钛合金在末敏弹中的应用

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1、钛合金在末敏弹中的应用作者： 贺玉民辛敏艳杨丽军 来源：中国军转民 2013年第6期【摘要】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。钛合金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。【关键词】钛合金；材料；末敏弹；应用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R0.221140MPa）和韧度（伸长率5210%），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

2、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

3、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 315C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

4、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a相研制出的高温钛合金，可以在600C以下长期使用, 800C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，可在一196一253C低温下保持较好的 延性及韧性，避免了金属冷脆性，是低

5、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a相或B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a+B 或a+金属间化合物（a+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10001200MPa，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12001500MPa，个别合金的ob可达18002000MPa。 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

6、能均有影响，下面分别作一简单介绍。（1）a钛合金 若要使钛合金退火组织由单相a构成，添加元素应以a稳定元素为主。 工业上，主要靠加入铝获得a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a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a-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B稳定元素。a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

7、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）B钛合金 是退火组织完全由B相构成的合金。从钛与同晶型B稳定元素的状态图 可知，要得到单相B组织，合金中B稳定元素的含量必须大于CB,才能使B转变温度降低 到室温或室温以下。据实验结果，要使合金的B转变温度下降到600C，应分别加入30%Mo, 或70%V，或50%Nb，或70%Ta；如要将B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B钛合金在工 业上并没有多大的实际意义。目前，稳定型B合金只有作耐蚀材料的Ti-32Mo。工业常用的B 钛合金是亚稳定型近B钛合

8、金。这类合金中B稳定元素含量无须大于CB,而只要大于CKB。 这是因为此类合金当其加热到B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B稳定元素含量的增加而降低， 当B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B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 obV1000MPa,220%；时效后 ob1350MPa, 28%。目前，国内试制的亚稳定近B钛合金牌号有：TB1, TB2, Ti-

9、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 ）（ a + B ）钛合金该合金退火组织由（a+B ）两相组成。它兼有a和B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。（a+B ）型合金的 优点是可以通过调整成分，使合金的组织，即a相和B相的性质与比例在很宽的范围内变动, 从近a型直到近B型合金，以满足不同的设计和使用要求。从成分上，（a+B ）合金一般是 以Ti-Al为基再添加适量的B稳定元素。因在周期表中

10、具有实用价值的合金元素当中大多属 B稳定的组元，故（a+B ）型合金成分的选择余地远远超过a合金。（a+B ）钛合金的性 能不仅与B稳定元素含量而且还与热处理方式有关，a+B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 a+B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-lC

11、r-lFe，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400C。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

12、-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10001200C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（a+B）/B转 变温度进行掌握（铸锭开坯除外），否则B晶粒会剧烈长大，降低室温塑性；a钛合金通常在 （a+B）两相区锻造，因（a+B）/B相变线以上锻造温度过高，将导致B脆相，B钛合金其始 锻

13、和终锻都必须高于（a+B）/B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0、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

14、。改进前后的TC-E与高强度钢D6BA主要性能对比 情况见表1。h li：） M曲r鼻册91農一购锂fll10gamC.22劇 熾钢駅帖隸度揶血报慨濟出从低倍组织分析，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Q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B本体上均匀细小的等轴和条状a （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

15、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。囹1 TC-Eifc會萤些毛块IH 2Ti2_吕HIA.4佥曲 匕&3=虚戟仇灿树 3jfe 0*1TCE*_ *- -Sr- Ji -n IH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。（作者单位：中国兵器辽沈工业集团有限公司）