航空材料用TC4/TA15鈦合金鍛件鈦棒材的特性及發展趨勢

引言

鈦及鈦合金具有良好的綜合性能，在航空航天、石油化工、生物醫學、環境保護等領域的應用都很廣泛，有較高的比強度，良好的耐腐蝕、耐高溫等性能，在金屬材料王國中被稱為“全能金屬”，是繼鐵、鋁之后極具發展前景的“第三金屬”和“戰略金屬”[1]，作為高性能航空航天結構的關鍵材料，其性能對飛行器結構、質量、效率、服役可靠性和使用壽命都具有重要的作用。

作為飛機上重要的結構材料和功能材料，近十幾年國內外關于鈦合金材料的應用及研究也越來越多。戰斗機和轟炸機的用鈦量在不斷提高，美國的F-15，從20%升至27%，美國F-22戰機的用鈦量升為41%[2]。常用于航空航天領域的鈦合金有TC17、TA15、TC4等牌號，TC4鈦合金鍛件（鈦餅、鈦環、鈦方塊）在航空制造中用量較大。

1、鈦合金的特點及應用

鈦有兩種晶格類型，相互之間可以發生同素異構轉變：溫度在882℃以下時，為α-Ti（hpc），晶格結構為密排六方，溫度在882℃以上時，為β-Ti（bcc），晶格結構為體心立方。合金元素的不同對相變溫度的影響也很大，可分為三類：

1）穩定α相，能提高相變溫度的α穩定元素有：Al、C、O、N等；

2）穩定β相，能降低相變溫度的β穩定元素有兩類： 同晶型Mo、Nb、V等；共析型Cr、Mn、Cu、Fe等；

3）中性元素，其對相變溫度的作用很小：Zr、Sn 等。不同元素對相變溫度的作用不同，對應的溫度變化如圖1所示。

鈦密度為4.5g/cm³，屬于輕金屬，熔點為1669℃，化學活性大，容易與空氣中的氧發生反應生成致密的氧化膜，阻止進一步氧化，高溫時，反應劇烈，氧化膜脫落會加速反應速度，所以，在鈦合金的制備過程中，真空或氣體保護是非常必要的。

鈦合金作為應用廣泛的結構材料，比鋁、鋼強度高，而且在海水中有較好的抗腐蝕和耐低溫的性能。目前，飛機的機架、起落架、機身蒙皮以及發動機的葉片等制造材料的選擇，主要來源于鈦合金及其復合材料，基于鈦合金的發展水平，可以作為判斷先進水平檢測的重要指標[4]。隨著鈦合金用量的不斷增加，其應用也越來越廣泛。由于鈦的無毒、質輕、耐腐蝕、強度高以及較好的生物相容性等特點，可以作為植入人體的植入物和手術機械等材料；鑒于其良好的結構彈性，可以用來減輕設備的質量，提高性能，增加壽命。例如Ti6Al4V制造的榴彈炮座，質量降低了31%，采用鈦合金代替軋制均質鋼，在制造坦克其它部件的過程中，減重可達420kg以上[5]。鈦合金在航海領域也有很好的發展前景，其耐蝕性、高比強度、無磁等特性使得其在發動機、螺旋槳、聲納系統等裝置的應用極為廣泛。

2、鈦合金的分類

鈦會發生同素異構轉變，在低溫時，穩態的α-Ti是密排的晶格結構；高溫時，β-Ti的體心晶格結構相對比較穩定，對應的晶胞結構圖如圖2所示。

鈦合金組織有α型、α+β型、β型三種結構，對應的符號為TA、TC、TB。

2.1 α型鈦合金

α鈦合金是單相合金，其組織是α相固溶體，符號用TA表示。合金的主要元素為中性元素或α穩定元素，例如Al、Sn、Zr等，基本不含β穩定元素。工業純鈦，組織均 為α相，屬于典型的α型鈦合金。α型鈦合金的抗氧化能力和切削加工性能良好，其強度和蠕變抗力在500℃~600℃范圍內仍可維持，缺點是無法實行熱處理工藝進行強化， 室溫的強度相對較低，退火后的強度變化量很小或基本無變化。

2.2 α+β型鈦合金

α+β型鈦合金的組織為α相、β相的兩相合金，符號用TC表示。它是雙相合金，α相和β相的比例取決于合金的成分，主要與β穩定元素的含量有關，β相所占的比例約為1/20~1/4。α+β型合金有較好的組織與性能，比較適合熱處理強化，熱加工過程中最能體現合金的塑韌性和高溫變形能力。這類合金最大的特點是可以通過不同的熱 處理工藝，獲得不同的組織形態如魏氏組織、網籃組織、雙態組織和等軸組織，進而得到不同的合金性能。

2.3 β型鈦合金

β鈦合金是由β相組成的單相合金，符號用TB表示。其中，β穩定元素的含量大于17%[6]，β單相組織的晶粒一般要大于等軸的α或α+β組織，并且可以進行淬火、時效強化。強度高，變形能力好，但焊接性能和熱穩定性較差，長期處于高溫條件下會產生硬脆相，因此不宜在高溫下使用，并且耐熱性也不好。

3、鈦合金的典型組織

TC4鈦合金是典型的α+β雙相鈦合金，優點是可以進行熱處理強化，熱處理工藝不同，合金的顯微組織也不同，主要有以下四類，其顯微組織如圖3所示[7]：

3.1 魏氏組織

第一類如圖3（a）所示為魏氏組織，其組織特點是茁晶粒比較清晰且保存完整，晶界比較明顯，晶內α相呈層片狀、粗針或細針狀規則排列，生成的條件是在β相區熱加工或β相區退火，且變形量小于50%，從β轉變溫度以上緩慢冷卻。冷卻的快慢對α相的大小影響很大，快冷時，得到的α相較窄，緩慢冷卻時，獲得的α相較寬，快速冷卻時，可能得到的針狀的馬氏體α"[8]。魏氏組織有良好的斷裂韌性，原始β晶粒及完整“晶界”的存在可以限制裂紋的擴展速度。由于沒有其它相的牽制，β相的晶界容易遷移，造成晶粒長大，因此合金塑性、疲勞性較差，拉伸性能不好，所以在實際的工業生產中，應該盡量避開這種組織的出現。

3.2 網籃組織

第二類如圖3（b）所示為網籃組織，網籃組織是在茁相區加熱，并在α+β相區最終變形的結果，變形量較大，大約為0.5~0.8，β相及晶界的處α相被破壞，冷卻后α束變細，尺寸也變短小，且相互交錯雜亂排列，呈網籃狀，最后形成了網籃組織；特點是α、β交錯排列強度高，但塑性差，與魏氏組織相比，其塑性，疲勞韌性比較高，但斷裂韌性低，目前可代替魏氏組織應用于在高溫條件下長期受力的零部件。

3.3 雙態組織

第三類如圖3（c）所示為雙態組織，雙態組織是在熱處理溫度低于β相變點較少加熱或變形時獲得的綜合性能比較好的組織，其組織特點是在轉變β組織上分布一定數量的等軸的初生α相。一種是片狀α束域，分布在β轉變組織中；另一種是分布在β轉變組織間，數量小于50%的α相，這種α相是等軸狀。雙態組織不僅有較高的疲勞強度、塑性，其蠕變性能、熱穩定性能及疲勞性能也比較好。

3.4 等軸組織

第四類如圖3（d）所示為等軸組織，等軸組織與雙態組織相同，都是初生的α相和β轉變組織，只是初生α相的含量有差異（大于50%）。等軸組織加熱屬于α+β相區，變形溫度較高，會發生再結晶，獲得完全等軸的α+β組織，如果變形溫度較低時，再結晶部分發生或者不發生時，可進行再結晶退火，仍可獲得等軸組織，鈦合金中等軸α相的含量影響合金的塑性，含量越高，塑性越好。其組織特點剛好與魏氏組織相反，優點是良好的塑性、疲勞強度及抗缺口敏感性，缺點是斷裂韌性，蠕變性能相對較差。

4、展望

隨著科技的進步和現代工業的發展，鈦合金在軍工和民用領域的應用也越來越廣泛，在汽車行業，鈦合金的應用不僅能減重，更能滿足環保的要求，未來航空航天和推力系統需要鈦合金材料具有更小的密度，更高的強度、工作溫度和彈性模量，對材料性能的要求也逐漸提高，高強度、高硬度、高耐熱性的材料越來越受各領域的青睞，優質輕型金屬材料的鈦合金必將代替部分傳統的材料，既減輕質量，又降低成本，達到降低能源消耗的目的，因此高性能鈦合金的研究已成為重要的發展方向，相信隨著發展的需要，鈦合金在我國的市場前景會越來越好。

參考文獻

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