航空用钛合金材料的特性及发展趋势

发布时间: 2021-03-14 23:21:02    浏览次数:

引言

钛及钛合金具有良好的综合性能,在航空航天、石油化工、生物医学、环境保护等领域的应用都很广泛,有较高的比强度,良好的耐腐蚀、耐高温等性能,在金属材料王国中被称为“全能金属”,是继铁、铝之后极具发展前景的“第三金属”和“战略金属”[1] ,作为高性能航空航天结构的关键材料,其性能对飞行器结构、质量、效率、服役可靠性和使用寿命都具有重要的作用。

作为飞机上重要的结构材料和功能材料,近十几年国内外关于钛合金材料的应用及研究也越来越多。战斗机和轰炸机的用钛量在不断提高,美国的 F-15,从 20%升至 27%,美国 F-22 战机的用钛量升为 41% [2] 。

1、钛合金的特点及应用

钛有两种晶格类型,相互之间可以发生同素异构转变:温度在 882益以下时,为 α-Ti (hpc),晶格结构为密排六方,温度在 882益以上时,为 β-Ti (bcc),晶格结构为体心立方。合金元素的不同对相变温度的影响也很大,可分为三类:

1)稳定 α 相,能提高相变温度的 α 稳定元素有:Al、C、O、N 等;

2)稳定 β 相,能降低相变温度的 β 稳定元素有两类:同晶型 Mo、Nb、V 等;共析型 Cr、Mn、Cu、Fe 等;

3)中性元素,其对相变温度的作用很小:Zr、Sn 等。不同元素对相变温度的作用不同,对应的温度变化如图1所示。

不同元素对相变温度的影响

钛密度为 4.5g/cm3 ,属于轻金属,熔点为 1669℃,化学活性大,容易与空气中的氧发生反应生成致密的氧化膜,阻止进一步氧化,高温时,反应剧烈,氧化膜脱落会加速反应速度,所以,在钛合金的制备过程中,真空或气体保护是非常必要的。

钛合金作为应用广泛的结构材料,比铝、钢强度高,而且在海水中有较好的抗腐蚀和耐低温的性能。目前,飞机的机架、起落架、机身蒙皮以及发动机的叶片等制造材料的选择,主要来源于钛合金及其复合材料,基于钛合金的发展水平,可以作为判断先进水平检测的重要指标 [4] 。随着钛合金用量的不断增加,其应用也越来越广泛。由于钛的无毒、质轻、耐腐蚀、强度高以及较好的生物相容性等特点,可以作为植入人体的植入物和手术机械等材料;鉴于其良好的结构弹性,可以用来减轻设备的质量,提高性能,增加寿命。例如 Ti-6Al-4V 制造的榴弹炮座,质量降低了31%,采用钛合金代替轧制均质钢,在制造坦克其它部件的过程中,减重可达 420kg 以上 [5] 。钛合金在航海领域也有很好的发展前景,其耐蚀性、高比强度、无磁等特性使得其在发动机、螺旋桨、声纳系统等装置的应用极为广泛。

2、钛合金的分类

钛会发生同素异构转变,在低温时,稳态的 α-Ti 是密排的晶格结构;高温时,β-Ti 的体心晶钛合金组织有 α 型、α+β 型、β 型三种结构,对应的符号为 TA、TC、TB。

 α-Ti和β-Ti晶胞结构

2.1 α 型钛合金

α 钛合金是单相合金,其组织是 α 相固溶体,符号用TA 表示。合金的主要元素为中性元素或 α 稳定元素,例如 Al、Sn、Zr 等,基本不含 β 稳定元素。工业纯钛,组织均为 α 相,属于典型的 α 型钛合金。α 型钛合金的抗氧化能力和切削加工性能良好,其强度和蠕变抗力在 500~600℃范围内仍可维持,缺点是无法实行热处理工艺进行强化,室温的强度相对较低,退火后的强度变化量很小或基本无变化。

2.2 α+β 型钛合金

α+β 型钛合金的组织为 α 相、β 相的两相合金,符号用 TC 表示。它是双相合金,α 相和 β 相的比例取决于合金的成分,主要与 β 稳定元素的含量有关,β 相所占的比例约为 1/20~1/4。α+β 型合金有较好的组织与性能,比较适合热处理强化,热加工过程中最能体现合金的塑韧性和高温变形能力。这类合金最大的特点是可以通过不同的热处理工艺,获得不同的组织形态如魏氏组织、网篮组织、双态组织和等轴组织,进而得到不同的合金性能。

2.3 β 型钛合金

β 钛合金是由 β 相组成的单相合金,符号用 TB 表示。其中,β 稳定元素的含量大于 17% [6] ,β 单相组织的晶粒一般要大于等轴的 α 或 α+β 组织,并且可以进行淬火、时效强化。强度高,变形能力好,但焊接性能和热稳定性较差,长期处于高温条件下会产生硬脆相,因此不宜在高温下使用,并且耐热性也不好。

3、钛合金的典型组织

TC4 是典型的 α+β 双相钛合金,优点是可以进行热处理强化,热处理工艺不同,合金的显微组织也不同,主要有以下四类,其显微组织如图 3 所示 [7] :

3.1 魏氏组织

第一类如图 3(a)所示为魏氏组织,其组织特点是 β晶粒比较清晰且保存完整,晶界比较明显,晶内 α 相呈层片状、粗针或细针状规则排列,生成的条件是在 β 相区热加工或 β 相区退火,且变形量小于 50%,从 β 转变温度以上缓慢冷却。冷却的快慢对 α 相的大小影响很大,快冷时,得到的 α 相较窄,缓慢冷却时,获得的 α 相较宽,快速冷却时,可能得到的针状的马氏体 α [8] 。魏氏组织有良好的断裂韧性,原始 β 晶粒及完整“晶界”的存在可以限制裂纹的扩展速度。由于没有其它相的牵制,β 相的晶界容易迁移,造成晶粒长大,因此合金塑性、疲劳性较差,拉伸性能不好,所以在实际的工业生产中,应该尽量避开这种组织的出现。

3.2 网篮组织

第二类如图 3(b)所示为网篮组织,网篮组织是在 β相区加热,并在 α+β 相区最终变形的结果,变形量较大,大约为 0.5~0.8,β 相及晶界的处 α 相被破坏,冷却后 α 束变细,尺寸也变短小,且相互交错杂乱排列,呈网篮状,最后形成了网篮组织;特点是 α、β 交错排列强度高,但塑性差,与魏氏组织相比,其塑性,疲劳韧性比较高,但断裂韧性低,目前可代替魏氏组织应用于在高温条件下长期受力的零部件。

3.3 双态组织

第三类如图 3(c)所示为双态组织,双态组织是在热处理温度低于 β 相变点较少加热或变形时获得的综合性能比较好的组织,其组织特点是在转变 β 组织上分布一定数量的等轴的初生 α 相。一种是片状 α 束域,分布在 β 转变组织中;另一种是分布在 β 转变组织间,数量小于 50%的 α相,这种 α 相是等轴状。双态组织不仅有较高的疲劳强度、塑性,其蠕变性能、热稳定性能及疲劳性能也比较好。

3.4 等轴组织

第四类如图 3(d)所示为等轴组织,等轴组织与双态组织相同,都是初生的 α 相和 β 转变组织,只是初生 α 相的含量有差异(大于 50%)。等轴组织加热属于 α+β 相区,变形温度较高,会发生再结晶,获得完全等轴的 α+β 组织,如果变形温度较低时,再结晶部分发生或者不发生时,可进行再结晶退火,仍可获得等轴组织,钛合金中等轴 α相的含量影响合金的塑性,含量越高,塑性越好。其组织特点刚好与魏氏组织相反,优点是良好的塑性、疲劳强度及抗缺口敏感性,缺点是断裂韧性,蠕变性能相对较差。

钛合金典型的显微组织

4、展望

随着科技的进步和现代工业的发展,钛合金在军工和民用领域的应用也越来越广泛,在汽车行业,钛合金的应用不仅能减重,更能满足环保的要求,未来航空航天和推力系统需要钛合金材料具有更小的密度,更高的强度、工作温度和弹性模量,对材料性能的要求也逐渐提高,高强度、高硬度、高耐热性的材料越来越受各领域的青睐,优质轻型金属材料的钛合金必将代替部分传统的材料,既减轻质量,又降低成本,达到降低能源消耗的目的,因此高性能钛合金的研究已成为重要的发展方向,相信随着发展的需要,钛合金在我国的市场前景会越来越好。

参考文献

[1]刘奇先,刘杨,高凯.合金的研究进展与应用[J].航天制造技术,2011,8(4):45-48.

[2]吴欢,赵永庆,葛鹏,等.β 稳定元素对钛合金 α 相强化行为的影响[J].稀有金属材料与工程,2012,41(5):807-810.

[3]白新房,赵永庆,郑翠萍,等.不同组织形态 TC4 钛合金力学性能研究[J].钛工业进展,2011,28(3):27-29.

[4]何丹琪,石颢.钛合金在航空航天领域中的应用探讨[J].中国高新技术企业,2016,27(18):50-51.

[5]Klenz E. Titaniium Industry Overview [C]. InternationalTitanium Association: TITANIUM 2008. 2008, 117-119.

[6]黄晓艳,刘波,李雪.钛合金在军事上的应用[J].轻金属,2005(9):51-53.

[7]金和喜,魏克湘,李建明,等.航空用钛合金研究进展[J].中国有色金属学报,2015(2):280-292.

[8]蔡一湘,李达人.粉末冶金钛合金的应用现状[J].中国材料进展,2010,29(5):31-37.

[9]任朋立.高温钛合金的应用及其发展前景[J].新材料产业,2014(3):56-58 

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