钛合金材料组织性能关系课件.ppt

1、2020/11/291钛合金材料组织性能关系 报告人：朱知寿报告人：朱知寿2009年年11月月29日日 中航工业北京航空材料研究院中航工业北京航空材料研究院中航工业中航工业航材院航材院2020/11/292提 纲4钛合金组织类型的工程化定义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钛合金组织与性能的一般关系23几个研究热点问题几个研究热点问题 5结语：存在的主要差距与建议结语：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钛合金成分工艺组织性能四要素中航工业中航工业航材院航材院2020/11/293钛合

2、金成分钛合金成分-工艺工艺-组织组织-性能四要素性能四要素中航工业中航工业航材院航材院2020/11/294钛合金成分、工艺、组织和性能四要素钛合金成分、工艺、组织和性能四要素中航工业中航工业航材院航材院2020/11/295成分决定了合金类型成分决定了合金类型中航工业中航工业航材院航材院2020/11/296工艺决定了组织类型工艺决定了组织类型中航工业中航工业航材院航材院2020/11/297组织决定了性能组织决定了性能钛合金组织参数钛合金组织参数(D、d、b、)对性能的影响关系对性能的影响关系中航工业中航工业航材院航材院2020/11/298钛合金组织类型的工程化定义钛合金组织类型的工程化

3、定义中航工业中航工业航材院航材院2020/11/299(1)等轴组织等轴组织；(2)混合组织；混合组织；(3)网篮组织网篮组织；(4)魏氏组织魏氏组织钛合金组织类型的工程化定义(1)片层组织；片层组织；(2)过渡组织过渡组织(3)球状组织球状组织普通分类方法普通分类方法国外一般分类国外一般分类国内普通分类国内普通分类中航工业中航工业航材院航材院2020/11/29104、片层组织、片层组织、网篮组织、网篮组织、双态组织、双态组织1、等轴组织、等轴组织钛合金组织类型的工程化定义适合工程应用适合工程应用的分类的分类中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2911等轴组织及其类型变化等轴组织及其

4、类型变化钛合金组织类型的工程化定义近近 型型合金合金+型型合金合金近近 型型合金合金 等轴组织等轴组织(等等+转转)特征：特征：等轴等轴40以上以上 等轴等轴，有球形、椭圆形、橄榄形、棒锤形、短棒形等多种形态，有球形、椭圆形、橄榄形、棒锤形、短棒形等多种形态中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2912双态组织及其类型变化双态组织及其类型变化（混合组织）（混合组织）钛合金组织类型的工程化定义近近 型型合金合金+型型合金合金近近 型型合金合金 等轴组织等轴组织(等等+转转)特征：特征：等轴等轴40 等轴等轴，有球形、椭圆形、橄榄形、棒锤形、短棒形等多种形态，有球形、椭圆形、橄榄形、棒锤形、

5、短棒形等多种形态中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2913网篮组织及其类型变化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破碎晶界 网篮组织网篮组织转（变形的）转（变形的）特征：特征：等轴等轴0 0 转（变形的）转（变形的）具网篮编制状为主要特征具网篮编制状为主要特征断续晶界断续晶界 大块大块 中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2914片层组织及其类型变化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粗大片层 片层组织片层组织转（不变形的）转（不变形的）特征：特征：等轴等轴0 0 转（不变形的）转（不变形的）以片层状为主要特征，片层厚度不同，形态不同（以片

6、层状为主要特征，片层厚度不同，形态不同（6级）级）典型片层典型片层 针状细小针状细小（魏氏组织）（魏氏组织）中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2915钛合金组织类型的工程化定义中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2916钛合金组织与性能的一般关系钛合金组织与性能的一般关系中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2917钛合金组织与拉伸性能的关系拉伸性能拉伸性能：退火（片层）组织退火（片层）组织塑性最差、塑性最差、双态最好、双态最好、加加工（网篮）组织各向异性大工（网篮）组织各向异性大 中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2918钛合金组织与断裂韧性关系断裂韧度断裂

7、韧度KIC：退火组织退火组织较高、较高、双态居中、双态居中、加工组织最高加工组织最高中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2919钛合金组织特征与da/dN性能关系da/dN:退火组织退火组织最低、最低、加工组织居中、加工组织居中、双态最差双态最差中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2920钛合金组织与疲劳性能关系疲劳强度疲劳强度：退火退火(片层片层)组织组织居中、居中、双双态最好、态最好、加工加工(网篮网篮)组织组织各向异性大各向异性大中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2921原始晶粒尺寸与钛合金性能匹配关系随着随着晶粒的增大，合金的断裂韧性和屈服强度逐渐降低晶粒的增

8、大，合金的断裂韧性和屈服强度逐渐降低中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2922MicrostructuresABC 强韧性匹配强韧性匹配：退火组织退火组织只提高强度时，塑性与韧性大为降低只提高强度时，塑性与韧性大为降低中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2923使用性能使用性能：晶粒粗大时：晶粒粗大时，强度与韧性变化不大，但塑性与疲劳强，强度与韧性变化不大，但塑性与疲劳强度却大为降低度却大为降低中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2924相含量与钛合金拉伸性能的关系随着初生随着初生 相含量的增加，合金的抗拉强度和屈服强度相含量的增加，合金的抗拉强度和屈服强度变化只有变

9、化只有50MPa，而延伸率和断面收缩率则迅速增加。，而延伸率和断面收缩率则迅速增加。中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2925热处理制度热处理制度b(MPa)0.2(MPa)5(%)(%)KIC(MPam1/2)s厚度厚度760/2h WQ+480/8hAC144813733.88.137.30.05m760/2h WQ+520/8hAC1245118810.326.858.90.08m760/2h WQ+540/8hAC1222117011.633.563.70.10m760/2h WQ+580/8hAC1048101817.353.699.80.15m760/2h WQ+620/

10、8hAC101898620.062.997.70.20m时效温度对时效温度对Ti-10V-2Fe-3Al合金力学性能与次生合金力学性能与次生 尺寸的影响尺寸的影响随着次生随着次生相的片层厚度的增加，合金的强度下降比较明显，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。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中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2926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中航工业中航工业航材院航材院2020/11/

11、2927钛合金组织控制技术，实现综合高性能目标钛合金组织控制技术，实现综合高性能目标中航工业中航工业航材院航材院2020/11/29281 1、基本要求：强韧性匹配、强塑性匹配、基本要求：强韧性匹配、强塑性匹配2 2、使用要求：高疲劳性能与损伤容限性能匹配、疲劳性能、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与蠕变持久性能匹配3 3、加工要求：热工艺简单易行、加工成形性能优异（如焊、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）接性能、超塑成形性能等）4 4、其它综合性能：低的缺口敏感性、良好的耐环境稳定性、其它综合性能：低的缺口敏感性、良好的

12、耐环境稳定性、抗应力腐蚀与抗氢脆能力、抗应力腐蚀与抗氢脆能力、综合高性能综合高性能中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2929（一）对高强度钛合金，采用钛合金准（一）对高强度钛合金，采用钛合金准 锻造锻造工艺，获得高塑性工艺，获得高塑性网篮组织网篮组织，是实，是实现综合高性能目标的有效途径现综合高性能目标的有效途径中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2930 采用新型采用新型“准准 锻造工艺锻造工艺”(授权发明专利授权发明专利:ZL 01131237.8)，控制复杂、变截面、大尺寸整体，控制复杂、变截面、大尺寸整体航空锻件的网篮组织航空锻件的网篮组织均匀性均匀性，获得了具有高获

13、得了具有高强、高韧、高疲劳性能和低强、高韧、高疲劳性能和低da/dN的综合性能。的综合性能。例子例子1：高强韧损伤容限型：高强韧损伤容限型TC21钛合金钛合金621所所中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2931TC21钛合金相比美钛合金相比美Ti62222S钛合金具有更加优异的综合性能匹配钛合金具有更加优异的综合性能匹配中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2932 TC18钛合金是我国大型运输机大量选用的高强韧钛合金，钛合金是我国大型运输机大量选用的高强韧钛合金，也采用新型也采用新型“准准 锻造工艺锻造工艺”，获得了高性能综合匹配，获得了高性能综合匹配。例子例子2：高强韧：高

14、强韧TC18(BT22)钛合金钛合金取向取向 bMPa 0.2MPa 5%KIC MPam0.5L11201125 10751080 1413 4033 74.371.2 L11541176 11171138 14.212.4 40.849.1 76.176.8 指标指标1080 1010 8 20 60 中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2933 TC6钛合金是普遍应用的中强度钛合金，采用新型钛合金是普遍应用的中强度钛合金，采用新型“准准 锻锻造工艺造工艺”，也获得了高性能综合性能，并在某歼击机上得，也获得了高性能综合性能，并在某歼击机上得到应用到应用。例子例子3：中强度：中强度T

15、C6(BT31)钛合金钛合金锻锻造造取取向向 bMPa 5%KICMPam0.5da/dNx10-4 DMPa+L1080111014184549556311.2566T1105112012153437准准L103510951417354775957.4650T1075110016183842中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2934（二）对中等强度钛合金，采用钛合金（二）对中等强度钛合金，采用钛合金准准 热处理热处理工艺，获得高塑性工艺，获得高塑性片层组织片层组织，也是实现综合高性能目标的有效途径也是实现综合高性能目标的有效途径中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2935采

16、用新型采用新型“钛合金准钛合金准 热处理工艺热处理工艺”(专利号专利号ZL 2004 10090864.3)，解决了：解决了：(1)片层组织塑性低；片层组织塑性低；(2)复杂截面复杂截面特大型锻件组织性特大型锻件组织性能均匀性；能均匀性；(3)普通普通 热处理在热处理在实际生产实际生产控制难等技术关键。控制难等技术关键。例子：中强高损伤容限型例子：中强高损伤容限型TC4-DT钛合金钛合金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所所中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2936 美国美国F-22飞机和飞机

17、和C-17等大型运输机上也大量采用了普通等大型运输机上也大量采用了普通 退退火态的火态的Ti6Al4V ELI损伤容限钛合金，在其它性能相当的情况损伤容限钛合金，在其它性能相当的情况下，下，TC4-DT钛合金采用准钛合金采用准 热处理可得到较高的塑性与疲劳热处理可得到较高的塑性与疲劳性能（性能（以满足我国飞机设计需求以满足我国飞机设计需求）。与美国与美国Ti-6Al-4V ELI合金对比合金对比中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2937（三）对高温钛合金，采用钛合金近（三）对高温钛合金，采用钛合金近 锻造锻造工艺，可获得高温综合性能好的工艺，可获得高温综合性能好的双态组织双态组织中航

18、工业中航工业航材院航材院2020/11/2938近近锻造锻造+相转变点相转变点Ti稳定元素含量（稳定元素含量（%）15钛合金二元相图示意钛合金二元相图示意近近 锻造工艺即在锻造工艺即在相变点以下相变点以下15加热锻造，并控制锻后冷加热锻造，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持久性能的综合匹配例子：发动机用例子：发动机用TC11和和TC17高温钛合金高温钛合金TC11TC17西北工业大学西北工业大学中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2939（四）对钛合金大规格棒材，采用钛合金铸（四）对钛

19、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超声波探伤缺陷可检性等均好的等轴组织等轴组织中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2940几个研究热点几个研究热点 斑点冶金缺陷控制斑点冶金缺陷控制织构织构新材料组织性能新材料组织性能新工艺组织性能新工艺组织性能中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2941定义：定义：相（等轴或条状）含量少于基体的相（等轴或条状）含量少于基体的20%一种冶金缺陷一种冶金缺陷特征：低倍一般显亮点，也有黑点，高倍显黑斑，特征：低倍一般显亮点，也有黑点，高倍显黑斑，硬度稍高

20、硬度稍高形成原因：形成原因：Fe偏析，其它含偏析，其它含Mo、Cr、Mn等等 共析共析元素偏析元素偏析中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2942SP700棒材棒材TC18（BT22）锻件）锻件Ti1023锻件锻件中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2943斑对斑对Ti-10-2-3钛合金塑性钛合金塑性 和低周疲劳性能的影响和低周疲劳性能的影响中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2944生产时控制：生产时控制：（1）合金化控制：避免合金化控制：避免Fe等元素的添加等元素的添加 （2）成分均匀性控制：布料均匀、熔化与凝固速率成分均匀性控制：布料均匀、熔化与凝固速率 （3）

21、加热控制：锻造或热处理时在相变点上或下加热控制：锻造或热处理时在相变点上或下 50 C以上加热变形以上加热变形应用时控制：应用时控制：属于冶金缺陷：属于冶金缺陷：斑超标时应整炉报废（依据标准）斑超标时应整炉报废（依据标准）中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2945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：发展现状：X-射线（极图、射线（极图、ODF），），SEM（EBSD），），TEM等等取向与疲劳裂纹形成关系取向与疲劳裂纹形成关系（F.Bridier，France）相的相的ND取向图（取向图（621所、北工

22、大）所、北工大）(钛合金准钛合金准 锻造大块锻造大块 相形成机理相形成机理)中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2946Ti5553：代替：代替BT22与与Ti1023因有因有 斑等而用在斑等而用在B787上上B787飞机起落架梁飞机起落架梁（V.Vladislav）低倍低倍1高倍高倍200中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2947GUM合金：超高强度、低弹性模量，合金化及强化机理研究合金：超高强度、低弹性模量，合金化及强化机理研究日本丰田公司研制的日本丰田公司研制的GUMGUM钛合金特性钛合金特性中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2948超细化工艺：大塑性变形（超

23、细化工艺：大塑性变形（SPD）高压扭转变形高压扭转变形(HPT)、等通道挤压（等通道挤压（ECAP）等，热氢处理）等，热氢处理(THT)、循环热处理循环热处理(CHT)、其它热机械处理等其它热机械处理等纯钛经多次累计纯钛经多次累计SPDSPD变形后的细化与强化效应（变形后的细化与强化效应（D.TeradaD.Terada，JapanJapan）中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2949基础研究方面：基础研究方面：虽然钛合金的组织与性能关系研究热点多，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。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：

24、应用基础研究方面：（1）以）以“表象表象”或基本性能研究为主，应加强新材料与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。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）综合高性能要求下的组织参数设计与控制研究不多，追求单一高性能的组织，追求单一高性能的组织-性能关系研究较多（如极端条件性能关系研究较多（如极端条件或极限性能研究）。或极限性能研究）。（3）加强特种加工工艺条件下（如激光成形、特种焊接）加强特种加工工艺条件下（如激光成形、特种焊接、爆炸复合等）的组织性能关系研究，建立相应规范与标准、爆炸复合等）的组织性能关系研究，建立相应规范与标准。工程化技术研究方面：工程化技术研究方面：（1）应加强大尺寸）应加强大尺寸/薄细构件等复杂结构的组织均匀性与薄细构件等复杂结构的组织均匀性与织构控制研究，以及机理研究。织构控制研究，以及机理研究。（2）加强综合性能与工艺稳定性控制研究等。）加强综合性能与工艺稳定性控制研究等。结语结语存在的主要差距与建议存在的主要差距与建议中航工业中航工业航材院航材院2020/11/2950谢谢谢谢敬请指导敬请指导