损伤容限钛合金的研究进展及应用现状

ResearchDevelopmentandApplicationofDamage

ToleranceTitaniumAlloy

房卫萍1,2,陈󰀁沦3,史耀武1,虞文军4,毛智勇2,唐振云2

(1北京工业大学材料科学与工程学院,北京100124;

2北京航空制造工程研究所高能束流加工技术重点实验室,北京100024;

3驻成都飞机工业集团有限责任公司海军代表室,成都610092;

4成都飞机工业集团有限责任公司,成都610092)

FANGWei󰀁ping1,2,CHENLun3,SHIYao󰀁wu1,

YUWen󰀁jun4,MAOZhi󰀁yong2,TANGZhen󰀁yun2

(1CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BeijingUniversityofTechnology,

Beijing100124,China;2KeyLaboratoryofHighEnergyDensityBeamProcessing

Technology,BeijingAeronauticalManufacturingTechnologyResearchInstitute,

Beijing100024,China;3RepresentativeOfficeofNaval,ChengduAircraft

IndustrialGroupCo.,Ltd.,Chengdu610092,China;4ChengduAircraft

IndustrialGroupCo.,Ltd.,Chengdu610092,China)

摘要:本文综述了Ti󰀁6Al󰀁4VELI,TC4󰀁DT,TC21和TA15ELI四种损伤容限钛合金的研究新进展及其应用。指出

Ti󰀁6Al󰀁4VELI损伤容限合金在国外已经成功应用于飞机制造中,而TC4󰀁DT,TC21,TA15ELI三种损伤容限钛合金

在国内处于开发研究阶段。重点介绍了TC4󰀁DT,TC21,TA15ELI的断裂韧性、疲劳裂纹扩展速率等损伤容限性能及

其影响因素,指出片层组织有利于损伤容限性能的提高。

关键词:钛合金;损伤容限;研究;应用

中图分类号:TG146.2+3󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁文章编号:1001󰀁4381(2010)09󰀁0095󰀁04

Abstract:Thedamagetolerancetitaniumalloys,suchasTi󰀁6Al󰀁4VELI,TC4󰀁DT,TC21andTA15

ELIalloys,weresummarized.Thedevelopmentprocessandthenewstudyofdamagetolerancetitani󰀁

umalloywereintroduced.ItpointedoutthatTi󰀁6Al󰀁4VELIalloywassuccessfullyusedintheair󰀁

planemanufactureindustryinforeigncountries.However,TC4󰀁DT,TC21andTA15ELIalloyswere

stillunderresearchinourcountry.Thefracturetoughnessandfatiguecrackpropagationrateproper󰀁

tiesofTC4󰀁DT,TC21andTA15ELIalloyswereimportantlydiscussedindetail.Thelamellarmicro󰀁

structurewasbeneficialtoimprovethedamagetolerancepropertiesoftitaniumalloys.

Keywords:titaniumalloy;damagetolerance;research;application

󰀁󰀁20世纪60年代末70年代初出现的多起飞机机

体断裂事故,使人们开始提出以断裂力学为基础的损

伤容限设计概念[1,2]。它要求材料具有较高的断裂韧

度KIC,较低的裂纹扩展速率da/dN和较高的疲劳裂

纹扩展门槛值󰀁Kth。1974年,美国空军首次颁布全

新飞机结构抗断裂设计的第一部规范󰀂美国空军飞机

损伤容限要求MIL A 83444!。从此,美国多种军

机开始采用损伤容限的原则和概念进行新机设计和老

机评定[3]。

钛合金作为飞机构件的主要材料,需要满足损伤容限设计要求。目前国内外主要通过降低合金间

隙元素(C,N,O等)含量和󰀂处理工艺(包括󰀂加工

和󰀂热处理)的方法来提高钛合金的损伤容限性

能[4]。

钛合金的显微组织复杂,不同的组织形貌具有不

同的性能。因此,通过改变加工工艺来获得相应的显

微组织形貌是提高钛合金损伤容限性能行之有效的一

种方法[5]。目前,国外典型的损伤容限钛合金有Ti󰀁6󰀁

4ELI和Ti󰀁6󰀁22󰀁22S,国内主要有TC4󰀁DT,TC21,

TA15ELI等。95󰀁损伤容限钛合金的研究进展及应用现状1󰀁超低间隙Ti󰀁6Al󰀁4V合金(Ti󰀁6Al󰀁4VELI)

在钛合金中,Ti󰀁6Al󰀁4V合金的研究比较成熟,其

用量占所有钛合金用量的50%以上。因此,超低间隙

Ti󰀁6Al󰀁4VELI合金得到了广泛关注。该合金是在普

通Ti󰀁6Al󰀁4V基础上通过调整合金元素Al,V的允许

波动范围,降低合金杂质间隙元素C,N,O和Fe的最

高允许含量制得的。其名义成分如下:Al5.5%~

6.5%(质量分数,下同),V3󰀂4%~4.5%,Fe∀

0󰀂25%,C∀0.08%,O∀0󰀂13%,N∀0.05%,H∀

0󰀂012%,Ti余量。Ti󰀁6Al󰀁4VELI合金的Al允许波

动范围较Ti󰀁6Al󰀁4V要窄,C,O和Fe元素的最高允

许含量降低,使得该合金的断裂韧度高于93MPa#

m1/2(T󰀁L),而强度仍然高于841MPa。Prasad[6]等人

研究了含氧量为商业标准级别(0.18%O)和超低间隙

(ExtraLowInterstitial,ELI)级别(0󰀂13%O)的等轴

( +󰀂)Ti󰀁6Al󰀁4V合金的锻造成型特点。在750~

1100∃和10-3~100s-1应变速率范围内,ELI级别的

Ti󰀁6Al󰀁4V发生超塑性变形的温度范围更窄,应变速

率更低,延性峰宽更窄,加工过程中需要更精确的温度

控制。此外,ELI级别的Ti󰀁6Al󰀁4V应避免在󰀂转变

温度附近发生变形,因为在此温度范围内,低应变速

率情况下,ELI级别的Ti󰀁6Al󰀁4V容易存在孔洞形核

和边缘裂纹萌生[7]。Ti󰀁6Al󰀁4VELI丝材在10-4~

10-3s-1应变速率范围内对超塑性成型特别敏感,其

最大应变速率敏感指数m=0.45,当应变速率低于

或高于上述范围时,材料不发生超塑性变形[8,9]。

在军用飞机上,美国将Ti󰀁6Al󰀁4VELI应用于F󰀁

16战斗机的水平尾翼转轴。美国第四代战斗机F󰀁22

的2/3钛用量是Ti󰀁6Al󰀁4VELI锻件,应用结构包括

中、后部机身舱壁和隔框[10]。民机中,波音767飞机

的第一号驾驶舱挡风玻璃窗骨架采用了Ti󰀁6Al󰀁4V

ELI合金材。20世纪90年代初研制的波音777飞机

机翼桁条采用󰀂退火的Ti󰀁6Al󰀁4V代替普通工厂退火

的Ti󰀁6Al󰀁4V,旨在提高材料的损伤容限性能。当今

世界最大的民用飞机空客A380发动机支架也大

量采用󰀂退火的Ti󰀁6Al󰀁4V合金材[11]。Ti󰀁6Al󰀁4V

ELI合金还用于深海潜水器和潜艇,日本%深海6500&

使用Ti󰀁6Al󰀁4VELI合金,下潜深度达到6500m[12]。

2󰀁损伤容限TC4钛合金(TC4󰀁DT)

TC4󰀁DT合金是西北有色金属研究院和北京航空

材料研究院共同研制的具有自主知识产权的新型中强损伤容限型钛合金。该合金具有中等强度(Rm∋825MPa)、高韧性(KIC∋90MPa#m1/2)、高损伤容限

和长疲劳寿命等综合性能相匹配的特点。和其他中等

强度钛合金相比,在强度、塑性水平相当的条件下,

TC4󰀁DT具有相当高的断裂韧度和抗疲劳裂纹扩展能

力,其性能与美国第四代战斗机F󰀁22上用量最大的

Ti󰀁6Al󰀁4VELI相当。TC4󰀁DT的合金成分范围比美

国的Ti󰀁6Al󰀁4VELI限制得更严格,具体为Al5.60%

~6.35%,V3.6%~4.4%,Fe∀0󰀂25%,C∀0.05%,

O∀0.13%,N∀0.03%,H∀0󰀂0125%,Ti余量。

目前,TC4󰀁DT钛合金的裂纹扩展速率da/dN的

研究比较多。2006年,李辉[13]等人通过不同的热处理

工艺获得不同初生相含量的等轴、双态组织以及不

同片层尺寸的片层组织,研究其对疲劳裂纹扩展速率

的影响。在轧制板材T󰀁L方向上取标准紧凑拉伸

(CompactTensile,CT)试样,厚度为8mm,测试频率

f=15~20Hz,应力比R=0.1,控制最大载荷为

3500N的实验条件下,当󰀁K在0~100MPa#m1/2范

围时,细针编织状魏氏组织的da/dN

魏氏组织的da/dN

表明,细针编织状魏氏组织的抗裂纹扩展性能最好。

文献[14]报道,在给定的󰀁K下,应力比越小,细针编

织状魏氏组织的裂纹扩展速率越低,该结果与朱知

寿[15]等人的研究结果相一致。TC4󰀁DT合金裂纹扩

展速率还受取样方向和试样厚度的影响[14]。例如,在

双态组织中,T󰀁L和L󰀁T方向的da/dN数据经过三次

方非线性拟合后,󰀁K∀16.0MPa#m1/2时,T󰀁L方向

的da/dN比L󰀁T方向高。当󰀁K较小,裂纹尺寸较短

时,细针编织状魏氏组织的TC4󰀁DT裂纹扩展速率随

试样厚度的增大而减小。此外,工作温度的提高有利

于降低TC4󰀁DT板材的疲劳裂纹扩展速率。于兰

兰[16]等人采用固溶时效态的标准CT试样,在厚度为

10mm,频率为5Hz的条件下,测试了25,150∃下

TC4󰀁DT合金板材疲劳裂纹扩展速率。结果表明,

150∃的试样具有较低的疲劳裂纹扩展速率。

上述研究结果表明,TC4󰀁DT合金板材的疲劳裂

纹扩展速率受材料和实验条件共同影响。高温、低应

力比的实验条件下,细针编织状片层组织、大厚度的试

样有利于降低材料的疲劳裂纹扩展速率。

TC4󰀁DT钛合金可以小锻件拼焊结构用于飞机制

造。因此,TC4󰀁DT的焊接性能以及接头性能的变化

值得人们研究。袁鸿[17]等人采用电子束焊接技术焊

接了45mm厚的经两相区退火的TC4󰀁DT钛合金锻

造板材,焊后对接头进行600∃/3.5h去应力退火,测

试其焊接接头的力学性能。结果表明,对TC4󰀁DT钛

合金锻件进行电子束焊接,可以获得良好的焊缝。接96󰀁󰀁材料工程/2010年9期󰀁

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钛和钛合金研究

钛及钛合金的研究

1. 引言

钛是 20 世纪 50 年代发展起来的一种重要的结构金属，因其具有质轻、

高强、耐蚀、耐热、无磁等一系列优良性能，以及形状记忆、超导、储氢、

生物相容性四大独特功能，被广泛应用在航空航天、舰船、军工、冶金、化

工、海水淡化、轻工、环境保护、医疗器械等领域，并创造了巨大的经济和社会效益，在国民经济发展和国防中占有重要的地位和作用。钛是金属材料

王国中“全能的金属”、“海洋金属”、“太空的金属”，从工业价值、资源寿命

和发展前景来看，钛被视为继铁、铝之后处于发展中的“第三金属”和“战

略金属”。根据在钛中加入 β 稳定元素的多少及退火后的组织，钛合金可分

为 α、近 α、α+β、近 β 和β 钛合金。美、日、俄罗斯以及中国等许多国家都高度重视钛合金的发展，各国根据不同国情和需求进行了各自的研

发，现已得到了广泛的应用[1~3]。

2. 钛及钛合金的特点

钛及钛合金具有许多优良特性,主要体现在如下几个方面： (1)比强度高。钛合金具有很高的强度,其抗拉强度为686~1 176 MPa,而

密度仅为钢的60%左右,所以比强度很高。

(2)硬度较高。钛合金(退火态)的硬度HRC为32~38。

(3)弹性模量低。钛合金(退火态)的弹性模量为

1.078@105~1.176@105MPa,约为钢和不锈钢的一半。 (4)高温和低温性能优良。在高温下,钛合金仍能保持良好的机械性能,

其耐热性远高于铝合金,且工作温度范围较宽,目前新型耐热钛合金的工作温

度可达550~600e;在低温下,钛合金的强度反而比在常温时增加,且具有良好

的韧性,低温钛合金在-253e时还能保持良好的韧性。

(5)钛的抗腐蚀性强。钛在550e以下的空气中,表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜,故在大气、海水、硝酸和硫酸等氧化性介质及强碱中,其耐蚀性

优于大多数不锈钢。

此外,钛还具有形状记忆、吸氢、超导、无磁、低阻尼等优良特性。纯钛

及钛合金与其他材料有关性能的对比见表1。

钛合金在飞机上的应用_杨健

NEW OBSERVATION新观察航空制造技术２００６年第１１期当今要求航空材料具有质轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、抗氧化和加工成形性好等良好的综合性能，既要保证飞机机体和发动机零件在受力、高温、腐蚀和其他作用条件下有较强的工作能力，又要使飞机达到高的技术品质。钛合金由于比强度高、耐腐蚀、耐热等良好的综合性能和结构效益高而被广泛用于航空领域，多用于制造航空发动机中要求强度高与耐热性好的重要零部件和飞机机体结构件，尤其适用于大马赫数飞行的飞机。随着航空工业的进一步发展，钛合金在飞机上的使用将越来越多。随着飞机更新换代的加速，对飞机性能要求不断提高，而飞机性能的改进首先需要从材料入手，既要选用先进材料来降低机体重量，又要考虑材料的可靠性和经济性。基于这样的背景需求，铝合金在飞机上应用的主导地位开始被削弱，逐渐被满足高性能要求的新材料所代替，其中，钛合金为飞机设计者所青睐。机承力构件。通过添加Ｓｉ元素使该合金在中温保持较高强度，优于Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ。该合金板材可在室温下进行超塑性成形，是Ｆ－２２战斗机的主要材料，用于制造飞机下部龙骨翼弦锻件。固溶时效后拉伸强度可达１２００ＭＰａ，屈服强度１１００ＭＰａ，拉伸及压缩模量比Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ高８％，裂纹扩展速率与高纯Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金相当，固溶处理后的成形性比退火态好，成为最佳选用材料。Ｔｉ－１０Ｖ－２Ｆｅ－３Ａｉ（ＴＢ６）是２０世纪７０年代后期发展的一种高强、高韧近β型钛合金。该合金具有比强度高、断裂韧性好、淬透面积大、各向异性小、锻造性能好和抗腐蚀能力强等优点，兼有亚稳β钛合金的诸多优点而不丧失α－β钛合金的固溶特性，能满足损伤容限设计需要和高结构效益、高可靠性及低成本要求，最高工作温度３２０℃。该合金主要产品有棒材、锻件、厚板和型材，用于制造飞机机身、机翼和起落架结构钛合金锻件，包括梁、框、短舱接头、襟翼滑轨等。在不考虑刚度的情况下，用该目前，国内外军民机上应用的典型钛合金有：Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ（ＴＣ４）是２０世纪６０年代初期研制的一种中等强度α－β型钛合金，具用优良的综合性能，誉称万能合金，是最早最广泛用于飞机结构的通用钛合金，包括板材、棒材和锻铸件等。该合金有较好的焊接和机械加工性能，细晶粒合金具有超塑性，采用超塑性成形／扩散连接（ＳＰＦ／ＤＢ）组合工艺可以制造飞机隔框、舱门等复杂构件。该合金一般在退火状态使用，也可在固溶时效状态使用，一般工作温度在４００℃以下。主要用于飞机结构中梁、接头和隔框等中等承力构件及紧固件，以及发动机风扇和压气机盘及叶片等，代替钢可减轻结构重量约３０％。Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｓｎ－２Ｚｒ－２Ｃｒ－２Ｍｏ（ＴＣ２１）是２０世纪７０年代研制的一种高强、高韧、损伤容限型两相钛合金。该合金在热机械处理（ＩＭＰ）后具有强度高、损伤容限性能好等优点，以及优良的抗疲劳裂纹扩展能力，适用于制造高强度、高韧性的飞４１中国一航第一飞机研究院杨健钛合金在飞机上的应用

tc4钛合金热处理工艺的研究现状及进展

装备制造与教育第三十三卷二O一九年第三期︵总第一百一十五期

︶装备制造与互联网主持：杨洪富周杰EQUIPMENTMANUFACTURINGANDEDUCATION

钛合金为同素异构体合金袁有密排六方晶格的结构的琢钛和体心立方结构的茁钛遥随着钛合金的温度改变袁组织结构发生变化袁会形成琢相和茁相钛袁在一定温度下形成琢+茁相组织钛合金袁也称双相钛合金袁我国用TC表示遥TC4钛合金属于Ti-Al-V系合金袁其具有密度小尧比强度高和良好的耐腐蚀性能等优点袁广泛应用于航空航天尧汽车尧化工和船舶等行业[1-9]遥近几年国内对TC4钛合金热处理工艺研究取得了较大成果袁但鲜有总结近几年TC4钛合金热处理工艺的研究现状的文章袁因此作者将对TC4钛合金热处理工艺的研究现状及未来发展方向做出阐述遥1固溶处理TC4钛合金在固溶处理前是典型的琢+茁型钛合金但具有冷轧成型加工困难和耐磨性差等缺点[10]袁对其进行固溶处理是为了获得稳定的等轴琢相袁TC4钛合金热处理工艺的研究现状及进展淫孟宪伟袁赵锦秀袁程建雄袁简勇袁刘世铎渊四川工程职业技术学院材料系袁四川德阳618000冤[摘要]阐述了TC4钛合金热处理工艺研究现状袁分析固溶处理中固溶温度和冷却速率尧时效处理中时效温度和时效时间对TC4钛合金的综合力学性能的影响袁并针对深冷处理减少残余奥氏体的方法进行总结遥最后袁提出TC4钛合金热处理工艺未来研究方向遥[关键词]TC4钛合金曰热处理工艺曰固溶曰时效曰深冷处理中图分类号院TG146.1+3文献标志码院ATheResearchStatusandProgressofHeat-treatmentProcessforTC4TitaniumAlloyMengXianwei,ZhaoJinxiu,ChengJianxiong,JianYong,LiuShiduo(SichuanEngineeringTechnicalCollege袁Deyang,Sichuan,618000袁China)Abstract院TheresearchstatusofheattreatmentprocessofTC4titaniumalloywasexpounded,andtheeffectsofsolutiontemperatureandcoolingrate,agingtemperatureandagingtimeonthecomprehensivemechanicalpropertiesofTC4titaniumalloywereanalyzed,andthemethodsofcryogenictreatmenttoreduceresidualausteniteweresummarized.Finally,thefutureresearchdirectionofTC4titaniumalloyheattreatmentprocessisproposed.KeyWords院TC4titaniumalloy;heat-treatmentprocess;solidsolution;aging;cryogenictreatment

TC4钛合金热处理工艺的研究现状及进展

16冶金冶炼Metallurgical smeltingTC4钛合金热处理工艺的研究现状及进展郭󰀁凯，何忝锜，和󰀁蓉（西安西工大超晶科技发展有限责任公司，陕西　西安　７１０２００）摘要：本文首先针对ＴＣ４钛合金的热处理工艺，当下在固溶处理（固溶温度、冷却速率）、时效处理（时效温度、时效时间）、深冷处理，这几方面的研究现状进行了分析，然后针对这些研究的现状，在未来的发展趋势上提出了几点分析，以供各位业界同仁参考和指导。关键词：ＴＣ４钛合金；热处理；工艺中图分类号：ＴＧ１５６文献标识码：Ａ文章编号：１００２－５０６５（２０２１）０７－００１６－２Research status and progress of heat treatment process of TC4 titanium alloyGUO󰀁Kai,󰀁HE󰀁Tian-qi,󰀁HE󰀁Rong（Ｘｉ＇ａｎ　ｘｉｇｏｎｇｄａ　Ｃｈａｏｊｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｃｏ．，　Ｌｔｄ，Ｘｉ’ａｎ　７１０２００，Ｃｈｉｎａ）Abstract:　Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ＴＣ４　ｔｉｔａｎｉｕｍ　ａｌｌｏｙ，　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｓｏｌｉｄ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　（ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｒａｔｅ），　ａｇｉｎｇ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　（ａｇｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，　ａｇｉｎｇ　ｔｉｍｅ），　ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ，　ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｉｎ　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｔｈｅｓｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｔａｔｕｓ，　ｓｅｖｅｒａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄ　ｗｅｒｅ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ，　ｆｏｒ　ｙｏｕｒ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　Ｇｕｉｄｅ．Keywords: ＴＣ４　ｔｉｔａｎｉｕｍ　ａｌｌｏｙ；　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ；　ｐｒｏｃｅｓｓ近些年来我国对TC4钛合金，在热处理的工艺研究上，取得了一些比较大的成果，TC4钛合金因此被广泛的应用到了汽车、航空航天、化工、船舶等一些行业。与此同时也存在着一些缺点，比如结构件的形状比较复杂、传统的加工在工艺上比较繁琐杂，材料的利用率偏低，制造的成本相对较高等。但是对未来的发展而言，必然是经济性好、制造的周期的短、性能优越的趋势，所以相关的科研人员，应该基于当前的研究成果，进行持续不断的研究创新。1 研究现状钛合金在性质上属于同素异构体，在结构上拥有密排的六方晶格α钛结构、体心立方的β钛结构。一旦钛合金的温度发生变化，其组织中的结构就一定会产生相应的变化，形成α相钛、β相钛，在达到一定的温度之后，就会形成一种α+β相的组织钛合金，另一个名称是双相钛合金，我国用TC来表示。TC4钛合金在性质上属于Ti-Al-V系，具备强度高、密度小、耐腐蚀性能强等优点。1.1 固溶处理TC4钛合金在经过固溶处理之前，在钛合金的类型中属于α+β型，缺点包括：耐磨性较差、冷轧成型时加工困难等，对其实施固溶处理工艺，是为了得到等轴稳定的α相、马氏体弥散的α、相、亚稳定状态的β相，等轴的α相能够让合金的力学性能得到综合性的提升，马氏体弥散的α、相能够让合金，在强度、硬度上得到提高，塑性、韧性被降低。固溶处理的工艺主要是受到两个方面的影响，分别是固溶时的速度快慢、冷却时效率的高低，以下是对这两方面的具体分析[1]。1.1.1 固溶温度TC4钛合金在固溶温度的选择上，是按照金属在加工、工作环境的不同来决定的，因为固溶温度的不同，会导致TC4钛合金在力学性能有不同的表现。固溶的合理选择对TC4钛合金，在软化上起着帮助性的作用，进而在后续的加工中减少机械的切削力，让加工在成本上得到最大的降低。实验研究发现，应变速率如果相同，那么变形时的温度会升高，因为一旦发生动态回复、动态的结晶，在加工处理时候的硬化能力就会被削弱，热变形抗力的减小速度会被加快。另一实验研究发现，β相在转变时的温度，对于强度、残余应力而言，是其发生转折的一个点。当合金固溶的温度低于β相在转变时的温度的时候，一旦固溶的温度开始上升，合金的强度伴随温度的增加，强度随之增加，残余应力也得到了缓慢的提高。当合金固溶的温度高于β相在转变时的温度的时候，出现的现象就是，固溶的温度提高之后，合金的强度伴随温度的增加，反而却呈现了下降的趋势，并且合金的残余应力开始大幅度的降低。TC4钛合金在塑性的性能方面，是伴随温度的升高反而持续的呈现下降的趋势。当合金固溶的温度高于β相在转变时的温度的时候，该合金在微观的组织上，会转化成为板条状中非常典型的魏氏体，这就是导致该合金在强度、塑性规模，呈现下降趋势最主要的原因。双态组织的应力在松弛能力方面相对比较强，而且在转变的整个过程当中，不会受到次生的α相的任何干扰，魏氏组织在残余应力方面，相对于双态组织要低一些。在TC4钛合金当中，魏氏组织、双态组织二者，都有其各自独特的优势，未来的主要研究方向应该是，对两种组织中存在的缺陷应该如何消除，进而在组织方面得到更好的性能，让TC4钛合金在未来能够广泛的，应用到日常的各个领域当中去。1.1.2 冷却速率在固溶处理工艺中冷却速率的不同，钛合金在性能的获收稿日期：２０２１－０３作者简介：郭凯，男，生于１９８５年，汉族，陕西西安人，本科，工程师，研究方向：金属材料。17冶金冶炼Metallurgical smelting取上也会不同，当下常见的冷却方式有炉冷、水冷、空冷等。实验研究发现，TC4钛合金在经过退火之后，炉冷中能够得到一种现象，那就是α相均匀的分布在β相中，内应力因此被消除，组织稳定性、使塑性由此提高，强度、硬度因此降低。另一实验研究发现，在炉冷的整个过程当中，存在着相对很深的韧窝，在得到的强度方面空冷高于炉冷。另一实验研究又发现，韧窝在空冷中也同样存在，还因此提高了空冷的冲击韧性，在获取的等轴α相中空冷比炉冷要细小，空冷的塑性由此被提升。在得到的力学性能的综合方面，由于空冷比炉冷、水冷更好，但是在强度上空冷比水冷低，因此未来的固溶处理工艺，在对冷却速率的研究上要加强，让TC4钛合金经过空冷之后，在强度、硬度上得到提高，进而让TC4钛合金在力学的综合性能上得到更好的提高。1.2 时效时效属于热处理工艺中的一种，是指能在一定的温度下，把金属放在其中一段时间，让金属的强度得到提高的一种工艺[2]。以下主要是针对时效中的温度、时间，在组织、力学性能上对TC4钛合金的影响，并且对TC4钛合金的时效处理、未来发展的方向上做出了总结。1.2.1 时效温度时效温度虽然对于出生的α相影响力方面比较小，但是对次生的α相，在尺寸上起着决定性的作用。实验研究发现，在条件相同情况之下，双态组织的TC4钛合金在动态抗拉的强度方面，随着次生片层的α相在宽度上的增加，导致其强度减小，然而在静态的力学性能中只有断后的伸长率，会随着次生的α相在宽度上的增加而加。另一实验研究发现，次生的α相体积分数在TC4钛合金中，会对屈服强度产生很大的影响。在条件相等的情况之下，时效温度越低组织越小，时效温度高低组织越大。综上所述，时效由于温度的升高而导致性能下降的主要原因是，次生α相的尺寸被增大了，因此要想让TC4钛合金在力学性能上得到提升，最关键的一点就是，对次生的α相在尺寸上实施控制。科研人员后续的主要研究方向，应该是对次生α相的具体控制，来实现TC4钛合金在力学的性能上得到更好的提升。1.2.2 时效时间实验研究发现，由于时效时间长的ω相，给初生的α相提供的形核点，导致了初生的α相在体积分数上被增大了。由于时效的时间过长，进而产生了一种激发形核的现象，导致次生的α相在TC4钛合金中的体积分数被增加、长宽比被增加、晶粒变得粗大，并且上述的这些因素会导致力学性能的降低。但是在TC4钛合金中时效时间在性能上，可能会产生的影响仍然缺乏深入的研究。1.3 深冷处理深冷处理是近些年来新兴的一种处理工艺，其可以对金属内部的组织进行改善，在进行深冷处理的时候操作比较方便，对环境也不会造成太大的污染，并且能够让在热处理之后残留的奥氏体被清除掉。实验研究发现，原始的β相会在深冷处理的过程当中，逐渐的向α、相去转变，残余应力在组织中会变少，与此同时网篮状组织的增加，会让TC4钛合金的韧性、强度、塑性，在组织上的性能得到提高[3]。由于深冷处理的工艺在对有色的金属材料，在组织、性能、影响方面的研究还没有成熟，作用的具体机理也需要进一步的去研究，而且实施深冷处理的设备，在价格方面相对比较昂贵，因此在深冷处理工艺在设备的研发上，应该加大投入的力度、规模，这样在未来的发展上能够起到有效的推动作用。2 发展的趋势针对上述对TC4钛合金在当今的热处理工艺中的现状，在其未来的发展趋势上，总结了以下几点：第一，TC4钛合中的双态组织、魏氏组织，二者既有优点也有缺点，因此在未来的研究上，应该对针对二者在缺陷上进行弥补，让TC4钛合金的力学性能得到有效的增强。第二，由于空冷对力学性能在综合性方面，起到了提高的作用，因此在固溶处理工艺中，对冷却速率开展研究的时候，对空冷要进行着重的研究，让TC4钛合金经过空冷之后，自身的强度、硬度得到有效的提高，借此来让TC4钛合金的力学性能得到有效的增强。第三，次生相的α在尺寸上的大小，取决于实效温度的大小，因此相关的科研人员，应该对在实效的过程当中，如何通过对次生向的α在尺寸大小上的控制，对来TC4钛合金在力学的综合性能机进行掌控，达到让TC4钛合金的力学性能得到有效增强的目的。第四，由于TC4钛合金在时效时间、时效温度上，对力学性能所产生的变化趋势是相似的，因此相关的科研人员应该，针对TC4钛合金在时效的时间上进行深入的研究。第五，由于深冷处理工艺的设备，在价格上比较昂贵，具体的机理也尚且不够了解，现阶段也没有得到广泛的应用，因此未来在深冷处理的设备上的研究，主要是如何让成本得到有效的降低，只有层本降低了才能大范围，被实际到的应到各个领域当中，有助于推动TC4钛合金在深冷处理工艺上的发展[4]。3 结语综上所述本文主要阐述了，TC4钛合金的热处理工艺，在当下的一些研究应用的现状，对固溶处理工艺中包含的，固溶的温度、冷却的速率，对时效处理工艺中的时效温度、时效时间，对TC4钛合金在力学性能的综合性方面的影响，并且针对在深冷处理中，奥氏体减少残留的具体方法进行了分析、总结，最后对TC4钛合金，在未来的发展趋势、研究方向上，提出了一些分析思考。[1]󰀡王新英.ZTC4钛合金固溶时效热处理工艺研究[C]//全国钛及钛合金学术交流会议.中国金属学会;中国材料研究学会;中国有色金属学会,2002.[2]󰀡鲍学淳.热处理工艺对TC4钛合金组织和力学性能的影响[J].金属热处理,2019,044(006):137-140.[3]󰀡王普强.不同热处理工艺下激光增材制造TC4钛合金组织与性能研究进展[J].航空制造技术,2020,63(10):56-65.[4]󰀡孟宪伟.TC4钛合金热处理工艺的研究现状及进展[J].装备制造与教育

钛与钛合金的发展与应用(第四篇)

钛与钛合金的发展与应用.第四篇《应用篇》

第一部分、工业纯钛的应用：

第一篇提到过，工业纯钛按照国标分为TA1-TA4不同牌号，加工成板、管、棒、丝、带等各种半成品。工业上比较常用的纯钛是TA3，因为它的耐腐蚀性和综合力学性能比较适中，抗腐蚀能力比常用的不锈钢强15倍，使用寿命长10倍。因此广泛用于石油化工设备、滨海发电装置、海水淡化装置和舰艇零部件。如果需要高强度和耐磨性，就需要采用TA4。而对成形性要求高时，就需要采用TA1或者TA2。工业纯钛对核辐射的耐受比不锈钢要高的多，长期使用也不会变脆，因此还可以用于核反应堆的零件。这是钛的工业应用。

钛完全无毒，具有良好的生物相容性，可以与骨组织紧密牢固的结合，是理想的生物材料，因此在医疗领域大显身手。高尔夫球杆和网球拍的外框、自行车的骨架也会用到金属钛。近年来，眼镜、珠宝行业，用钛量（主要是纯钛,也有部分钛合金）也在急剧上升。这是钛的生活应用。

纯钛应用，在钛工业中占到的比例不到10%。90%以上，都用在了形形色色的钛合金上

第二部分、钛合金的应用：

中国钛合金的应用领域，主要集中在石油、化工等工业领域，并逐步向航空航天、海洋化工和日常生活扩展。

表1：部分钛合金在中国的应用

和碳纤维复合材料一样，本文对钛合金重点关注的，仍然是航空航天领域的应用。下面我们就来聊聊这方面的情况。

一航空领域

重点看两个领域：

1 高温及阻燃钛合金（用于航空发动机）

2 承力及强韧钛合金（用于飞机结构）。

其实，这二者有很多交叉如发动机支撑结构件，既是耐温合金也是承力合金。咱们试着分别讨论。

1 航发用高温钛合金

表2：发动机钛合金用量

*（兵器迷推测为WS-10）

数据说话。进步，那是看得见的；差距，那是明摆着的。

结合中国的应用情况，我们重点介绍几种钛合金牌号如下：

TC4：

即钛铝钒合金Ti-6Al-4V及其各种发展型号，中国国标牌号TC-4，属于α+β合金。这是一个大家族，既有结构合金，也有耐温合金。自美国1954年作为结构合金采用以来，占美国钛合金消费量的60%（其他有25%为耐蚀合金，15%为其他结构合金）。TC-4应用历史悠久，性能数据最全、用量最大，在全球钛合金中占有最重要的基础地位。

钛合金材料在航空领域中的应用研究

随着航空运输业的不断发展，航空器的轻质化、高强度和高性能化已成为行业的发展目标之一。钛合金材料因其高强度、低密度、良好的耐腐蚀性和优异的高温性能等特点，成为航空领域中不可替代的材料之一。

一、钛合金材料的特点

钛合金是一种具有良好力学性能和物理性能的金属材料。它的密度只有钢的一半，但具有比钢更高的比强度，比弹性模量和比塑性模量更高。钛合金不仅具有良好的力学性能，还具有良好的耐腐蚀性和良好的高温性能，使得它成为航空领域中的重要材料之一。钛合金的高强度、低密度和非常良好的延展性、腐蚀性使得其越来越受到广泛关注，广泛应用于航空领域，被誉为“航空界的棒材”。

二、钛合金材料在航空领域中的应用

在航空领域中，钛合金材料广泛应用于发动机、机身、燃气轮机等方面。它可以降低整机重量，提高飞机的载荷能力和寿命，提供更稳定的性能和更长的使用寿命。在发动机领域，钛合金可以用来制造压气机叶片、燃烧室、涡轮盘等部件。使用钛合金材料可以降低发动机的质量，降低燃料消耗和排放，提高发动机的效率和性能。此外，在机身和燃气轮机中也广泛应用了钛合金材料，以提高他们的载荷能力和航行速度等性能参数。

三、钛合金材料的应用优势

1、轻质化

由于钛合金的密度很小，重量比钢轻，可以大大降低整个航空器的重量，提高其载荷能力和燃效率。

2、高强度

钛合金具有比较高的强度和刚度，在极端环境下仍然能够保持其性能，使得其在飞行、着陆和面对其他冲击或振动等情况时能够提供更好的支撑和保护。

3、抗腐蚀

由于钛合金材料耐腐蚀，可以在冷、热、潮、干等各种环境下使用，并长期保持良好的性能和外观。

4、高温性能

钛合金可以在高温环境下使用，并且可以在面对高温冲击时保持其性能和形状，比如在燃气轮机中的应用。

5、良好的加工性钛合金具有优异的加工性能，不但容易加工，还具有良好的可塑性，使得其成为一种理想的材料选择。

四、钛合金材料的挑战

植入人体的金属材料

植入人体的金属材料 1 / 7 搜集整理：Winter Yin

一、为什么优选钛或钛合金作为人体植入物

二、核磁共振对人体金属植入物的要求

三、金属植入物对放射性治疗的影响

四、电场对金属植入物的影响

附件：国内外医用钛及钛合金牌号成分简介

附件：钛合金在医学领域的应用

一、为什么优选钛或钛合金作为人体植入物

金属材料作为生物医用功能材料是材料科学的一个重要分支，用于人体植入物的历史已有４００余年。

英国较早地使用了纯金板修补颅骨、镶牙，其后陆续使用了银、铁片、铁丝及铁基合金的固定骨折关节件。１９３０年以后，英国、美国使用钴基合金作为人体植入物。第二次世界大战期间，英国、美国和日本等国家使用了大量的不锈钢作为人体植入物。

不锈钢植入人体，对镍过敏的不能植入316L或是317L。

２０世纪５０年代初，随着稀有金属工业的发展，加工态和铸态的钛、铌、锆作为人体植入物用于临床实验。

医学领域中钛合金的应用现状与发展趋势

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到锨合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。

第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金使用量已占全部钛合金的75％～85％。其他许多钛合金都可以看做是Ti-6Al-4V合金的改型。

20世纪50～60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。耐热钛合金的使用温度已从50年代的400℃提高到90年代的600～650℃。A2(Ti3Al)和r（TiAl）基合金的出现，使钛在发动机的使用部位正由发动机的冷端（风扇和压气机）向发动机的热端（涡轮）方向推进。结构钛合金向高强、高塑、高强高韧、高模量和高损伤容限方向发展。

钛铝合金制备技术现状及新进展

钛铝合金作为一种具有高强度、轻质和优良耐腐蚀性能的合金材料，在航空航天、汽车、机械制造等领域得到了广泛应用。为了满足不同领域的应用需求，钛铝合金制备技术的发展一直受到人们的。本文将概述钛铝合金制备技术的现状及新进展。

目前，钛铝合金的制备主要采用熔炼和铸造等方法。熔炼法是将钛和铝按照一定比例混合，在高温下熔化，然后进行浇铸、冷却和加工处理。铸造法则是通过铸造设备将熔融的钛铝合金倒入模具中，冷却后得到所需形状和尺寸的铸件。这些方法在生产实践中得到了广泛应用，但也存在一些不足之处，如成分控制不够精确、生产周期长、成本高等。

近年来，钛铝合金制备技术取得了许多新的进展。随着材料性能的提升，钛铝合金的强度、硬度、耐腐蚀性能等得到了显著改善。制备工艺方面也得到了很大的改进。例如，真空熔炼技术可以有效地降低杂质含量，提高合金纯度；喷射沉积技术则可以实现快速凝固，提高生产效率。一些新的生产设备和方法，如3D打印技术、离子注入技术等也在钛铝合金制备中得到了应用，进一步提高了生产效率和降低了成本。随着钛铝合金制备技术的不断发展，其应用前景也越来越广阔。在航空航天领域，钛铝合金可用于制造飞机和火箭等高速飞行器的结构件和发动机部件；在汽车领域，钛铝合金可用于制造轻量化、高强度的汽车零部件，提高汽车燃油效率和安全性；在机械制造领域，钛铝合金可用于制造高精度、高稳定性的机械设备和工具。

钛铝合金制备技术的发展对于提高合金材料性能、降低生产成本、推动相关领域的技术进步具有重要意义。未来随着科学技术不断创新，钛铝合金制备技术有望在材料性能、制备工艺和生产效率等方面取得更多突破，为各领域的发展提供更强大的支撑。

粉末冶金是一种制备材料和零件的先进技术，具有近净成形、高密度、高性能等优点。钛铝合金作为一种具有优异性能的新型材料，具有广阔的应用前景。本文将综述粉末冶金制备钛铝合金技术的现状和展望。

我国钛合金板带产业现状及生产技术研究热点分析_梁治国

我国钛合金板带产业现状及生产技术研究热点分析

金属钛作为一种稀有金属，具有密度小、强度高、耐高温、耐腐蚀、无磁、透声、抗冲击振动等良好的综合性能，是优质的耐蚀轻型结构材料、新型的功能材料和重要的生物工程材料，这些优点使钛被称为继钢铁、铝之后崛起的“第三金属”和“战略金属”，21世纪将是“钛的世纪”。据统计，我国已探明拥有8.7亿t的钛资源〔以二氧化钛（T i O

）计〕储量，占世界已探明可储量的60%左右，因此，我国有发展钛材制品得天独厚的有利条件。随着人们对物质消费的需求不断向高档次发展，钛及钛合金开始由航天、航空、国防军工领域逐渐进

■ 文/梁治国王晓晨北京科技大学国家板带生产先进装备工程技术研究中心

入化工机械、船舶工业、汽车工业与

石油天然气工业等更广泛的重工业

生产领域以及食品、医疗设备与体育

休闲业等民用消费领域。

在我国工程技术人员的不懈努力

下，近10年来钛工业发展迅速，钛加工

材产量提高约20倍，其中，2009年我国

钛及钛合金加工材产量4.1万t，占世

界总产量的30.5%。然而，具有高精度

的钛轧制件以及钛管仍有相当数量需

要进口，特别是厚度不超过0.8m m的

钛及钛合金板、片、带、箔高端产品，几

乎全部依赖进口。2010年1-6月，我国

仅厚度在0.8m m以下的钛及钛合金

板带材进口量就超过了570t。因此，我国钛产业的健康持续发展迫切需要开

发具有我国自主知识产权的钛及钛合

金轧制成套生产技术。

一、钛合金轧制生产主要技术

难点

目前，在钛及钛合金板带轧制生

产中，纯钛随着用量的增大基本实现了

张力成卷轧制。而钛合金由于单批次需

求较小，难以成卷轧制，较多地采用无

张力单张板轧制。然而，钛合金无张力

精密轧制却具有较多的技术难点：

（1）单张板无张力精密轧制规格

灵活、单批次产量小，来料厚度与断面

形状具有较大的不确定性；

锻造工艺对TC4-DT和TC21损伤容限型钛合金疲劳裂纹扩展速率的影响

王新南;朱知寿;童路;周宇;周晓虎;俞汉清

【期刊名称】《中国材料进展》

【年(卷),期】2008(027)007

【摘要】研究了不同锻造工艺(近β锻造、准β锻造、两相区锻造)对TC4-DT和TC21损伤容限型钛合金疲劳裂纹扩展速率的影响,对比分析了不同锻造工艺的微观组织和疲劳裂纹扩展路径的关系.研究结果表明,与两相区锻造和近β锻造相比,TC4-DT和TC2l钛合金经准β锻造后的疲劳裂纹扩展速率最低.准β锻造的锻件疲劳裂纹扩展路径曲折程度大,断口表面粗糙度大,有效地降低了疲劳裂纹扩展速率.

【总页数】5页(P12-16)

【作者】王新南;朱知寿;童路;周宇;周晓虎;俞汉清

【作者单位】北京航空材料研究院,北京,100095;北京航空材料研究院,北京,100095;北京航空材料研究院,北京,100095;天津大学,天津,300085;红原航空锻铸工业公司,陕西,三原,713801;西北工业大学,陕西,西安,710072

【正文语种】中文

【中图分类】TG335.5;TG146.2+3

【相关文献】 1.损伤容限型TC4-DT合金疲劳裂纹扩展速率的数学描述 [J], 李辉;赵永庆;曲恒磊;冯亮;陈军;周伟

2.温度对TC4-DT损伤容限型钛合金疲劳裂纹扩展行为的影响 [J], 于兰兰;毛小南;李辉

3.锻造工艺对TC4-DT和TC21损伤容限型钛合金疲劳裂纹扩展速率的影响 [J],

王新南;朱知寿;童路;周宇;周晓虎;俞汉清

4.温度对TC4-DT损伤容限型钛合金疲劳裂纹扩展行为的影响 [J], 于兰兰;毛小南;李辉

5.TC4-DT及TC21钛合金疲劳裂纹扩展速率的对比分析 [J], 田晨超; 高阳; 张娟;

焦磊; 翟翯

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