1]，这得益于我国航空航天和海洋工程的高端应用拉动、石油化工用量的扩大。同时，我国钛产业转型任务艰巨，低端钛材产能过剩严重，另一方面航空航天等高端应用钛合金成熟度低、规模小、用量少、价格高，与世界发达国家钛合金高端应用水平和用量差距仍然较大，某些深加工产品仍依赖进口[1-3]。所以，应坚持按体系发展原则的科技创新，发展具有中国特色的新型高性能钛合金体系，才能实现我国钛产业由“大国”向“强国”的转变。

在“十二五”期间，我国新型钛合金技术研究取得一定的进步，为下一代装备发展奠定了良好的技术基础，例如，成功研制出高性能低成本钛合金、新型超高强度系列钛合金、抗冲击耐损伤钛合金，发展了综合强韧化系列技术，提升了钛合金特大型构件整体化成形技术水平，突破了特大型锻坯的均匀化制坯技术等。

本文结合“十二五”期间我国新型钛合金技术的研究和发展，重点介绍新型高性能钛合金研究中的几个关键技术，为新型钛合金研制与综合应用提供技术参考。

1　按体系发展原则，逐步建立具有中国特色的新型高性能钛合金主干材料系列

针对我国高端钛合金仍以仿制为主、自主创新产品很少、“一材多用”的主干材料牌号不多、技术成熟度有待提升等问题[1]，“十五”以来，依托国家有关科研专项的大力支持，依照按体系发展原则，研制出低强高塑(TA18，Ti45Nb)、中高强高韧(TC32)、高强高韧(TC21)、超高强韧(TB17)和损伤容限型(TC4-DT，TC21)等钛合金系列技术，从而进一步完善自主研发的航空新型钛合金系列，为建立中国特色的关键主干材料体系奠定坚实基础(见图1)。

图1是按钛合金研发计划年代(横坐标)与强韧性匹配性(纵坐标)归纳的新型钛合金系列发展示意图，从图1可以看出，“九五”期间通过突破亚稳β型钛合金的焊接、热处理、材料加工和零件成型等关键技术，研制成功的TB8超高强度钛合金，在冷成形、焊接接头性能、强韧性、抗氧化和耐腐蚀等方面具有非常优异的综合性能匹配，为我国超高强度高性能钛合金的研发奠定了一定的基础。但该合金密度较高，达到了4.9 g/cm3的级别，限制了比强度/比刚度的进一步提升，说明不通过源头创新就难以达到合金在综合高性能方面的源头设计与控制，由此也进一步促进了我国自“十五”以来立足国内自主研发新型高性能钛合金的创新进程。为此，我国自“十五”以来陆续研制了高强高韧(TC21)、中强高韧(TC4-DT)，中高强高韧(TC32)、超高强韧(TB17)等系列新型高性钛合金，综合强韧化的匹配水平也在不断得到了提升，同时，合金的密度控制在4.6～4.75 g/cm3之间，保证了合金的比强度/比刚度。

图1　按系列化发展原则研制的我国新型高性能钛合金主干材料Fig.1　Several new types of key titanium alloys developed on the basis of system principle in China

2　综合强韧化技术是发展新型高性能低成本钛合金技术的主要途径

图2是按综合强韧化技术发展的TC4-DT，TC32，TC21和TB17等新型高性能钛合金与TC4等传统钛合金的强韧性对比情况。从图中可以看出，当钛合金由中等强度向高强度、超高强度发展时，面临的主要问题是断裂韧度的持续下降。如何在高强度水平下获得较高的断裂韧度和塑性等性能，是发展超高强度钛合金系列的技术关键。

图2　传统钛合金与新型主干钛合金的强度与韧性匹配关系对比Fig.2　Comparison of matching relationships between strength and toughness of traditional type and new type of key titanium alloys

从图2可知，普通TC4钛合金在断裂强度900 MPa级别条件下，其断裂韧度水平只有50 MPa·m1/2左右，通过进一步降低O和N等间隙元素的纯净化处理和准β热处理获得高塑性的片层组织后，获得了中强高韧损伤容限性的TC4-DT钛合金，从而扩大了它的应用领域，提高了应用水平。随着断裂强度提高到1100 MPa的高强度水平，一般钛合金的断裂韧度降低至60 MPa·m1/2以下，而通过新型合金化设计和准β锻造获得高塑性网篮组织的综合强韧化处理后，研制的TC21,TC32高强韧钛合金，断裂韧度提高至80 MPa·m1/2以上水平，实测断裂韧度达到100 MPa·m1/2水平，从而大大提升了我国自主研发新型钛合金的综合高性能水平。当合金的断裂强度水平进一步提高至1200 MPa，以及1350～1500 MPa以上时，合金的断裂韧度一般会进一步降低，例如，美国最近研制的Ti55531钛合金，通过固溶时效强化途径把断裂强度提高至1240 MPa以上时，断裂韧度只有33 MPa·m1/2水平。为此，“十二五”以来，我国进一步在更高强度水平下，研发了1350 MPa超高强度级别条件下的综合强韧化匹配技术，从而使钛合金(例如TB17)的断裂韧度达到50～70 MPa·m1/2水平，为发展超高强韧钛合金奠定技术基础。

3　综合强韧化技术在研制与发展新型超高强韧钛合金的关键作用

钛合金强韧化方法与技术很多，适合获得综合强韧化效果和工艺匹配的主要强韧化技术主要包括“临近钼当量条件下的多元合金化”、基于组织参数设计的强韧化工艺[4-5]、细晶强化[6-12]、固溶时效(相变强化)[13-14]等。

3.1临近钼当量条件下的多元合金化方法

图3所示为几种主要钛合金强度随Mo当量的提高存在增加的趋势图。从图3可知，通过合金化设计，随着Mo当量的提高，合金的强度水平存在一个持续提高的趋势，但当Mo当量提高至15以上时，合金强度开始下降、合金密度也会升高，所以，如何采用合理的合金化技术，获得最高的比强度和其他综合性能匹配，是合金化设计研究的技术关键。目前，人们采用合金元素电子作用原理、计算机模拟仿真、材料基因组等综合手段，竭力开发符合材料研发规律又能满足设计使用的新型钛合金，取得了一定的可供材料研究人员参考使用的成果。“十二五”以来，新材料开发的一个重要课题是基于组织参数设计的强韧化工艺技术研究，是新材料开发和合金应用的关键，也是检验合金化设计是否合理可行可用的手段。

图3　钛合金强度与Mo当量之间的关系Fig.3　Increasing trend map of tensile strength with the increase of Mo equivalent value of titanium alloys

3.2基于组织参数设计的强韧化工艺

改变钛合金的组织参数主要采用常规两相区锻造、近β锻造、β锻造和β热处理等工艺方法。包括近β锻造工艺在内的常规两相区锻造，获得等轴或双态组织，一般用于中间坯组织细化和半成品加工，而普通β锻造及热处理等工艺均未能在生产中得到实际推广应用。究其原因，主要是：这些β锻造和β热处理等工艺因存在塑性和疲劳性能的降低、生产中实际控制难、组织与性能稳定性差，特别是对复杂厚截面的飞机结构零件，要想通过普通的β锻造或β热处理工艺方法获得细小均匀的高低倍组织和高塑性的网篮或片层组织就更难了。为此，“十五”以来，针对高强韧钛合金和中强高韧钛合金，分别提出了钛合金准β锻造和准β热处理工艺方法，以获得了综合性能优良的网篮组织和片层组织，提高了KIC值、降低了疲劳裂纹扩展速率(da/dN值)。相比美国Ti-6-22-22S合金采用的三重β热处理、Ti6Al4V ELI采用的普通β热处理，均提高了合金的塑性和疲劳等综合性能。

图4和图5分别为损伤容限型TC21钛合金框类模锻件和TC4-DT钛合金梁类模锻件，并分别采用了准β锻造和准β热处理工艺，得到了综合性能良好匹配的网篮组织和片层组织[4-5]，均已经获得了稳定批量应用。

图4　采用准β锻造工艺处理的TC21钛合金组织控制原理图Fig.4　Diagram showing the microstructure controlling of TC21 titanium alloy by quasi-β forging process

图5　采用准β热处理工艺处理的TC4-DT钛合金组织控制原理图Fig.5　Diagram showing the microstructure controlling of TC4-DT titanium alloy by quasi-β heat treatment process

3.3细晶化技术

钛合金细晶化强韧技术主要通过高温塑性变形完成。通过调整加热温度、加热时间、变形量等工艺参数，钛合金实现动态回复再结晶过程，细化β晶粒尺寸[6]。一般情况下，通过细晶强化对钛合金强度的提高幅度有限，但可以提高合金的塑性，从而为中间坯料的组织准备奠定基础。例如，Timetal LCB钛合金β晶粒尺寸在50 μm时，屈服强度为1095 MPa，当β晶粒尺寸在10 μm时，屈服强度为1130 MPa[7]，仅提高35 MPa。国内外学者通过大变形法实现钛合金超细晶。研究表明[8-11]，当材料变形量足够大时，就可获得超细晶材料，大塑性变形方法由于具有能够制备出大块致密的材料、工艺简单、成本低廉等优点而日益引起人们的重视。例如，Semenova等[12]对Ti-6Al-4V采用等通道转角挤压(ECAP)进行晶粒细化，得到均匀细小的晶界片状α相和原始β晶粒，晶粒尺寸一般为600～800 nm。但该方法获得的超细晶材料，一般只能提高强度至1360 MPa，但塑性(伸长率为7%)和韧性一般改善不多。

3.4固溶时效(相变强化)处理技术

亚稳定β型钛合金一般通过固溶时效工艺获得在一定尺寸的原始β组织基体上弥散分布微米或纳米析出强化相，实现超高强度。钛合金的固溶时效强化或相变强化[13-14]是高强度钛合金的主要强韧化手段，是研究的重点。图6是超高强韧TB17钛合金经固溶+时效后的显微组织，其中，时效强韧化主要通过等轴的初生β相获得一定的塑性、细小的二次析出相获得强化、片层的次生相提高合金的韧性，再结合纳米的三次析出相等进一步提高合金的强度水平，从而获得1350～1500 MPa的超高强度水平。

图6　TB17钛合金经固溶时效后的显微组织Fig.6　Microstructures observed in TB17 titanium alloy by solution and aging treatment process

4　综合强韧化技术的应用

通过综合应用强韧化手段，实现钛合金组织类型控制与组织参数优化设计，从而达到综合力学性能的最佳匹配。例如，TC32钛合金是自主研发的新型中高强度高韧性钛合金[15-17]，采用Cr，Mo合金化获得固溶强化，通过准β锻造获得网篮组织提高断裂韧度，并采用固溶+时效热处理以实现析出相强化，进一步提高合金的强度水平，结果表明(见图6～图8)，TC32钛合金具有中高强度(σb≥1000 MPa)、高塑性(δ5≥10%)、高韧性(KIC≥80 MPa·m1/2)、抗高速冲击、抗疲劳(R=0.1，Kt=1，Nf=10时σD≥700 MPa)、损伤容限(da/dN与TC21相当)等综合高性能特点，而且具有成本低、工艺简单等工艺特点，是理想的多领域通用型材料。

图6　TC32钛合金的室温综合力学性能对比Fig.6　Comparison of synthetical properties among TC32, TA15 and TC4 titanium alloys

图7　TC32与TC21钛合金轴向应力疲劳S-N曲线(网篮组织/R=-1)Fig.7　Axial stress fatigue S-N curves of TC32 and TC21 titanium alloys with lamellar microstructure (R=-1)

图8　TC32钛合金不同组织的高速冲击动态真应力-应变曲线(临界破碎应变率)Fig.8　True stress-strain curves in TC32 alloy with different microstructures at critical strain rate

5　结束语

(1)综合强韧化是建立中国特色的航空用钛合金主干材料系列的关键途径。

(2)综合强韧化技术需要在基于组织类型和组织参数设计基础上的新型合金化、细晶强化、相变强化和强韧化组织控制等技术之间进行综合匹配。

(3)通过综合应用钛合金的强韧化技术，研制出具有高强韧、抗疲劳、耐损伤、抗冲击等综合性能良好匹配的新型高性能钛合金，才能扩大钛合金在高端领域的用量与应用水平，实现产业升级转型应用目标。

[1] 朱知寿. 我国航空用钛合金的技术研究现状及发展[J]. 航空材料学报， 2014，34(4):8-14.

(ZHU Z S. Recent research and development of titanium alloys for aviation uses in china [J]. Journal of Aeronautical Materials, 2014,34(4):8-14.)

[2] 王向东, 逯福生, 贾翃, 等. 2011年中国钛工业发展报告[J]. 钛工业进展， 2011，29(2): 1-6.

(WANG X D, LU F S, JIA H,etal. Chinese titanium industry development in 2011[J].Titanium Industry Progress, 2011,29(2): 1-6.)

[3] 朱知寿. 航空结构用新型高性能钛合金技术研究与发展[J]. 航空科学技术, 2012(1):5-9.

(ZHU Z S. Research and development of advanced new type titanium alloys for aeronautical applications[J]. Aeronautical Science and Technology, 2012(1):5-9.)

[4] 王新南, 朱知寿, 童路. 中强高损伤容限型TC4-DT钛合金热处理冷却速率与强韧性的关系研究[J]. 稀有金属材料与工程, 2009, 37(增刊3): 537-540.

(WANG X N, ZHU Z S,TONG L. Research on the relationship between heat treatment cooling rate and strength-toughness of medium strength damage-tolerant titanium alloy TC4-DT [J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2009, 37(Suppl 3): 537-540.)

[5] 朱知寿, 王新南, 童路，等. 新型TC21钛合金热处理工艺参数与显微组织演变的关系研究[J]. 钛工业进展，2006，23(6): 24-27.

(ZHU Z S, WANG X N, TONG L,etal. Study on the relationship between heat treatment parameters and microstructures evolvement of new type TC21 titanium alloy [J]. Titanium Industry Progress, 2006，23(6): 24-27.)

[6] IVASISHIN O M, MARKOVSKY P E,YU V MATVIYCHUK.A comparative study of the mechanical properties of high-strength β-titanium alloys[J].Journal of Alloy and Compounds,2008,457:296-309

[7] IVASISHIN O M, FOX S. Changsha University of Science and Technology[C]∥KIM N J, LEE C S,EYLON. LiMAT 2001,Pohang University of Science and Technology,Pohang Korea, 2001:57-64.

[8] ZHEREBTSOV S V, MURZINOVA M A , KLIMOVA M V,etal. Microstructure evolution during warm working of Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe at 600 and 800 ℃[J].Materials Science & Engineering A,2013,563: 168-176.

[9] IVASISHIN O M, MARKOVSKY P E, Von MATVIYCHUK Y.A comparative study of the mechanical properties of high-strength β-titanium alloys[J].Journal of Alloy and Compounds,2008,457:296-309.

[10] 郭廷彪,丁雨田，胡勇,等.等通道转角挤压(ECAP)工艺的研究进展[J].兰州理工大学学报,2008,34(6):19-24.

(GUO T B,DING Y T,HU Y,etal.Reacher progressing of technology of equal-channel angular pressing(ECAP)[J].Journal of Lanzhou University of technology,2008,34(6):19-24.

[11] ZHAO Y ，GUO H，FU M W，etal. Fabrication of bulk ultrafine grained titanium alloy via equal channel angular pressing based thermomechanical treatment[J].Materials & Design, 2013, 46(4):889-894.

[12] SEMENOVA I P, RAAB G I, SAITOVA L R,etal. The effect of equal channel angular pressing on the structure and mechanical properties of Ti6Al4V alloy[J]. Mater Sci Eng, 2004, A387-A389: 8.

[13] TERLINDE G Y, SCHWALBE K H. The role of α phase in the fracture toughness and tensile fracture of an aged metastable β-Ti alloy [C]∥CHAKRABARTI A K.Microstructure, Fracture Toughness and Fatigue Crack Growth Rate in Titanium Alloys. Warrendale，USA: TMS,1987:97.

[14] DAVIS R.Matrtensitic transformations in Ti-Mo alloys [J].Journal of Meterials Science, 1979(14):712-722.

[15] SHANG G Q, WANG X N, FEI Y,etal.Experimental study on heat treatment processing of a new low cost titanium alloy used in aviation field[J].Materials Science Forum, 2013(747/748): 919-925.

[16] 费跃, 朱知寿, 王新南, 等. 锻造工艺对新型低成本钛合金组织和性能影响[J]. 稀有金属, 2013,37(2): 186-191.

(FEI Y, ZHU Z S, WANG X N ,etal.Influence of forging process on microstructure and mechanical properties of a new low-cost titanium alloy[J].Chinese Journal of Rare Metals, 2013,37(2): 186-191.)

[17] 商国强, 王新南, 费跃, 等. 新型低成本钛合金高周疲劳性能和断裂韧度[J]. 失效分析与预防, 2013, 8(2): 74-78.

(SHANG G Q, WANG X N, FEI Y,etal.High-cycle fatigue properties and fracture toughness of new low cost titaniamalloy[J]. Failure Analysis and Prevention, 2013, 8(2): 74-78.)

(责任编辑：张峥)

Research and Application of New Type of High Performance Titanium Alloy

ZHU Zhishou，WANG Xinnan，SHANG Guoqiang，FEI Yue，ZHU Liwei，LI Mingbing，LI Jing，WANG Zhe

(Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Titanium Alloys, Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

With the continuous extension of the application quantity and range for titanium alloy in the fields of national aviation, space, weaponry, marine and chemical industry, etc., even more critical requirements to the comprehensive mechanical properties, low cost and process technological properties of titanium alloy have been raised. Through the alloying based on the microstructure parameters design, and the comprehensive strengthening and toughening technologies of fine grain strengthening, phase transformation and process control of high toughening, the new type of high performance titanium alloy which has good comprehensive properties of high strength and toughness, anti-fatigue, failure resistance and anti-impact has been researched and manufactured. The new titanium alloy has extended the application quantity and application level in the high end field, realized the industrial upgrading and reforming, and met the application requirements of next generation equipment.

new type of titanium alloy; excellent overall performance; strengthening and toughening; low cost

2016-02-26；

2016-04-10

“十二五”基础科研项目(A0520110059)

朱知寿(1966—)，男，博士，研究员，主要从事航空钛合金及应用技术研究，(E-mail)zhuzzs@126.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.3.002

TG146.2

A

1005-5053(2016)03-0007-06