航空用鈦合金材料的特性及發(fā)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(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)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(fā)展前景的“第三金屬”和“戰(zhàn)略金屬”[1] ，作為高性能航空航天結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵材料，其性能對飛行器結(jié)構(gòu)、質(zhì)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(jié)構(gòu)材料和功能材料，近十幾年國內(nèi)外關(guān)于鈦合金材料的應(yīng)用及研究也越來越多。戰(zhàn)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(zhàn)機的用鈦量升為 41% [2] 。

1、鈦合金的特點及應(yīng)用

鈦有兩種晶格類型，相互之間可以發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：溫度在 882益以下時，為 α-Ti （hpc），晶格結(jié)構(gòu)為密排六方，溫度在 882益以上時，為 β-Ti （bcc），晶格結(jié)構(gòu)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(wěn)定 α 相，能提高相變溫度的 α 穩(wěn)定元素有：Al、C、O、N 等；

2）穩(wěn)定 β 相，能降低相變溫度的 β 穩(wěn)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(yīng)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(xué)活性大，容易與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)生成致密的氧化膜，阻止進(jìn)一步氧化，高溫時，反應(yīng)劇烈，氧化膜脫落會加速反應(yīng)速度，所以，在鈦合金的制備過程中，真空或氣體保護(hù)是非常必要的。

鈦合金作為應(yīng)用廣泛的結(jié)構(gòu)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(fā)動機的葉片等制造材料的選擇，主要來源于鈦合金及其復(fù)合材料，基于鈦合金的發(fā)展水平，可以作為判斷先進(jìn)水平檢測的重要指標(biāo) [4] 。隨著鈦合金用量的不斷增加，其應(yīng)用也越來越廣泛。由于鈦的無毒、質(zhì)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(shù)機械等材料；鑒于其良好的結(jié)構(gòu)彈性，可以用來減輕設(shè)備的質(zhì)量，提高性能，增加壽命。例如 Ti-6Al-4V 制造的榴彈炮座，質(zhì)量降低了31%，采用鈦合金代替軋制均質(zhì)鋼，在制造坦克其它部件的過程中，減重可達(dá) 420kg 以上 [5] 。鈦合金在航海領(lǐng)域也有很好的發(fā)展前景，其耐蝕性、高比強度、無磁等特性使得其在發(fā)動機、螺旋槳、聲納系統(tǒng)等裝置的應(yīng)用極為廣泛。

2、鈦合金的分類

鈦會發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，在低溫時，穩(wěn)態(tài)的 α-Ti 是密排的晶格結(jié)構(gòu)；高溫時，β-Ti 的體心晶鈦合金組織有 α 型、α+β 型、β 型三種結(jié)構(gòu)，對應(yīng)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(wěn)定元素，例如 Al、Sn、Zr 等，基本不含 β 穩(wěn)定元素。工業(yè)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(nèi)仍可維持，缺點是無法實行熱處理工藝進(jìn)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(wěn)定元素的含量有關(guān)，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(xiàn)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(tài)如魏氏組織、網(wǎng)籃組織、雙態(tài)組織和等軸組織，進(jìn)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(wěn)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(jìn)行淬火、時效強化。強度高，變形能力好，但焊接性能和熱穩(wěn)定性較差，長期處于高溫條件下會產(chǎn)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 是典型的 α+β 雙相鈦合金，優(yōu)點是可以進(jìn)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 β晶粒比較清晰且保存完整，晶界比較明顯，晶內(nèi) α 相呈層片狀、粗針或細(xì)針狀規(guī)則排列，生成的條件是在 β 相區(qū)熱加工或 β 相區(qū)退火，且變形量小于 50%，從 β 轉(zhuǎn)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(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)該盡量避開這種組織的出現(xiàn)。

3.2 網(wǎng)籃組織

第二類如圖 3（b）所示為網(wǎng)籃組織，網(wǎng)籃組織是在 β相區(qū)加熱，并在 α+β 相區(qū)最終變形的結(jié)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(xì)，尺寸也變短小，且相互交錯雜亂排列，呈網(wǎng)籃狀，最后形成了網(wǎng)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(yīng)用于在高溫條件下長期受力的零部件。

3.3 雙態(tài)組織

第三類如圖 3（c）所示為雙態(tài)組織，雙態(tài)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(zhuǎn)變 β 組織上分布一定數(shù)量的等軸的初生 α 相。一種是片狀 α 束域，分布在 β 轉(zhuǎn)變組織中；另一種是分布在 β 轉(zhuǎn)變組織間，數(shù)量小于 50%的 α相，這種 α 相是等軸狀。雙態(tài)組織不僅有較高的疲勞強度、塑性，其蠕變性能、熱穩(wěn)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(tài)組織相同，都是初生的 α 相和 β 轉(zhuǎn)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(qū)，變形溫度較高，會發(fā)生再結(jié)晶，獲得完全等軸的 α+β 組織，如果變形溫度較低時，再結(jié)晶部分發(fā)生或者不發(fā)生時，可進(jìn)行再結(jié)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(yōu)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(jìn)步和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，鈦合金在軍工和民用領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，在汽車行業(yè)，鈦合金的應(yīng)用不僅能減重，更能滿足環(huán)保的要求，未來航空航天和推力系統(tǒng)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(lǐng)域的青睞，優(yōu)質(zhì)輕型金屬材料的鈦合金必將代替部分傳統(tǒng)的材料，既減輕質(zhì)量，又降低成本，達(dá)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(fā)展方向，相信隨著發(fā)展的需要，鈦合金在我國的市場前景會越來越好。

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