钛合金材料组织性能关系

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 1 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 2 钛合金成分 工艺 组织 性能四要素 3 钛合金成分 工艺 组织和性能四要素 4 成分决定了合金类型 5 工艺决定了组织类型 6 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 7 钛合金组织类型的工程化定义 8 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 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 9 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 10 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 11 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 12 网篮组织及其类型变化 钛合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 13 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 14 钛合金组织类型的工程化定义 15 钛合金组织与性能的一般关系 16 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 17 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 18 钛合金组织特征与da dN性能关系 da dN 退火组织最低 加工组织居中 双态最差 19 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 20 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 21 MicrostructuresA B C 强韧性匹配 退火组织只提高强度时 塑性与韧性大为降低 22 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 23 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 24 时效温度对Ti 10V 2Fe 3Al合金力学性能与次生 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 25 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 26 钛合金组织控制技术 实现综合高性能目标 27 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 28 一 对高强度钛合金 采用钛合金准 锻造工艺 获得高塑性网篮组织 是实现综合高性能目标的有效途径 29 采用新型 准 锻造工艺 授权发明专利 ZL01131237 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 30 TC21钛合金相比美Ti62222S钛合金具有更加优异的综合性能匹配 31 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 32 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 并在某歼击机上得到应用 例子3 中强度TC6 BT31 钛合金 33 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 34 采用新型 钛合金准 热处理工艺 专利号ZL200410090864 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 35 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Ti6Al4VELI损伤容限钛合金 在其它性能相当的情况下 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 36 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 37 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 38 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 39 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织性能 40 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 41 SP700棒材 TC18 BT22 锻件 Ti1023锻件 斑可以在许多钛合金中存在 42 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 43 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50 C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 44 晶体学织构 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 45 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 46 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 47 超细化工艺 大塑性变形 SPD 高压扭转变形 HPT 等通道挤压 ECAP 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 48 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