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损伤容限钛合金的研究进展及应用现状 Research Development and Application of Damage Tolerance Titanium Alloy 房卫萍 。,陈沦。,史耀武 ,虞文军 ,毛智勇。,唐振云 (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) FANG Wei—ping ,CHEN Lun。,SHI Yao—wu , YU Wen—j un 。MAO Zhi~yong ,TANG Zhen—yun。 (1 College of Materials Science and Engineering,Beijing University of Technology, Beijing 100124,China;2 Key Laboratory of High Energy Density Beam Processing Technology,Beij ing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute, Beijing 100024,China;3 Representative Office of Naval,Chengdu Aircraft Industrial Group Co.,Ltd.,Chengdu 6 1 0092,China;4 Chengdu Aircraft Industrial Group Co.,Ltd.,Chengdu 610092,China) 摘要:本文综述了Ti一6A1—4V ELI,TC4一DT,TC21和TA15 ELI四种损伤容限钛合金的研究新进展及其应用。指出 Ti一6A1—4V ELI损伤容限合金在国外已经成功应用于飞机制造中,而TC4一DT,TC21,TA15 ELI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,TA15 ELI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:The damage tolerance titanium alloys,such as Ti一6A1—4V ELI,TC4-DT,TC21 and TA15 ELI alloys,were summarized.The development process and the new study of damage tolerance titani— um alloy were introduced.It pointed out that Ti一6A1—4V ELI alloy was successfully used in the air— plane manufacture industry in foreign countries.However,TC4一DT,TC2 1 and TA1 5 ELI alloys were still under research in our country.The fracture toughness and fatigue crack propagation rate proper— ties of TC4一DT,TC2 1 and TA1 5 ELI alloys were importantly discussed in detail.The lamellar micro— structure was beneficial to improve the damage tolerance properties of titanium alloys. Key words:titanium alloy;damage tolerance;research;application 20世纪6O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n ]。它要求材料具有较高的断裂韧 度K・c,较低的裂纹扩展速率da/dN和较高的疲劳裂 纹扩展门槛值AK h。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一83444》。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 J。 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p处理工艺(包括 加工 和G热处理)的方法来提高钛合金的损伤容限性 能Ⅲ。 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 ]。目前,国外典型的损伤容限钛合金有Ti一6— 4 ELI和Ti一6—22—22S,国内主要有TC4一DT,TC21, TA15 ELI等。
96 材料工程/2010年9期 1超低间隙Ti-6A!一4V合金(Ti-6Al一4V ELI) 在钛合金中,Ti一6A1—4V合金的研究比较成熟,其 用量占所有钛合金用量的5o 以上。因此,超低间隙 Ti一6A1—4V ELI合金得到了广泛关注。该合金是在普 通Ti一6Al一4V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:A1 5.5 ~ 6.5 (质量分数,下同),V 3.4%~4.5 ,Fe≤ 0.25 ,C≤0.08 ,O≤0.13 ,N≤0.05 ,H≤ 0.012 ,Ti余量。Ti一6A1—4V ELI合金的Al允许波 动范围较Ti-6A1—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・ m (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(O.18 O)和超低间隙 (Extra Low Interstitial,ELI)级别(0.13 O)的等轴 (a+8)Ti一6Al一4V合金的锻造成型特点。在750~ 1100℃和10 ~100s 应变速率范围内,ELI级别的 Ti一6Al一4V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一6A1—4V应避免在G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T卜6Al一4V容易存在孔洞形核 和边缘裂纹萌生[7]。Ti一6Al一4V ELI丝材在10~~ 10 S 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一0.45,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' 。 在军用飞机上,美国将Ti-6Al一4V ELI应用于F一 16战斗机的水平尾翼转轴。美国第四代战斗机F一22 的2/3钛用量是Ti一6AI一4V ELI锻件,应用结构包括 中、后部机身舱壁和隔框_1 。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一6A1—4V ELI合金材。2O世纪90年代初研制的波音777飞机 机翼桁条采用G退火的Ti一6AI一4V代替普通工厂退火 的Ti一6Al一4V,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B退火的Ti一6A1—4V合金材[】 。Ti一6A1—4V ELI合金还用于深海潜水器和潜艇,日本“深海6500” 使用Ti一6A1—4V ELI合金,下潜深度达到6500m[1 。 2损伤容限TC4钛合金(TC4-DT) TC4一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(R ≥ 825MPa)、高韧性(K c≥90MPa・m 。)、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, TC4一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一22上用量最大的 Ti一6Al一4V ELI相当。TC4一DT的合金成分范围比美 国的Ti一6A1—4V ELI限制得更严格,具体为Al 5.6O ~6.35 ,V 3.6 ~4.4 ,Fe≤0.25 ,C≤0.05 , O≤o.13 ,N≤0.03 ,H≤0.0125 ,Ti余量。 目前,TC4一DT钛合金的裂纹扩展速率da/dN的 研究比较多。2006年,李辉r1。 等人通过不同的热处理 工艺获得不同初生a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 (Compact Tensile,CT)试样,厚度为8ram,测试频率 f一15~20Hz,应力比R一0.1,控制最大载荷为 3500N的实验条件下,当△K在0~100MPa・m 。范 围时,细针编织状魏氏组织的da/dN%平直状粗片层 魏氏组织的da/dN<等轴或双态组织的da/dN。这 表明,细针编织状魏氏组织的抗裂纹扩展性能最好。 文献E143报道,在给定的AK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_1 等人的研究结果相一致。TC4一DT合金裂纹扩 展速率还受取样方向和试样厚度的影响[1 。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,AK≤16.0MPa・m 时,T—L方向 的da/dN比L—T方向高。当AK较小,裂纹尺寸较短 时,细针编织状魏氏组织的TC4一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TC4一DT板材的疲劳裂纹扩展速率。于兰 兰n 等人采用固溶时效态的标准CT试样,在厚度为 10ram,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,TC4一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,TC4一DT的焊接性能以及接头性能的变化 值得人们研究。袁鸿『1 等人采用电子束焊接技术焊 接了45mm厚的经两相区退火的TC4一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TC4一DT钛
合金锻件进行电子束焊接,可以获得良好的焊缝。接 损伤容限钛合金的研究进展及应用现状 97 头的抗拉强度和冲击韧度达到了与母材相当的水平, 塑性达到母材的80 ,断裂韧度值高于母材。针对光 滑试样(K 一1)的高周(厂一130Hz)疲劳实验(R一 0.1),在平均应力小于520MPa时,接头的疲劳寿命明 显高于母材。在△K≥11MPa・m 。时,接头裂纹扩展 速率da/dN值小于母材。这表明TC4一DT钛合金电 子束焊接接头具有较高的损伤容限性能。 3高强损伤容限钛合金TC21 TC21是我国研制的、具有自主知识产权的一种 高强损伤容限钛合金。它是Ti—Al—Sn—Zr—Mo—Cr—Nb (一Ni—Si)系的两相钛合金,化学成分与Ti一6—22—22S (Ti一6Ai一2Sn一2Zr一2Mo一2Cr-0.2Si)相似。该合金具有 高强度(R ≥1100MPa)、高韧性(KIc≥70MPa・ m )、高损伤容限和优异的抗疲劳性能等特点,与美 国第四代战斗机F一22上应用的Ti一6-22-22高强高损 伤容限型钛合金的性能相当,其良好的焊接性能还弥 补了Ti一6~22—22焊接工艺性能差的缺陷。TC21钛合 金是目前我国高强韧钛合金综合力学性能匹配较佳的 钛合金。 TC21双相钛合金经受不同的热处理后,其显微 组织变化相当复杂。朱知寿口阳等人对TC21钛合金 模锻件的锻后热处理工艺参数与显微组织演变关系进 行了研究,结果表明,TC21模锻件第1次退火加热温 度影响初生a相的形态变化,合金在J3转变温度20℃ 以下加热,可最大限度地保持初生a长条状形貌,从而 确保模锻件获得优异的强韧性和损伤容限性能;第2 次退火可以调整次生a相的含量和形态,次生a相随 第2次退火温度的升高而长大和粗化;第2次退火时 间也影响合金中次生a相的数量、尺寸和形态,但效果 不如时效温度对它的影响明显。钛合金不同的显微组 织对应着不同的性能。李辉[1 等人针对TC21钛合 金进行裂纹扩展速率测试。在两种(口区和a+p区) 锻造棒材上取标准CT试样,裂纹取向为C—R方向。 在频率厂一20Hz,应力比R一0.1,载荷范围为400~ 4000N的测试条件下,测得8区锻造的TC4一DT棒材 裂纹扩展速率明显低于a+B区锻造。在AK一 11MPa・m“ 时,8区锻造的棒材裂纹扩展速率达到 7×10 ~9×10 mm/cycle级;而a+J3区锻造棒材 裂纹扩展速率为1×10 ~2×10 mm/cycle级。王 新南[2。。等人研究了近 锻造(938℃)和准B锻造 (968℃)状态下TC21钛合金的疲劳裂纹扩展行为。 结果显示,TC21钛合金经准B锻造后的疲劳裂纹扩 展速率明显低于近B锻造的锻件。经断口分析发现, 准B锻造的锻件断口表面粗糙度大,疲劳裂纹扩展路 径曲折程度也大,有效地降低了疲劳裂纹扩展速率。 此外,余槐 等人采用三重退火的热处理方法对 TC21电子束焊接接头进行处理,旨在降低接头的脆 性,提高其韧性。结果显示,TC21电子束焊接接头经 三重退火热处理后,母材及其接头的抗拉强度均有下 降,但接头的塑性、韧性得以恢复,塑性达到与母材相 当的水平,冲击韧度达到母材的63.3 ,是普通退火 状态接头韧性水平(达到母材的28.4 )的2.2倍。 4近n型损伤容限钛合金TA15 ELI 近a型TA15钛合金兼具a型和(a+B)型钛合金 的优点,具有良好的热稳定性,长时间工作温度可达 500℃。同时,TA15具有良好的加工性能,其工艺塑 性接近于(a+8)型钛合金。为了提高TA15的韧性、 疲劳性能,以满足损伤容限要求,北京有色金属研究院 等单位开始研究TA15 ELI损伤容限钛合金。他们在 TA15基础上,通过降低TA15间隙元素C,N,O等的 含量,同时采用J3相区轧制工艺获得了TA15 ELI钛 合金[2 。张纪奎[2。 等人对比分析了普通TA15与超 低间隙TA15 ELI合金的裂纹扩展寿命、剩余强度和 疲劳全寿命性能。结果显示,TA15 ELI钛合金的断 裂韧度值K 达111MPa・m ,比TA15钛合金高约 20MPa・In 。;等幅载荷 一270MPa,R一0.3,0.1情 况下,TA15 ELI相对于TA15裂纹扩展寿命改善幅 度超过25 ;谱载荷下,TA15 ELI(4.5~8.5ram)裂 纹扩展寿命较TA15提高41.9 ;在 一310,320, 330MPa三个应力水平下,TA15 ELI裂纹萌生寿命和 全寿命均大于TA15,0.3~25.0mm裂纹扩展寿命 TA15 ELI大于TA15,增长幅度超过15 。谱载荷 下,TA15 ELI的裂纹扩展寿命和全寿命都稍长于 TA15。这表明TA15 ELI具有良好的损伤容限性能。 显微组织形貌是TA15 ELI合金损伤容限性能的 主要影响因素。李士凯口铂等人采用800,940,990℃三 种退火热处理空冷方法分别获得等轴、双态、片层组织 的TA15 ELI,研究其断裂韧度、疲劳裂纹扩展速率等 损伤容限性能。结果显示,片层组织的K (T—L)值达 到111MPa・rrl ,双态组织为103MPa・1TI“ ,而等轴 组织则为80MPa・m 。当应力比为0.1,加载频率 为10Hz时,TA15 ELI合金三种组织的△K—da/dN 关系曲线的Paris拟合结果如下:等轴组织da/dN一 9.26×10 △K “,双态组织da/dN一2.22×1O △K 札,片层组织da/dN一1.08×1O △K。・ 。片层
组织相对等轴组织和双态组织具有更好的损伤容限性