航空材料鈦及鈦合金的特性及發(fā)展趨勢

黃文君 王洋洋

：鈦作為航空航天中常用的結(jié)構(gòu)和功能材料，具有優(yōu)良的綜合性能，應(yīng)用非常廣泛，主要用于發(fā)動機(jī)關(guān)鍵的零部件，也是飛機(jī)航空氣瓶的備選材料。隨著工業(yè)的發(fā)展，對材料性能的要求越來越高，鈦合金為了適應(yīng)更好的發(fā)展，必須著力提高其各方面的性能，因此鈦合金在高性能方面的研究有很大的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：鈦;鈦合金;航空航天;特性;發(fā)展趨勢

中圖分類號：TB3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）11-0040-02

0? 引言

鈦及鈦合金具有良好的綜合性能，在航空航天、石油化工、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用都很廣泛，有較高的比強(qiáng)度，良好的耐腐蝕、耐高溫等性能，在金屬材料王國中被稱為“全能金屬”，是繼鐵、鋁之后極具發(fā)展前景的“第三金屬”和“戰(zhàn)略金屬”[1]，作為高性能航空航天結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵材料，其性能對飛行器結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、效率、服役可靠性和使用壽命都具有重要的作用。

作為飛機(jī)上重要的結(jié)構(gòu)材料和功能材料，近十幾年國內(nèi)外關(guān)于鈦合金材料的應(yīng)用及研究也越來越多。戰(zhàn)斗機(jī)和轟炸機(jī)的用鈦量在不斷提高，美國的F-15，從20%升至27%，美國F-22戰(zhàn)機(jī)的用鈦量升為41%[2]。

1? 鈦合金的特點及應(yīng)用

鈦有兩種晶格類型，相互之間可以發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：溫度在882℃以下時，為α-Ti（hpc），晶格結(jié)構(gòu)為密排六方，溫度在882℃以上時，為β-Ti（bcc），晶格結(jié)構(gòu)為體心立方。合金元素的不同對相變溫度的影響也很大，可分為三類：

①穩(wěn)定α相，能提高相變溫度的α穩(wěn)定元素有：Al、C、O、N 等;

②穩(wěn)定β相，能降低相變溫度的β穩(wěn)定元素有兩類：同晶型Mo、Nb、V等;共析型Cr、Mn、Cu、Fe等;

③中性元素，其對相變溫度的作用很小：Zr、Sn等。不同元素對相變溫度的作用不同，對應(yīng)的溫度變化如圖1所示。

鈦密度為4.5g/cm3，屬于輕金屬，熔點為1669℃，化學(xué)活性大，容易與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)生成致密的氧化膜，阻止進(jìn)一步氧化，高溫時，反應(yīng)劇烈，氧化膜脫落會加速反應(yīng)速度，所以，在鈦合金的制備過程中，真空或氣體保護(hù)是非常必要的。

鈦合金作為應(yīng)用廣泛的結(jié)構(gòu)材料，比鋁、鋼強(qiáng)度高，而且在海水中有較好的抗腐蝕和耐低溫的性能。目前，飛機(jī)的機(jī)架、起落架、機(jī)身蒙皮以及發(fā)動機(jī)的葉片等制造材料的選擇，主要來源于鈦合金及其復(fù)合材料，基于鈦合金的發(fā)展水平，可以作為判斷先進(jìn)水平檢測的重要指標(biāo)[4]。隨著鈦合金用量的不斷增加，其應(yīng)用也越來越廣泛。由于鈦的無毒、質(zhì)輕、耐腐蝕、強(qiáng)度高以及較好的生物相容性等特點，可以作為植入人體的植入物和手術(shù)機(jī)械等材料;鑒于其良好的結(jié)構(gòu)彈性，可以用來減輕設(shè)備的質(zhì)量，提高性能，增加壽命。例如Ti6Al4V制造的榴彈炮座，質(zhì)量降低了31%，采用鈦合金代替軋制均質(zhì)鋼，在制造坦克其它部件的過程中，減重可達(dá)420kg以上[5]。鈦合金在航海領(lǐng)域也有很好的發(fā)展前景，其耐蝕性、高比強(qiáng)度、無磁等特性使得其在發(fā)動機(jī)、螺旋槳、聲納系統(tǒng)等裝置的應(yīng)用極為廣泛。

2? 鈦合金的分類

鈦會發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，在低溫時，穩(wěn)態(tài)的α-Ti是密排的晶格結(jié)構(gòu);高溫時，β-Ti的體心晶格結(jié)構(gòu)相對比較穩(wěn)定，對應(yīng)的晶胞結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

鈦合金組織有α型、α+β型、β型三種結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的符號為TA、TC、TB。

2.1 α型鈦合金

α鈦合金是單相合金，其組織是α相固溶體，符號用TA表示。合金的主要元素為中性元素或α穩(wěn)定元素，例如Al、Sn、Zr等，基本不含β穩(wěn)定元素。工業(yè)純鈦，組織均為α相，屬于典型的α型鈦合金。α型鈦合金的抗氧化能力和切削加工性能良好，其強(qiáng)度和蠕變抗力在500～600℃范圍內(nèi)仍可維持，缺點是無法實行熱處理工藝進(jìn)行強(qiáng)化，室溫的強(qiáng)度相對較低，退火后的強(qiáng)度變化量很小或基本無變化。

2.2 α+β型鈦合金

α+β型鈦合金的組織為α相、β相的兩相合金，符號用TC表示。它是雙相合金，α相和β相的比例取決于合金的成分，主要與β穩(wěn)定元素的含量有關(guān)，β相所占的比例約為1/20～1/4。α+β型合金有較好的組織與性能，比較適合熱處理強(qiáng)化，熱加工過程中最能體現(xiàn)合金的塑韌性和高溫變形能力。這類合金最大的特點是可以通過不同的熱處理工藝，獲得不同的組織形態(tài)如魏氏組織、網(wǎng)籃組織、雙態(tài)組織和等軸組織，進(jìn)而得到不同的合金性能。

2.3 β型鈦合金

β鈦合金是由β相組成的單相合金，符號用TB表示。其中，β穩(wěn)定元素的含量大于17%[6]，β單相組織的晶粒一般要大于等軸的α或α+β組織，并且可以進(jìn)行淬火、時效強(qiáng)化。強(qiáng)度高，變形能力好，但焊接性能和熱穩(wěn)定性較差，長期處于高溫條件下會產(chǎn)生硬脆相，因此不宜在高溫下使用，并且耐熱性也不好。

3? 鈦合金的典型組織

TC4是典型的α+β雙相鈦合金，優(yōu)點是可以進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，熱處理工藝不同，合金的顯微組織也不同，主要有以下四類，其顯微組織如圖3所示[7]：

3.1 魏氏組織

第一類如圖3（a）所示為魏氏組織，其組織特點是β晶粒比較清晰且保存完整，晶界比較明顯，晶內(nèi)α相呈層片狀、粗針或細(xì)針狀規(guī)則排列，生成的條件是在β相區(qū)熱加工或β相區(qū)退火，且變形量小于50%，從β轉(zhuǎn)變溫度以上緩慢冷卻。冷卻的快慢對α相的大小影響很大，快冷時，得到的α相較窄，緩慢冷卻時，獲得的α相較寬，快速冷卻時，可能得到的針狀的馬氏體α"[8]。魏氏組織有良好的斷裂韌性，原始β晶粒及完整“晶界”的存在可以限制裂紋的擴(kuò)展速度。由于沒有其它相的牽制，β相的晶界容易遷移，造成晶粒長大，因此合金塑性、疲勞性較差，拉伸性能不好，所以在實際的工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)該盡量避開這種組織的出現(xiàn)。

3.2 網(wǎng)籃組織

第二類如圖3（b）所示為網(wǎng)籃組織，網(wǎng)籃組織是在β相區(qū)加熱，并在α+β相區(qū)最終變形的結(jié)果，變形量較大，大約為0.5～0.8，β相及晶界的處α相被破壞，冷卻后α束變細(xì)，尺寸也變短小，且相互交錯雜亂排列，呈網(wǎng)籃狀，最后形成了網(wǎng)籃組織;特點是α、β交錯排列強(qiáng)度高，但塑性差，與魏氏組織相比，其塑性，疲勞韌性比較高，但斷裂韌性低，目前可代替魏氏組織應(yīng)用于在高溫條件下長期受力的零部件。

3.3 雙態(tài)組織

第三類如圖3（c）所示為雙態(tài)組織，雙態(tài)組織是在熱處理溫度低于β相變點較少加熱或變形時獲得的綜合性能比較好的組織，其組織特點是在轉(zhuǎn)變β組織上分布一定數(shù)量的等軸的初生α相。一種是片狀α束域，分布在β轉(zhuǎn)變組織中;另一種是分布在β轉(zhuǎn)變組織間，數(shù)量小于50%的α相，這種α相是等軸狀。雙態(tài)組織不僅有較高的疲勞強(qiáng)度、塑性，其蠕變性能、熱穩(wěn)定性能及疲勞性能也比較好。

3.4 等軸組織

第四類如圖3（d）所示為等軸組織，等軸組織與雙態(tài)組織相同，都是初生的α相和β轉(zhuǎn)變組織，只是初生α相的含量有差異（大于50%）。等軸組織加熱屬于α+β相區(qū)，變形溫度較高，會發(fā)生再結(jié)晶，獲得完全等軸的α+β組織，如果變形溫度較低時，再結(jié)晶部分發(fā)生或者不發(fā)生時，可進(jìn)行再結(jié)晶退火，仍可獲得等軸組織，鈦合金中等軸α相的含量影響合金的塑性，含量越高，塑性越好。其組織特點剛好與魏氏組織相反，優(yōu)點是良好的塑性、疲勞強(qiáng)度及抗缺口敏感性，缺點是斷裂韌性，蠕變性能相對較差。

4? 展望

隨著科技的進(jìn)步和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，鈦合金在軍工和民用領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，在汽車行業(yè)，鈦合金的應(yīng)用不僅能減重，更能滿足環(huán)保的要求，未來航空航天和推力系統(tǒng)需要鈦合金材料具有更小的密度，更高的強(qiáng)度、工作溫度和彈性模量，對材料性能的要求也逐漸提高，高強(qiáng)度、高硬度、高耐熱性的材料越來越受各領(lǐng)域的青睞，優(yōu)質(zhì)輕型金屬材料的鈦合金必將代替部分傳統(tǒng)的材料，既減輕質(zhì)量，又降低成本，達(dá)到降低能源消耗的目的，因此高性能鈦合金的研究已成為重要的發(fā)展方向，相信隨著發(fā)展的需要，鈦合金在我國的市場前景會越來越好。

參考文獻(xiàn)：

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