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1、钛合金材料组织性能关系,报告人：朱知寿,2009年11月29日,中航工业北京航空材料研究院,提 纲,4,钛合金组织类型的工程化定义,1,钛合金组织与性能的一般关系,2,3,几个研究热点问题,5,结语：存在的主要差距与建议,钛合金组织控制技术，实现综合高性能目标,6,钛合金成分工艺组织性能四要素,钛合金成分-工艺-组织-性能四要素,钛合金成分、工艺、组织和性能四要素,成分决定了合金类型,工艺决定了组织类型,组织决定了性能,钛合金组织参数(D、d、b、)对性能的影响关系,钛合金组织类型的工程化定义,(1) 等轴组织；(2) 混合组织； (3) 网篮组织；(4) 魏氏组织,钛合金组织类型的工程化定义
2、,(1) 片层组织；(2) 过渡组织 (3) 球状组织,普通分类方法,国外一般分类,国内普通分类,4、片层组织,、网篮组织,、双态组织,1、等轴组织,钛合金组织类型的工程化定义,适合工程应用的分类,等轴组织及其类型变化,钛合金组织类型的工程化定义,近型合金,+型合金,近型合金, 等轴组织(等 + 转) 特征： 等轴40以上 等轴，有球形、椭圆形、橄榄形、棒锤形、短棒形等多种形态,双态组织及其类型变化（混合组织）,钛合金组织类型的工程化定义,近型合金,+型合金,近型合金, 等轴组织(等 + 转) 特征： 等轴40 等轴，有球形、椭圆形、橄榄形、棒锤形、短棒形等多种形态,网篮组织及其类型变化,钛合
3、金组织类型的工程化定义,破碎晶界, 网篮组织转（变形的） 特征： 等轴0 转（变形的） 具网篮编制状为主要特征,断续晶界,大块,片层组织及其类型变化,钛合金组织类型的工程化定义,粗大片层, 片层组织转（不变形的） 特征： 等轴0 转（不变形的） 以片层状为主要特征，片层厚度不同，形态不同（6级）,典型片层,针状细小 （魏氏组织）,钛合金组织类型的工程化定义,钛合金组织与性能的一般关系,钛合金组织与拉伸性能的关系,拉伸性能：退火（片层）组织塑性最差、 双态最好、 加工（网篮）组织各向异性大,钛合金组织与断裂韧性关系,断裂韧度KIC： 退火组织较高、 双态居中、 加工组织最高,钛合金组织特征与da
4、/dN性能关系,da/dN : 退火组织最低、 加工组织居中、双态最差,钛合金组织与疲劳性能关系,疲劳强度： 退火(片层)组织居中、 双态最好、 加工(网篮)组织各向异性大,原始晶粒尺寸与钛合金性能匹配关系,随着晶粒的增大，合金的断裂韧性和屈服强度逐渐降低,Microstructures ABC,强韧性匹配：退火组织只提高强度时，塑性与韧性大为降低,使用性能：晶粒粗大时，强度与韧性变化不大，但塑性与疲劳强度却大为降低,相含量与钛合金拉伸性能的关系,随着初生相含量的增加，合金的抗拉强度和屈服强度 变化只有50MPa，而延伸率和断面收缩率则迅速增加。,时效温度对Ti-10V-2Fe-3Al合金力学
5、性能与次生尺寸的影响,随着次生相的片层厚度的增加，合金的强度下降比较明显， 而塑性和断裂韧性获得了较大幅度的增加。,相含量与钛合金强韧性匹配关系,钛合金组织与性能的一般关系,问题：钛合金的普通组织类型，均难以满足综合高性能的要求,钛合金组织控制技术，实现综合高性能目标,1、基本要求：强韧性匹配、强塑性匹配 2、使用要求：高疲劳性能与损伤容限性能匹配、疲劳性能与蠕变持久性能匹配 3、加工要求：热工艺简单易行、加工成形性能优异（如焊接性能、超塑成形性能等） 4、其它综合性能：低的缺口敏感性、良好的耐环境稳定性、抗应力腐蚀与抗氢脆能力、,综合高性能,（一）对高强度钛合金，采用钛合金准锻造工艺，获得高
6、塑性网篮组织，是实现综合高性能目标的有效途径,采用新型“准锻造工艺” (授权发明专利: ZL 01131237.8)，控制复杂、变截面、大尺寸整体航空锻件的网篮组织均匀性，获得了具有高强、高韧、高疲劳性能和低da/dN的综合性能。,例子1：高强韧损伤容限型TC21钛合金,621所,TC21钛合金相比美Ti62222S钛合金具有更加优异的综合性能匹配,TC18钛合金是我国大型运输机大量选用的高强韧钛合金，也采用新型“准锻造工艺” ，获得了高性能综合匹配。,例子2：高强韧TC18(BT22)钛合金,TC6钛合金是普遍应用的中强度钛合金，采用新型“准锻造工艺” ，也获得了高性能综合性能，并在某歼击机
7、上得到应用。,例子3：中强度TC6(BT31)钛合金,（二）对中等强度钛合金，采用钛合金准热处理工艺，获得高塑性片层组织，也是实现综合高性能目标的有效途径,采用新型“钛合金准热处理工艺”(专利号ZL 2004 10090864.3)，解决了：(1) 片层组织塑性低；(2) 复杂截面特大型锻件组织性能均匀性；(3) 普通热处理在实际生产控制难等技术关键。,例子：中强高损伤容限型TC4-DT钛合金,TC4-DT钛合金大量应用于我国新一代飞机安全寿命级关键承力部件上,621所,美国F-22飞机和C-17等大型运输机上也大量采用了普通退火态的Ti6Al4V ELI损伤容限钛合金，在其它性能相当的情况下
8、，TC4-DT钛合金采用准热处理可得到较高的塑性与疲劳性能（以满足我国飞机设计需求）。,与美国Ti-6Al-4V ELI合金对比,（三）对高温钛合金，采用钛合金近锻造工艺，可获得高温综合性能好的双态组织,钛合金二元相图示意,近锻造工艺即在相变点以下15加热锻造，并控制锻后冷却方式等得到的双态组织（或三态组织）具有良好的蠕变和持久性能的综合匹配,例子：发动机用TC11和TC17高温钛合金,TC11,TC17,西北工业大学,（四）对钛合金大规格棒材，采用钛合金铸锭与坯料的镦拔工艺，希望获得力学性能与超声波探伤缺陷可检性等均好的等轴组织,几个研究热点,斑点冶金缺陷控制 织构 新材料组织性能 新工艺组
9、织性能,定义：相（等轴或条状）含量少于基体的20%一种冶金缺陷 特征：低倍一般显亮点，也有黑点，高倍显黑斑，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）锻件,Ti1023锻件,斑可以在许多钛合金中存在,斑对性能的影响,斑对Ti-10-2-3钛合金塑性和低周疲劳性能的影响,如何控制斑,生产时控制： （1） 合金化控制：避免Fe等元素的添加 （2） 成分均匀性控制：布料均匀、熔化与凝固速率 （3） 加热控制：锻造或热处理时在相变点上或下 50C以上加热变形,应用时控制： 属于冶金缺陷：斑超标时应整炉报废（依据标准）,晶体学
10、织构：主要影响力学性能各向异性、疲劳与腐蚀行为等 发展现状：X-射线（极图、ODF），SEM（EBSD），TEM等,织构控制与性能,取向与疲劳裂纹形成关系（F. Bridier，France）,相的ND取向图（621所、北工大） (钛合金准锻造大块相形成机理),Ti5553：代替BT22与Ti1023因有斑等而用在B787上,新材料组织与性能,B787飞机起落架梁 （V. Vladislav）,低倍1,高倍200,GUM合金：超高强度、低弹性模量，合金化及强化机理研究,新材料组织与性能,日本丰田公司研制的GUM钛合金特性,超细化工艺：大塑性变形（SPD）高压扭转变形(HPT)、 等通道挤压（E
11、CAP）等，热氢处理(THT)、 循环热处理(CHT)、 其它热机械处理等,新工艺的组织与性能,纯钛经多次累计SPD变形后的细化与强化效应（D. Terada，Japan）,基础研究方面：虽然钛合金的组织与性能关系研究热点多，但对组织设计与演变模拟等的基础研究不够。 应用基础研究方面： （1）以“表象” 或基本性能研究为主，应加强新材料与新工艺使用性能研究，并与实际应用挂钩。 （2）综合高性能要求下的组织参数设计与控制研究不多，追求单一高性能的组织-性能关系研究较多（如极端条件或极限性能研究）。 （3）加强特种加工工艺条件下（如激光成形、特种焊接、爆炸复合等）的组织性能关系研究，建立相应规范与标准。 工程化技术研究方面： （1）应加强大尺寸/薄细构件等复杂结构的组织均匀性与织构控制研究，以及机理研究。 （2）加强综合性能与工艺稳定性控制研究等。,结语 存在的主要差距与建议,谢谢 敬请指导,
