低成本高性能钛合金研究进展

第29卷 2012年 第6期 12月 Ti糕黼煮 V01．29No．6Deeember2012 低成本高性能钛合金研究进展 朱知寿，商国强，王新南，费 跃，李 军 (北京航空材料研究院，北京100095) 摘 要：基于钛合金材料在新一代航空航天飞行器上大量使用，以满足减重、延长寿命的和使用要求，因此钛 合金低成本化以及钛合金材料成形的低成本化已成为国内外钛工业领域研究的重要方向。发展具有我国自主知识产 权的航空用高性能低成本钛合金材料及其加工技术，是提高我国钛合金材料在航空领域用量和应用水平的重要途 径。介绍了国内外主要钛合金生产国一些低成本钛合金的研发背景、典型力学性能以及实际应用情况，指出了降低 航空用高性能钛合金材料的发展思路。 关键词：钛合金；低成本；高性能；加工技术 ResearchandDevelopmentofLowCostandHighPerformanceTitaniumAlloys ZhuZhishou，ShangGuoqiang，WangXinnan，Feirue，LiJun (BeijingInstituteofAeronauticalMaterials，Beijing100095，China) Abstract：Basedonmoreandmoretitaniumalloysareusedinnewgenerationaerospace，thestudyoflowcostand highperformancetitaniumalloyshasbeenthekeyresearchdirectionindomesticandforeigncountrieswiththepurpose ofmeetingthedesignandapplicationrequirementsforhighefficiencyofweightsaving，longlifeandlowcost．So developthelowcostandhighperformancetitaniumalloywhichhasacopyrightofourowncountryhasbecametheim— portantwaytoimprovetheusageandapplicationleveloftitaniumalloyintheaviationfield．Theresearchbackground， typicalmechanicalpropertiesandapplicationsofthemainlowcosttitaniumalloysindomesticandforeigncountries wereintroducedfirstly，andthenthefuturedevelopmenttrendsoflowcostandhighperformancetitaniumalloyswere proposed． Keywords：titaniumalloy；lowcost；highperformance；processtechnology 1-J‘‘---J— l 刖 吾 钛合金因具有耐腐蚀、高比强度、高韧性和可 焊接等性能特点，广泛应用于航空航天、舰船等重 要的工业领域’1“j，特别是新一代航空航天飞行器 开始大量采用钛合金，以满足减重、延长寿命的设 计与使用要求。随着钛合金在航空航天领域用量的 不断提升，迫切需要发展低成本钛合金及钛合金低 成本化成形技术。 钛合金作为航空航天飞行器关键零件，静强度 已经不是新一代长寿命损伤容限设计与应用的主要 制约因素。因此，发展航空用的低成本钛合金材料， 收稿日期：2012一08—22 作者简介：朱知寿(1966一)，男，研究员。 不应只停留在静强度的评价上，而应考虑强韧性匹 配、疲劳与断裂性能、安全可靠性和可加工性等综 合性能水平。为此，发展具有我国自主知识产权的 航空用高性能低成本钛合金以及降低钛合金材料的 加工成本，是提高我国钛合金材料在航空应用领域 用量和应用水平的重要途径。 低成本钛合金是钛合金开发和应用研究的重点 方向之一，越来越引起世界各国的重视。世界主要 钛合金生产国包括美国、日本、俄罗斯、中国等都 开展了低成本钛合金及其制备技术的研究。 2低成本钛合金发展现状与应用 2．1 美国低成本钛合金研发 2．1．1Timetal—LCB合金 美国Timetal公司采用廉价的Fe—Mo中间合金形 万方数据 2 钛工业进展 TitaniumIndustryProgress 29卷 式添加Fe元素，代替价格昂贵的V元素，开发了一 种新型高强度低成本口型钛合金Timetal—LCB(Ti一 4．5Fe-6．8Mo．1．5A1)E7—2|。发展该合金的目的是想 取代价格较贵的Ti．10V-2Fe．3A1合金，且期望其性 能可以与Ti．10V．2Fe-3A1相当。Timetal—LCB合金具 有极好的强度、延展性和抗疲劳性，而且该合金在 固溶热处理和淬火状态下具有极好的可加工性，可 以像钢一样冷绕或温绕成弹簧而降低成本。由Time— tal．LCB合金制造的汽车弹簧与钢制弹簧相比，重量 减轻60％，体积缩小25％。该合金以钼作为口稳定 元素，并且形成铁和钼的化合物，经过时效硬化后 拉伸强度可达到较高的水平，适合于热轧、热轧+ 冷拉或热轧+固溶时效，是汽车零件和弹簧等零件 实现轻量化的理想材料。1为Timetal-LCB合金在 不同热处理条件下的力学性能¨3|。 表1 Timetal—LCB合金在不同热处理条件下的力学性能 Table1 MechanicalpropertiesofTimetal-LCBalloyunder differentheatprocesscondition 热处理 拉伸性能 温度及 冷却速率／ R。／ RU0z／ A／ Z／ 堡遏盟回 羔：!：! 丛旦i 丛里皇 丝 丝 520℃／8h 0．25 1640 l600 9．4 37 520℃／8h 20 538℃／8h 0．25 538℃／8h 20 560oC／8h 0．25 560℃／8h 20 1510 1 510 1 405 1460 1400 1 445 1480 1 340 l435 1360 7．0 28 10．5 43 9．9 42 11．7 50 12．3 60 2．1．2Timetal6-2S合金 应福特公司的研究要求，美国钛金属公司设计 开发了一种非航空航天用途的新型低成本钛合金Ti— metal6-2S(Ti-6A1—1．7Fe-0．1Si)014j。该合金采用较 为廉价的Fe元素取代Ti．6A1-4V合金中的V元素， 在没有损失合金强度和刚度的情况下，其生产成本 较Ti击A1_4V合金降低了15％～20％。Timetal6-2S 合金的拉伸性能与Ti击A14V合金相当，主要应用于 要求高强度、高刚度、抗损伤的民用领域。主要特 点是生产成本较低，已在气门座圈的生产中成功代 替成本高、刚度较低的Ti．6A1-4V合金。Timetal6-2S 合金和Ti_6Al_4V合金的室温拉伸性能如表2所示， 其中Ti_6A14V合金的数据为典型测试值。 2．1．3Ti-4A1-2．5V一1．5Fe-0．250合金 为了满足装甲车辆对材料性能的要求，美国华 昌公司开发了一种新型低成本钛合金，其名义成分 为Ti-4A1．2．5V．1．5Fe-0．250(美国专利5980655)¨引。 该合金具有良好的力学性能及耐蚀性能，其抗拉强 度为827～965MPa，屈服强度为758～896MPa，延 伸率为6％一16％；16mm和32mm厚板的断裂韧 性分别为49～60MPa·mⅣ2和60～65MPa·mⅣ2，2rain V型夏氏缺口冲击功分别为13．5～19．0J和13．5～ 21．7J，弹性模量为116～128GPa。该合金还具有优 异的抗弹性能，其抗子弹冲击能力优于Ti石A14V ELI合金。Ti4Al-2．5V一1．5Fe—O．250合金经子弹冲 击后无开裂，其K。(子弹有50％穿透几率的速度) 值为620—675m／s，明显高于的Ti_6A14V合金 (530～610m／s)和高氧的Ti一6灿4V合金(540-620m／s)。 相比Ti_6A14V合金，该合金的生产成本更低，是装 甲板或军用车辆部件的首选材料。 表2 Timetal6-2S和Ti石A14V合金的室温技伸性能 Table2 Room—temperaturetensilepropertiesof Timetal6—2SandTi一6A14V 2．2 日本低成本钛合金研发 2．2．1 Ti—Fe．O．N系列合金 日本公司对低成本钛合金研发开展了大量的工 作，Ti—Fe—O—N系列钛合金是典型低成本钛合金之 一，是由日本钢铁公司和东邦钛公司联合研制 的¨6。17I。该类合金采用O元素和N元素代替Ti一 6A1_4V合金的Al元素，Fe元素代替Ti-6A14V合 金的V元素，其成分范围分别为Fe0．5％～1．5％， O0．2％～0．5％，N0．05％～0．1％。该合金不仅所 用的合金元素廉价，而且合金的可加工性良好，强 度水平处在700～1000MPa范围内。当合金成分为 Ti一1．5Fe-0．50-0．05N时，室温抗拉强度R。可达到 1000MPa，延伸率A；达20％，同时该合金还具有 较好的抗疲劳性能和可热加工成薄材的特点，成本 大大低于Ti．6A14V合金。但该合金由于O和N的 含量较高，导致其高温强度低、稳定性差，因此只 能在中等温度下使用。 2．2．2 SP．700合金 在降低合金制造成本和减少损耗方面，日本发 展了超塑性钛合金Ti4．5A1—3V-2Mo一2Fe，即SP一700 万方数据 第6期 朱知寿等：低成本高性能钛合金研究进展 3 钛合金。1n19J。该合金可以在低于800℃温度下采用 超塑成形和扩散连接技术，超塑性成形温度显著低 于Ti一6Al_4V合金，从而降低了生产成本。SP一700钛 合金不仅拉伸强度、疲劳强度等性能优于Ti-6A1_4V 合金，而且热处理强化能力高，延展性和冷加工性 也好，已经成功应用于本田NSX摩托车连杆。 表3为退火状态SP一700和Ti-6A1-4V合金板材 的力学性能，其中Ti石A14V合金的数据为典型测试 值。可以看出，SP一700钛合金的拉伸强度高于Ti一 6A1-4V合金，而断裂韧性典型值相当。 表3 退火状态SP-700和Ti一6A1-4V合金板材的力学性能 Table3 MechanicalpropertiesofSP-700andTi-6Al-4Vplates underannealingcondition 2．3 中国低成本钛合金研发情况 2．3．1 Ti8LC和Til2LC合金 我国在低成本钛合金方面的研究刚刚起步，西 北有色金属研究院已经开展了对兵器工业或民用工 业领域用的近OL型Ti8LC和近J8型Til2LC等低成本 钛合金材料的研究。Ti8LC和Til2LC钛合金均采用 添加廉价的Fe—Mo中间合金代替较贵的V和cr合金 元素等方式，降低了合金的原材料成本。 表4为Ti8LC和Til2LC钛合金退火态和固溶时 效态的室温力学性能Ⅲ1。从表4可以看出，Ti8LC和 Til2LC钛合金均具有良好的室温力学性能，固溶时 效态强度可进一步提高，二者的强度和塑性均高于 标准要求(GB／T2965)的TCA-钛合金性能。目前，这两 种低成本钛合金已开始在兵器工业领域得到试用。 表4不同热处理状态的Ti8LC和Til2LC合金 的室温拉伸性能 Table4 Room—temperaturetensilepropertiesofTi8LCand Til2LCunderdifferentheattreatmentcondition 2．3．2 Ti—A1一Mo—Cr—Zr合金 随着新一代飞机和高性能航空发动机钛合金用 量不断提升带来的成本控制压力，“十二五”以来， 北京航空材料研究院开展了低成本高性能钛合金的 材料技术研究。通过低成本合金化、综合强韧化等 技术，成功研制出一种具有我国自主知识产权的Ti． A1．Mo—Cr．Zr系航空用低成本高性能钛合金，该合金 经过适当的热机械处理后具有高强度、良好塑性、 高断裂韧性和抗疲劳等综合性能的良好匹配。 表5为Ti-A1一Mo—Cr—Zr合金在不同热处理条件下 的力学性能。可以看出，该合金经过普通退火和固 溶时效处理后的拉伸性能均高于TC4钛合金性 能悼1I，特别是断裂韧性可达81MPa·mⅣ2以上水 平，说明该合金强韧性匹配好、应用潜力大。 表5 Ti—A1一Mo—Cr—Zr合金经不同热处理后的室温力学性能 Table5 Room—temperaturemechanicalproperitiesofTi—A1·-Mo—Cr—Zrtitaniumalloyunderdifferentheatprocess 3低成本钛合金的发展方向 3．1 发展高综合性能的低成本钛合金 研究低成本钛合金的合金化理论、综合强韧化 技术和低成本高纯净熔炼技术等，在降低成本的同 时，不降低钛合金的综合性能，从而实现低成本与 高综合性能的良好匹配，扩大其在航空航天高端产 品领域的应用范围，提高低成本钛合金在航空航天 领域的用量和应用水平。 3．2发展低加工成本的钛合金 通过研究钛合金的易切削加工性、易成形性、 可焊接性以及铸造流动性等工艺性能，从而降低钛 合金制件的加工成本。例如，日本研发的SP一700钛 合金，就是通过降低等温成形的工艺温度、提高等 万方数据 4 钛工业进展 TitaniumIndustryProgress 29卷 温超塑成形的工艺性能来降低加工成本的成功例子。 3．3发展钛合金低成本化加工与制造技术 通过工艺改进来降低钛合金成本是发展低成本 钛合金的另一条重要途径。例如，通过钛矿直接还 原以及粉末冶金等手段降低钛的冶炼工艺成本等。 像美国材料学会就着手制订了AMS6945新规范，规 定Ti一6A1-4V合金允许只经一次电子束熔炼或等离子 熔炼工艺加工的原材料作为军用材料，美空军对此 工艺也进行了资助，这为将来推广低成本Ti一6A1-4V 合金在航空上的应用开辟了道路。 在成形工艺方面，研究提高钛合金的材料利用 率等新型加工技术，从而实现低成本应用。例如， 采用钛精密铸造技术、粉末冶金技术、激光快速成 形技术、超塑性成形和扩散连接技术等。 3．4建立具有中国特色的航空用钛合金材料体系 应进一步坚持立足国内、自主创新，坚持按体 系发展原则建立具有中国特色的航空用钛合金材料 体系，逐步摆脱航空关键材料对国外的长期依赖， 形成主干材料或通用材料，从根本上为实现低成本 制造奠定基础。例如，发展低成本高综合性能钛合 金的通用性(一材多用)、主干性(高综合性能)，精 简牌号，提高产量和用量，扩大应用领域等。 4 结 语 (1)目前国内外对低成本钛合金材料的研究重 点仅局限于采用廉价的Fe、O、N等元素代替价格 昂贵的V元素的合金化手段，综合性能控制也仅限 于材料的静强度与加T性能，应用重点方向主要是 汽车、兵器和体育等民用或非航空领域，高综合性 能和高端的航空应用仍没有得到很好的推广。 (2)低成本钛合金制造工艺的研究重点仍需进 一步拓展，比如新型钛提取、熔炼、成形、残钛回 收再利用等方面缺乏深入系统的研究与成熟的应用。 (3)在应用上，坚持走低成本钛合金的高综合 性能、通用性、主干化和系列化发展道路，以航空 高端应用带动钛合金低成本加工的技术进步，从而 在根本上突破我国航空钛合金用量和应用水平提升 过程的成本瓶颈。 参考文献 [1]王金友，葛志明，周彦邦 海科学技术出版社，1985 [2]张喜燕，赵永庆，白晨光 航空用钛合金[M]．上海：上 钛合金及应用[M]．北京：化 学工业出版社，2005． [3]颜鸣皋，吴学仁，朱知寿．航空材料技术的发展现状与展 望[J]．航空制造技术，2003(12)：19—25． [4]彭艳萍，曾凡昌，王俊杰，等．国外航空钛合金的发展应 用及其特点分析[J]．材料工程，1997(10)：3—6． [5]WeissI，SemiatinSL．Thermomechanicalprocessingofbeta titaniumalloys—anoverview[J]．MaterialsScienceEngineer— 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