航空大型构件高强高韧钛合金的研究

航空大型构件高强高韧钛合金的研究

钛和钛合金具有强度高、耐腐蚀性好等优点，广泛用于航空、航空航天、车辆安装和生物医学工程等领域。近年来,随着航空航天业对高强度、高断裂韧性的新型结构钛合金的需要越来越迫切,因此研究具有自主知识产权,能够替代超高强度钢并用于航空大型结构件的新型高强高韧钛合金得到世界各国的重视。高强高韧钛合金一般指抗拉强度在1000MPa以上,断裂韧性在55MPa·m1/2以上的钛合金。表1为几种典型高强钛合金的概况,其中国外的高强高韧钛合金主要为美国的Ti-1023,俄罗斯的BT22合金,以及新型的Timetal555合金和VST55531合金,而中国的高强高韧钛合金则为TB2和TB10合金等。高强高韧钛合金一般都为β钛合金,组织以β相为主。这是因为β钛合金在固溶处理下的冷成型性和淬透性较好,合金时效后析出次生α相(αs)可大幅度提高合金强度。1国外高强高韧钛合金1.1ti-1083和tc4的铸造性能Ti-1023(Ti-10V-2Fe-3Al)合金是美国Timet公司于1971年研制成功,迄今为止应用最为广泛的一种高强韧近β钛合金。Ti-1023的成功应用应归结于它是一种高结构效益、高可靠性和低制造成本的锻造钛合金。为了提高合金的锻造性能和断裂韧性,要求合金中Fe的含量低于2%,O的含量限制在0.13%以下。在同等强度等级下,合金在两相区固溶处理得到的组织具有良好的塑性。合金经热处理后其Rm为965~1310MPa,KIC为99~33MPa·m1/2,有较好的强韧性匹配关系。Ti-1023之所以能够作为大型锻件用于结构材料中,主要因为合金具有良好的锻造性能。Boyer将Ti-1023与TC4的锻造流变应力进行比较,表明在使用相同的锻造设备和模具时,Ti-1023更易于变形。换言之,Ti-1023比TC4可以在更低的温度下模锻,而锻后经热处理还可获得更佳的性能。在不同的锻造工艺和热处理条件下,Ti-1023合金形成不同的α相和ω相:固溶处理水冷,生成水冷ω相;β区水冷经低于450℃时效,生成等温ω相;时效温度超过400℃的时,均匀α相在等温ω相上形核;经过连续时效处理,α相转变为细小的短针状片层,均匀分布在β基体上;两相区固溶生成晶界α相。该合金由于含有2%Fe,在熔炼时容易因成分偏析产生“β斑点”。“β斑点”实际上是一种β转变温度比基体低的富Fe区,当在稍微低于基体转变温度进行热处理时就会发生偏析问题。Ti-1023合金的出现填补了具有高强度,高断裂韧性和高淬透性结构钛合金的空白。用该合金代替TC4合金可以减重20%,用它代替30CrMnSiA时,可减重40%。它能提供中、高强和高韧性的棒材、板材或截面达125mm厚的锻件。现已应用于波音777客机起落架转向架梁,欧洲空客公司制造的载客量达500人以上的世界最大的客机A380的主起落架支柱。1.2bt2c合金BT22(Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr)合金是苏联在20世纪70年代研制成功的一种高合金化、高强度近β型钛合金。研究结果表明合金中添加5%Mo,5%V以及少量的Fe和Cr,即可稳定β相,在长时间加热时,其中包括在350℃下长时间应力加热也不致引起共析转变脆化。同时少量的Fe和Cr还可以解决合金熔炼时制备中间合金的问题以及解决减少合金化元素沿铸锭偏析问题。BT22合金退火状态下的组织含有各约50%的α和β相,退火状态下的强度是现有合金中退火强度最高的。固溶温度一般在690~780℃,时间1~2h,时效温度480~560℃,时间8~16h。退火后的Φ140mm~250mm锻件Rm为1080~1280MPa,KIC为65MPa·m1/2。合金在(α+β)两相区水冷并时效强化的合金,其组织由α相(α相的量决定于水冷温度)和弥散强化的β固溶体组成。合金具有强度高,韧性高,塑性好以及焊接性能优良等特点,截面淬透深度高达250mm,主要用于大型锻件和大型整体构件。俄罗斯的Su-27,伊尔IL-76、和图-204等主干线客机和重型运输机的机体和起落架的大型承力构件和部件中均使用了BT22钛合金锻造构件。BT22合金既可用于制造在350~400℃下长期工作的机身、机翼受力件及操作系统等的紧固件,也可用于制造工作温度不高于350℃的发动机的风扇盘和叶片等。但BT22合金的强度范围只能限定在1100~1300MPa,并不能进一步提高合金的强度。1.3ti-15-3合金的热性能β-21S合金(Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si)是美国Timet公司在1989年为麦道公司提供一种用于航天飞机的钛金属基复合材料中所需的抗氧化箔材而开发的亚稳β型钛合金。合金最显著的特点就是在成分中添加了0.2%Si,用以提高合金的高温性能。该合金具有良好的冷变形能力,冷轧变形量达72%~85%,抗氧化性比Ti-15-3合金高100倍,高温性能优于其他β型钛合金。该合金的典型固溶处理制度为850℃固溶处理30min空冷,组织为等轴的β晶粒。固溶后的合金的时效温度一般在480~595℃,时效时间为8~24h,其Rm为1150~1350MPa,A为6%~8%。由于β-21S合金具有良好的高温强度和抗蠕变性能,适于用于发动机衬套和喷管等,还可用作金属基复合材料的基体、铸件等。β-21S合金中合金元素含量高达21%,尤其是合金中高熔点组元Mo和Ni的含量高达17.7%(含15%Mo和2.7%Nb),在铸锭熔炼中,若炉料和熔炼工艺选择不当,极易造成铸锭成分不均或高熔点组元的偏析或夹杂。1.4航空弹簧的强度β-C合金(Ti-8V-6Cr-4Mo-4Zr-3Al)是由美国RMI公司于1969年研制成功,并于1971年申请专利的亚稳β钛合金。合金的典型热处理工艺退火或固溶处理温度在816~927℃,保温15~30min,空冷;时效温度454~538℃,保温时间4~24h,空冷。Rack指出,该合金经过927℃固溶处理,600℃,8h时效后,强度达到1200MPa,断裂韧性KIC为66MPa·m1/2。Wagner和Gregory研究表明,通过927℃固溶,440℃,72h+500℃,16h双重时效处理,合金强度可达到1400MPa,断裂韧性KIC为58MPa·m1/2。该合金具有较高的强度、韧性、低的弹性模量和较好的耐蚀性,并广泛应用于航空弹簧、高强紧固件、扭力杆、箔材蜂窝结构。尽管β-C合金在经过双重时效后强度和断裂韧性可以达到较高的水平,但其长时间的时效制度并不适合于大型锻件生产。同时由于合金元素含量较高,造成其变形抗力较高,也不适用于大型锻件的生产。1.5u2003与ti-1083异构异构材料的性能对比Timetal555(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.6Fe)合金,亦称Ti5553,是美国Boeing公司和俄罗斯VSMPO公司在BT22合金基础上,通过添加Cr的含量而共同研制的一种新型高强亚稳β钛合金。合金设计的初始目的即用于飞机上的大型锻件,且具有优异的高强度与高韧性,其强度可达1517MPa,从而替代Ti-1023合金在Boeing777的主起落架的应用。与Ti1023合金相比,Timetal555合金经固溶处理空冷后,其淬透深度可达150mm,而Ti-1023合金热处理需经水淬且淬透面厚度仅为76mm。Fanning等对Timetal555合金与Ti-1023合金、BT22合金的性能进行了对比(表2),Timetal555合金的强度-塑性-韧性的匹配要优于现有的Ti-1023与BT22合金,较高的淬透性更适合于大型锻件进行热处理。Harper等指出Timetal555合金经热处理后有两种典型的组织,分别为片层和双态组织。合金经β相区固溶处理后,组织为片层或双片层组织;经(α+β)相区固溶处理后,组织为双态组织。美国使用Timetal555合金做成了1∶1的飞机起落架,将该合金列为Boeing777飞机起落架转向架横梁。1.6试验条件及时效处理制度俄罗斯新设计的VST55531(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr)合金是俄罗斯VSMPO与欧洲空客公司联合开发应用于飞机A380的一种新型钛合金。VST55531合金在(α+β)两相区终锻,固溶温度790℃,保温3h,空冷,时效温度560℃,保温8h,其抗拉强度最高可达1350MPa,屈服强度1255MPa,延伸率10.5%,断裂韧性可达51.5MPa·m1/2。合金成分中不含有Fe元素,使得合金在熔炼过程中避免了存在富Fe偏析而导致的β斑。该合金具有良好的断裂韧性和高强度匹配特点,合金亦有良好的淬透性,因此比较适用于机翼/吊挂接头、起落架以及起落架/机翼接头等要求高强高韧的零件。国内学者也对VST55531进行了初步的研究,结果表明:试验条件,VST55531合金的优化制度为820℃固溶1h空冷,580℃时效4h空冷,其抗拉强度可达1370MPa,屈服强度1340MPa,延伸率9.0%。合金组织主要为20%左右的等轴αp和时效析出弥散状的αs相。经过时效处理后,随着时效温度的提高,VST55531合金的延伸率和断面收缩率提高,时效析出的αs相数量增多且粗化聚集,导致合金强度下降。2国内高强高韧钛合金2.1固溶过程及铝合金的应用中国的高强钛合金发展也比较早,20世纪60年代初期北京有色金属研究院研制出了Ti-5583(Ti-3Al-5Mo-5V-8Cr)合金,研制工作和应用取得了较大的进展,并于1969年列入冶金部标准,牌号为TB2。TB2合金主要通过Mo,Cr和V稳定β相,同时V的添加有益于提高合金的塑性。典型的热处理工艺为固溶温度在稍高于β相变点(800±10)℃,保温3~30min,空冷;时效温度(500±10)℃、保温时间8~24h,空冷或炉冷。TB2合金经该工艺处理后,其时效后的Rm在1100~1200MPa,A在12%左右。该合金在固溶处理状态下具有良好的冷成形性能和焊接性能,在固溶时效状态下具有高的强度和良好的塑性相匹配。但这种合金作为大型锻件时,锻造抗力较大,需要在1000℃的高温下锻造,但也难以保证整个截面获得足够的变形量。TB2合金是在我国人造卫星上作为结构材料应用的第一个高强度钛合金,该合金主要用于星箭连接带已在我国各种型号的卫星上使用了20多次,至今仍在使用。同时该合金制作的铆钉、紧固件、固体火箭发动机壳体也应用于航空航天领域。2.2高强高韧钛合金北京有色金属研究总院在对TB2合金改造的基础上,通过降低Cr含量,自主研制了高强高韧近β型钛合金Ti-3Al-5Mo-5V-2Cr,合金牌号TB10。该合金中β稳定元素总含量在临界浓度附近,使得合金兼有(α+β)合金和亚稳定β型合金的性能特征,具有比强度高,断裂韧度好等特点。为了获得合金良好的综合性能,一般采用两相区固溶加二次时效的方法,其典型热处理工艺为固溶温度750~770℃,保温30~60min,水淬;时效处理500~540℃,保温8h,空冷及时效处理600~620℃,保温30min,空冷。TB10合金锻件经该工艺处理后,其Rm可达1110MPa,KIC为70.5MPa·m1/2。TB10合金主要用于航天结构件,也可用于制造飞机机身和机翼结构中的锻造零件。3存在问题及发展趋势由于航空航天业需要轻质的高强高韧钛合金,因此高强高韧钛合金就成为各国争相研究的钛合金系列之一。但现有钛合金的强度和韧性匹配不能满足航空要求,而且合金成本太高,合金性能对工艺参数敏感等问题使其应用受到了一定限制。高强高韧钛合金的拉伸延性低和可锻性差也限制了其作为大型锻件在航空航天领域的进一步应用。综合国内外的研究现状以及高强高韧钛合金所存在的问题,作者分析认为高强高韧钛合金的发展目标及趋势主要为:1.发展研制Rm≥1300MPa,KIC≥55Pa·m1/2具有自主知识产权的新型高强高韧钛合金。现有高强高韧钛合金的强韧性匹配仍不如现有高强韧钢(现有超高强合金钢的强度可达1500MPa以上),限制了钛合金的应用。随着对钛合金性能要求的提高,发展Rm≥1300MPa,KIC≥55Pa·m1/2的钛合金是以后高强高韧钛合金发展的主要趋势。2.发展Ti-Al-Mo-V-Cr系高强高韧钛合金,通过调整合金元素种类及含量的提高和进一步优化合金性能。研究发现目前高强高韧钛合金的成分基本以Ti-Al-Mo-V-Cr系为主,通过添加合金元素Fe或Zr提