浅谈航空用钛合金显微组织控制和力学性能关系

钛合金材料由于具有高比强度、高比模量、高韧性、耐蚀性好以及可焊接等优异的综合性能，在航空航天、石油化工、汽车工业以及体育休闲用品等领域获得了大量应用，但钛合金因其固态相变的多样性与复杂性特点，一定程度上增加了工程应用的稳定性控制难度。根据钛合金材料的成分、工艺、组织和性能四要素的相互关系，成分决定合金类型，工艺决定显微组织结构，而显微组织决定合金综合性能，因此，可以通过调整钛合金成分配比、加工工艺以及热处理制度，可以在一定范围内调整钛合金制件的组织类型与组织参数，实现强度、塑性、韧性和疲劳等力学性能的最佳匹配。因此对钛合金材料的组织类型与力学性能的关系研究具有重要的实际意义。

钛合金按稳定相组成一般可以分为α钛合金、α+β钛合金和β钛合金，其中β钛合金还可以按Mo当量不同进一步细分为近亚稳β钛合金、亚稳β钛合金、稳定β钛合金，常用钛合金的典型显微组织可以分为四种类型：等轴组织、双态组织、网篮组织和片层组织，如图1所示。

图1 常用钛合金的四种典型显微组织类型

等轴组织主要特征是在转变β基体上均匀分布着含量超过40％的等轴初生α相，等轴初生α相主要有球形、椭圆形、橄榄形、棒槌形、锻棒形等多种形态。不同钛合金类型的等轴组织因Mo当量不同在退火态时初生α相的含量与分布也不同，例如，近α型钛合金相比亚稳β型钛合金，等轴初生α相大小与数量也逐渐降低。

双态组织主要特征是片状β转变基体组织上分布着的不超过50%的等轴初生α相，β转变组织中的α相或次生α相的形态随合金类型的不同而有所区别。不同钛合金类型的双态组织初生α相的含量与分布也不同，相对于近α型和α+β钛合金，亚稳β钛合金的初生α相较为细小。

网篮组织主要特征是原始β晶粒边界被不同程度地破碎、晶界α不连续，晶内片状α变短变粗、在原始β晶粒轮廓内交错分布编织成网篮状，属于变形后的β转变组织。不同钛合金类型或不同β加工工艺形成的网篮组织形态特征差异较大，一般有破碎晶界α相、断续晶界α相及晶内具有大块α相的网篮组织等形态特点。

片层组织主要特征是在粗大等轴的原始β晶粒内、转变α相呈片状规则排列，一般原始β晶界α相成清晰完整的连续网状。不同钛合金类型或不同的β热处理工艺参数，会形成不同的片层厚度，特别地，当β热处理冷却速率增大到一定程度时，转变的片层α相成细小针状，这种片层组织也称“魏氏组织”，一般钛合金不希望出现这种类型的片层组织。

1、等轴组织

钛合金等轴组织的控制技术示意图见图2，当钛合金的主要变形加工与随后的热处理均在α+β相区进行、且加热温度低于相变点较多时，一般可获得等轴组织，常用的钛合金铸锭开坯到棒材或锻坯半成品的锻造工艺路线主要有常规工艺和高低高工艺。通过相变点以上三火次开坯锻造，将铸锭粗大的晶粒充分破碎，随后在相变点以下（50±20） °C的一个较宽的温度范围内反复墩拔变形，以获得细晶化和均匀化的等轴组织。对于截面比较大的大型锻坯，可采用高低高变形控制工艺，但应避免大厚度坯料因较大变形时导致的心部过热问题。

图2 钛合金等轴组织控制技术

2、双态组织

钛合金双态组织的控制技术如图3所示，当钛合金主要的锻造变形在两相区上部温度或在两相区内完成、锻后热处理加热至两相区上部温度空冷后一般可得到双态组织。钛合金铸锭开坯与半成品常用的锻造工艺也有常规工艺和高低高工艺。通过相变点以上三火次开坯锻造，将铸锭粗大的晶粒充分破碎，为了提高韧性和高温性能，在随后α+β两相区反复墩拔变形时，加热温度尽量控制在相变点以下的上部温度区间锻造（相变点以下15~25 °C），以获得细晶化和均匀化的双态组织。对于截面比较大的大型锻坯，可采用高低高变形控制工艺，也需要避免大厚度坯料因较大变形时而导致的心部过热。

图3 钛合金双态组织控制技术

3、网篮组织

钛合金网篮组织的控制技术如图4所示，当钛合金在(α＋β)/β相变点附近变形，或在β相区加热和开始变形，在α＋β相区温度完成变形，并控制在α＋β相区的总变形量时，可形成转变α相的网篮编织结构，相对于等轴组织和双态组织的锻造技术，网篮组织参数控制难度更大，为此，钛合金制件的锻造技术发展有类似β锻造工艺、跨β锻造以及准β锻造工艺等。

图4 网篮组织控制技术

4、片层组织

钛合金片层组织的控制技术如图5所示，一般地，当钛合金制件完成两相区锻造制坯后、重新加热至β相区冷却时，可得到片层组织，采用的锻后热处理方法主要有准β热处理和普通β热处理。由于中等强度钛合金塑性余量比较大，允许采用片层组织，在牺牲一定塑性的基础上，最大程度地获得高的断裂韧度和最低的疲劳裂纹扩展速率，适用于中高强度钛合金成品锻件或直接使用的厚板等半成品。

图5 钛合金片层组织控制技术

钛合金双态组织拉伸强度最高、拉伸塑性最好，例如，TC32和TC4-DT钛合金双态组织下的断面收缩率高达近50%，充分显示了双态组织在静态拉伸性能方面的综合优势（图6（d））。经准β热处理后的片层组织，在拉伸性能满足使用要求的前提下，大大提升了断裂韧度K_IC值（见图7（a））、降低疲劳裂纹扩展da/dN值（见图8）。TC21钛合金双态组织虽然拉伸强度与塑性较好、但经准β锻造后获得网篮组织后，也同样可以实现最高的K_IC值和最低的da/dN值，确保了飞机构件的损伤容限设计需要。为了进一步提升损伤容限钛合金的抗疲劳性能，TC32钛合金分别获得双态组织、网篮组织和片层组织状态下，其强度、塑韧性、疲劳等获得了最佳的综合匹配，采用TC32钛合金试制的大型梁类锻件当K_t=3时的缺口疲劳极限，甚至可以与强度达到1350 MPa级的超高强韧TB17钛合金中等规格锻件相当，显示出该类型合金较强的综合强韧性匹配能力（见图7（b））。从图8所示的不同组织类型对典型钛合金疲劳裂纹扩展速率影响关系进一步可以看出，中高强度TC4-DT或TC32钛合金采用片层组织时的da/dN值可达最低，高强度的TC21或TB17钛合金采用网篮组织时的da/dN值可达最低。这也说明了，只要采用合适的组织参数控制技术，不同类型的钛合金均可以获得合适的损伤容限、抗疲劳和其他综合使用性能，以更好地满足飞机结构对长寿命、高减重和低成本的设计使用要求。

图6  几种典型钛合金不同显微组织类型与室温力学性能的关系（a）室温拉伸强度；（b）室温屈服强度；（c）伸长率；（d）室温断面收缩率

图7 几种常用飞机结构用钛合金不同显微组织类型与室温断裂韧度、疲劳性能的关系（a）钛合金组织类型的室温断裂韧度；（b）不同合金室温轴向应力疲劳极限 

图8 几种常用飞机结构用钛合金不同显微组织类型与室温疲劳裂纹扩展速率之间的关系（a）TC4-DT钛合金；（b）TC21钛合金；(c) TC32钛合金；（d）TB17钛合金

原文来源：

航空用钛合金显微组织控制和力学性能关系

朱知寿, 商国强等，2020, 40(3): 1-10. 

doi:10.11868/j.issn.1005-5053.2020.000086