钛合金材料组织性能关系.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,中航工业,中航工业航材院,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,中航工业,航材院,钛合金材料组织性能关系,报告人：朱知寿,2009,年,11,月,29,日,中航工业北京航空材料研究院,1,提 纲,4,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,2,3,几个研究热点问题,5,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,6,钛合金成分工艺组织性能四要素,2,钛合金成分,-,工艺,-,组织,-性能四要素,3,钛合金成分、工艺、组织和性能四要素,4,成分决定了合金类型,5,工艺决定了组织类型,6,组织决定了性能,钛合金组织参数,(D,、,d,、,b,、,),对性能的影响关系,7,钛合金组织类型的工程化定义,8,(1),等轴组织,；,(2),混合组织；,(3),网篮组织,；,(4),魏氏组织,钛合金组织类型的工程化定义,(1),片层组织；,(2),过渡组织,(3),球状组织,普通分类方法,国外一般分类,国内普通分类,9,4,、片层组织,、网篮组织,、双态组织,1,、等轴组织,钛合金组织类型的工程化定义,适合工程应用的分类,10,等轴组织及其类型变化,钛合金组织类型的工程化定义,近,型合金,+,型,合金,近型,合金,等轴组织,(,等,+,转,),特征：,等轴,40,以上,等轴,，有球形、椭圆形、橄榄形、棒锤形、短棒形等多种形态,11,双态组织及其类型变化（混合组织）,钛合金组织类型的工程化定义,近,型,合金,+,型,合金,近型,合金,等轴组织,(,等,+,转,),特征：,等轴,40,等轴,，有球形、椭圆形、橄榄形、棒锤形、短棒形等多种形态,12,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,网篮组织,转（变形的）,特征：,等轴,0,转（变形的）,具网篮编制状为主要特征,断续晶界,大块,13,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,片层组织转（不变形的）,特征：,等轴,0,转（不变形的）,以片层状为主要特征，片层厚度不同，形态不同（,6,级）,典型片层,针状细小,（魏氏组织）,14,钛合金组织类型的工程化定义,15,钛合金组织与性能的一般关系,16,钛合金组织与拉伸性能的关系,拉伸性能,：,退火（片层）组织,塑性最差、双态最好、,加工（网篮）组织各向异性大,17,钛合金组织与断裂韧性关系,断裂韧度,K,IC,：,退火组织,较高、双态居中、,加工组织最高,18,钛合金组织特征与,da/dN,性能关系,da/dN,:,退火组织,最低、,加工组织居中、,双态最差,19,钛合金组织与疲劳性能关系,疲劳强度,：,退火,(,片层,),组织居中、双态最好、,加工,(,网篮,),组织各向异性大,20,原始,晶粒尺寸与钛合金性能匹配关系,随着,晶粒的增大，合金的断裂韧性和屈服强度逐渐降低,21,Microstructures,ABC,强韧性匹配,：,退火组织,只提高强度时，塑性与韧性大为降低,22,使用性能,：晶粒粗大时,，强度与韧性变化不大，但塑性与疲劳强度却大为降低,23,相含量,与钛合金拉伸性能的关系,随着初生,相含量的增加，合金的抗拉强度和屈服强度,变化只有,50MPa,，而延伸率和断面收缩率则迅速增加。,24,热处理制度,b,(MPa),0.2,(MPa),5(%),(%),K,IC,(MPam,1/2,),s,厚度,760,/2h WQ+480,/8hAC,1448,1373,3.8,8.1,37.3,0.05m,760,/2h WQ+520,/8hAC,1245,1188,10.3,26.8,58.9,0.08m,760,/2h WQ+540,/8hAC,1222,1170,11.6,33.5,63.7,0.10m,760,/2h WQ+580,/8hAC,1048,1018,17.3,53.6,99.8,0.15m,760,/2h WQ+620,/8hAC,1018,986,20.0,62.9,97.7,0.20m,时效温度对,Ti-10V-2Fe-3Al,合金力学性能与次生,尺寸的影响,随着次生,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。,相含量,与钛合金强韧性匹配关系,25,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,26,钛合金组织控制技术，实现综合高性能目标,27,1,、基本要求：强韧性匹配、强塑性匹配,2,、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,3,、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）,4,、其它综合性能：低的缺口敏感性、良好的耐环境稳定性、抗应力腐蚀与抗氢脆能力、,综合高性能,28,（一）对高强度钛合金，采用钛合金准,锻造,工艺，获得高塑性,网篮组织,，是实现综合高性能目标的有效途径,29,采用新型“准,锻造工艺”,(,授权发明专利,:,ZL 01131237.8,),，控制复杂、变截面、大尺寸整体航空锻件的网篮组织,均匀性,，,获得了具有高强、高韧、高疲劳性能和低,da/dN,的综合性能。,例子,1,：高强韧损伤容限型,TC21,钛合金,621,所,30,TC21,钛合金相比美,Ti62222S,钛合金具有更加优异的综合性能匹配,31,TC18,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“准,锻造工艺”，获得了高性能综合匹配,。,例子,2,：高强韧,TC18(BT22),钛合金,取向,b,MPa,0.2,MPa,5,%,%,K,IC,MPam,0.5,L,1120,1125,1075,1080,14,13,40,33,74.3,71.2,L,1154,1176,1117,1138,14.2,12.4,40.8,49.1,76.1,76.8,指标,1080,1010,8,20,60,32,TC6,钛合金是普遍应用的中强度钛合金，采用新型“准,锻造工艺”，也获得了高性能综合性能，并在某歼击机上得到应用,。,例子,3,：中强度,TC6(BT31),钛合金,锻造,取向,b,MPa,5,%,%,K,IC,MPam,0.5,da/dN,x10,-4,D,MPa,+,L,1080,1110,1418,4549,5563,11.2,566,T,1105,1120,1215,3437,准,L,1035,1095,1417,3547,7595,7.4,650,T,1075,1100,1618,3842,33,（二）对中等强度钛合金，采用钛合金准,热处理,工艺，获得高塑性,片层组织,，也是实现综合高性能目标的有效途径,34,采用新型“钛合金准,热处理工艺”,(,专利号,ZL,2004 10090864.3,),，,解决了：,(1),片层组织塑性低；,(2),复杂截面,特大型锻件组织性能均匀性；,(3),普通,热处理在,实际生产,控制难等技术关键。,例子：中强高损伤容限型,TC4-DT,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,621,所,35,美国,F-22,飞机和,C-17,等大型运输机上也大量采用了普通,退火态的,Ti6Al4V ELI,损伤容限钛合金，在其它性能相当的情况下，,TC4-DT,钛合金采用准,热处理可得到较高的塑性与疲劳性能（,以满足我国飞机设计需求,）,。,与美国,Ti-6Al-4V,ELI,合金对比,36,（三）对高温钛合金，采用钛合金近,锻造,工艺，可获得高温综合性能好的,双态组织,37,近,锻造,+,相转变点,Ti,稳定元素含量（,%,）,15,钛合金二元相图示意,近,锻造工艺即在,相变点以下,15,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）具有良好的蠕变和持久性能的综合匹配,例子：发动机用,TC11,和,TC17,高温钛合金,TC11,TC17,西北工业大学,38,（四）对钛合金大规格棒材，采用钛合金铸锭与坯料的镦拔工艺，希望获得力学性能与超声波探伤缺陷可检性等均好的,等轴组织,39,几个研究热点,斑点冶金缺陷控制,织构,新材料组织性能,新工艺组织性能,40,定义：,相（等轴或条状）含量少于基体的,20%,一种冶金缺陷,特征：低倍一般显亮点，也有黑点，高倍显黑斑，,硬度稍高,形成原因：,Fe,偏析，其它含,Mo,、,Cr,、,Mn,等,共析,元素偏析,斑冶金缺陷研究,41,SP700,棒材,TC18,BT22,）锻件,Ti1023,锻件,斑可以,在许多钛合金中存在,42,斑对性能的影响,斑对,Ti-10-2-3,钛合金塑性,和低周疲劳性能的影响,43,如何控制斑,生产时控制：,（,1,）合金化控制：避免,Fe,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,（,3,）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,应用时控制：,属于冶金缺陷：,斑超标时应整炉报废（依据标准）,44,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：,X-,射线（极图、,ODF,），,SEM,（,EBSD,），,TEM,等,织构控制与性能,取向与疲劳裂纹形成关系（,F.Bridier,，,France,）,相的,ND,取向图（,621,所、北工大）,(,钛合金准,锻造大块相形成机理,),45,Ti5553,：代替,BT22,与,Ti1023,因有,斑等而用在,B787,上,新材料组织与性能,B787,飞机起落架梁,（,V.Vladislav,）,低倍,1,高倍,200,46,GUM,合金：超高强度、低弹性模量，合金化及强化机理研究,新材料组织与性能,日本丰田公司研制的,GUM,钛合金特性,47,超细化工艺：大塑性变形（,SPD,）,高压扭转变形,(HPT),、,等通道挤压（,ECAP,）等，热氢处理,(THT),、,循环热处理,(CHT),、其它热机械处理等,新工艺的组织与性能,纯钛经多次累计,SPD,变形后的细化与强化效应（,D.Terada,，,Japan,）,48,基础研究方面：,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。,应用基础研究方面：,（,1,）以“表象”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。,（,2,）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,-,性能关系研究较多（如极端条件或极限性能研究）。,（,3,）加强特种加工工艺条件下（如激光成形、特种焊接、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：,（,1,）应加强大尺寸,/,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。,（,2,）加强综合性能与工艺稳定性控制研究等。,结语,存在的主要差距与建议,49,谢谢,敬请指导,50,