鈦及鈦合金因具有比強度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于在航空、航天、車輛工程、生物醫(yī)學(xué)工程等各個領(lǐng)域?引。近年來，隨著航空航天業(yè)對高強度、高斷裂韌性的新型結(jié)構(gòu)鈦合金的需要越來越迫切，因此研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)，能夠替代超高強度鋼并用于航空大型結(jié)構(gòu)件的新型高強高韌鈦合金得到世界各國的重視。
高強高韌鈦合金一般指抗拉強度在1000 MPa以上，斷裂韌性在55 MPa·m1/2以上的鈦合金。表1為幾種典型高強鈦合金的概況，其中國外的高強高韌鈦合金主要為美國的Ti-1023，俄羅斯的BT22合金，以及新型的Timetal 555合金和VST55531合金，而中國的高強高韌鈦合金則為TB2和TBl0合金等。高強高韌鈦合金一般都為β鈦合金，組織以β相為主。這是因為β鈦合金在固溶處理下的冷成型性和淬透性較好，合金時效后析出次生α相
(αa)可大幅度提高合金強度。
1、國外高強高韌鈦合金
1.1Ti一1023合金
Ti-1023(Ti-10V-2Fe-3Al)合金是美國Timet公司于1971年研制成功，迄今為止應(yīng)用最為廣泛的一種高強韌近β鈦合金。Ti-1023的成功應(yīng)用應(yīng)歸結(jié)于它是一種高結(jié)構(gòu)效益、高可靠性和低制造成本的鍛造鈦合金。為了提高合金的鍛造性能和斷裂韌性，要求合金中Fe的含量低于2％，O的含量限制在0.13％以下。在同等強度等級下，合金在兩相區(qū)固溶處理得到的組織具有良好的塑性。合金經(jīng)熱處理后其R。為965～1310 MPa，KIC為99～33 MPa·m1/2，有較好的強韌性匹配關(guān)系。Ti-1023之所以能夠作為大型鍛件用于結(jié)構(gòu)材料中，主要因為合金具有良好的鍛造性能。Boyer將Ti-1023與TC4的鍛造流變應(yīng)力進行比較，表明在使用相同的鍛造設(shè)備和模具時，Ti-1023更易于變形。換言之，Ti-1023比TC4可以在更低的溫度下模鍛，而鍛后經(jīng)熱處理還可獲得更佳的性能。在不同的鍛造工藝和熱處理條件下，Ti-1023合金形成不同的α相和ω相：固溶處理水冷，生成水冷ω相；β區(qū)水冷經(jīng)低于450℃時效，生成等溫ω相；時效溫度超過400℃的時，均勻僅相在等溫ω相上形核；經(jīng)過連續(xù)時效處理，α相轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的短針狀片層，均勻分布在β基體上；兩相區(qū)固溶生成晶界α相。該合金由于含有2％Fe，在熔煉時容易因成分偏析產(chǎn)生“β斑點”。“pβ斑點”實際上是一種β溫度比基體低的富Fe區(qū)，當(dāng)在稍微低于基體轉(zhuǎn)變溫度進行熱處理時就會發(fā)生偏析問題。Ti-1023合金的出現(xiàn)填補了具有高強度，高斷裂韌性和高淬透性結(jié)構(gòu)鈦合金的空白。用該合金代替TC4鈦合金可以減重20％，用它代替30CrMnSiA時，可減重40％。它能提供中、高強和高韌性的棒材、板材或截面達125 mm厚的鍛件。
現(xiàn)已應(yīng)用于波音777客機起落架轉(zhuǎn)向架梁，歐洲空客公司制造的載客量達500人以上的世界最大的客機A380的主起落架支柱。
1.2 BT22合金
BT22(Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr)合金是蘇聯(lián)在20世紀(jì)70年代研制成功的一種高合金化、高強度近β型鈦合金。研究結(jié)果表明合金中添加5％Mo，5％V以及少量的Fe和Cr，即可穩(wěn)定β相，在長時間加熱時，其中包括在350℃下長時間應(yīng)力加熱也不致引起共析轉(zhuǎn)變脆化。同時少量的Fe和Cr
還可以解決合金熔煉時制備中間合金的問題以及解決減少合金化元素沿鑄錠偏析問題。BT22合金退火狀態(tài)下的組織含有各約50％的α和β相，退
火狀態(tài)下的強度是現(xiàn)有合金中退火強度最高的。
固溶溫度一般在690~780℃，時間1~2h，時效溫度480—560℃，時間8~16h。退火后的φ140mm~250mm鍛件Rm為1080～1280 MPa，
KIC為65 MPa·m1/2。合金在(α+β)兩相區(qū)水冷并時效強化的合金，其組織由僅相(α相的量決定于水冷溫度)和彌散強化的β固溶體組成。合金具有強度高，韌性高，塑性好以及焊接性能優(yōu)良等特點，截面淬透深度高達250mm，主要用于大型鍛件和大型整體構(gòu)件。俄羅斯的Su-27，伊爾IL-
76、和圖-204等主干線客機和重型運輸機的機體和起落架的大型承力構(gòu)件和部件中均使用了BT22鈦合金鍛造構(gòu)件。BT22合金既可用于制造在350~400℃下長期工作的機身、機翼受力件及操作系統(tǒng)等的緊固件，也可用于制造工作溫度不高于350℃的發(fā)動機的風(fēng)扇盤和葉片等。但BT22合金的強度范圍只能限定在1100~1300 MPa，并不能進一步提高合金的強度。
1.3 β-21S合金
β-21S合金(Ti-15Mo-2.7Nb.3Al-0.2Si)是美國Timet公司在1989年為麥道公司提供一種用于航天飛機的鈦金屬基復(fù)合材料中所需的抗氧化箔材
而開發(fā)的亞穩(wěn)β型鈦合金。合金最顯著的特點就是在成分中添加了0.2％Si，用以提高合金的高溫性能。該合金具有良好的冷變形能力，冷軋變形量
達72％~85％，抗氧化性比Ti-15-3合金高100倍，高溫性能優(yōu)于其他β型鈦合金。該合金的典型固溶處理制度為850℃固溶處理30 min空冷，組織
為等軸的β晶粒。固溶后的合金的時效溫度一般在480—595℃，時效時間為8~24 h，其Rm為1150—1350 MPa，A為6％～8％。由于β-2lS合金具有良好的高溫強度和抗蠕變性能，適于用于發(fā)動機襯套和噴管等，還可用作金屬基復(fù)合材料的基體、鑄件等。β-21S合金中合金元素含量高達
21％，尤其是合金中高熔點組元Mo和Ni的含量高達17.7％(含15％Mo和2.7％Nb)，在鑄錠熔煉中，若爐料和熔煉工藝選擇不當(dāng)，極易造成鑄錠成
分不均或高熔點組元的偏析或夾雜。
1.4 β-C合金
β-C合金(Ti-8V-6Cr-4Mo-4Zr-3Al)是由美國RMI公司于1969年研制成功，并于1971年申請專利的亞穩(wěn)β鈦合金。合金的典型熱處理工藝退火或固溶處理溫度在816~927℃，保溫15~30min，空冷；時效溫度454~538℃，保溫時間4~24 h，空冷。Rack指出，該合金經(jīng)過927℃固溶處理，
600℃，8 h時效后，強度達到1200 MPa，斷裂韌性KIC為66 MPa·m1/2。Wagner和Gregoryml研究表明，通過927℃固溶，440℃，72 h+500℃，16h雙重時效處理，合金強度可達到1400 MPa，斷裂韌性KIC為58 MPa·m1/2。該合金具有較高的強度、韌性、低的彈性模量和較好的耐蝕性，并廣泛應(yīng)用于航空彈簧、高強緊固件、扭力桿、箔材蜂窩結(jié)構(gòu)。盡管β-c合金在經(jīng)過雙重時效后強度和斷裂韌性可以達到較高的水平，但其長時間的時效。制度并不適合于大型鍛件生產(chǎn)。同時由于合金元素含量較高，造成其變形抗力較高，也不適用于大型鍛件的生產(chǎn)。
1.5 Timeta1555鈦合金
Timeta1555(Ti-5AI-5Mo-5V-3Cr-0.6Fe)合金，亦稱Ti5553，是美國Boeing公司和俄羅斯VSMPO公司在BT22合金基礎(chǔ)上，通過添加Cr的含量而
共同研制的一種新型高強亞穩(wěn)β鈦合金。合金設(shè)計的初始目的即用于飛機上的大型鍛件，且具有優(yōu)異的高強度與高韌性，其強度可達1517
MPa，從而替代Ti-1023合金在Boeing777的主起落架的應(yīng)用。與Til023合金相比，Timeta1555合金經(jīng)固溶處理空冷后，其淬透深度可達150 mm，而Ti-1023合金熱處理需經(jīng)水淬且淬透面厚度僅為76mm。
Fanning等Ⅲ1對Timetal555合金與Ti-1023合金、BT22合金的性能進行了對比(表2)，Timet．a(chǎn)B55合金的強度．塑性一韌性的匹配要優(yōu)于現(xiàn)有的Ti-1023與BT22合金，較高的淬透性更適合于大型鍛件進行熱處理。Harper等哺J指出Timetal555合金經(jīng)熱處理后有兩種典型的組織，分別為片層和雙態(tài)組織。合金經(jīng)β相區(qū)固溶處理后，組織為片層或雙片層組織；經(jīng)(α+β)相區(qū)固溶處理后，組織為雙態(tài)組織。美國使用Timetal555合金做成了1:1的飛機起落架，將該合金列為Boeing 777飛機起落架轉(zhuǎn)向架橫梁]。
1.6 VST5553l鈦合金
俄羅斯新設(shè)計的VST55531(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr)合金是俄羅斯VSMPO與歐洲空客公司聯(lián)合開發(fā)應(yīng)用于飛機A380的一種新型鈦合金。
VST55531Ⅲ1合金在(α+β)兩相區(qū)終鍛，固溶溫度790℃，保溫3h，空冷，時效溫度560℃，保溫8h，其抗拉強度最高可達1350MPa，屈服強度1255MPa，延伸率10.5％，斷裂韌性可達51.5 MPa·m1/2。合金成分中不含有Fe元素，使得合金在熔煉過程中避免了存在富Fe偏析而導(dǎo)致的β斑。該合金具有良好的斷裂韌性和高強度匹配特點，合金亦有良好的淬透性，因此比較適用于機影吊掛接頭、起落架以及起落妙機翼接頭等要求高強高韌的零件。
國內(nèi)學(xué)者也對VST55531進行了初步的研究，結(jié)果表明：試驗條件，VST55531合金的優(yōu)化制度為820℃固溶1h空冷，580℃時效4h空冷，其抗拉強度可達1370MPa，屈服強度1340 MPa，延伸率9.0％。合金組織主要為20％左右的等軸αp。和時效析出彌散狀的αs相。經(jīng)過時效處理后，隨著時效溫度的提高，VST55531合金的延伸率和斷面收縮率提高，時效析出的理。相數(shù)量增多且粗化聚集，導(dǎo)致合金強度下降。
2、國內(nèi)高強高韌鈦合金
2.1 TB2合金
中國的高強鈦合金發(fā)展也比較早，20世紀(jì)60年代初期北京有色金屬研究院研制出了Ti-5583(Ti-3Al-5Mo-SV-SCr)合金，研制工作和應(yīng)用取得了較大的進展，并于1969年列入冶金部標(biāo)準(zhǔn)，牌號為TB2。TB2合金主要通過Mo，Cr和V穩(wěn)定β相，同時V的添加有益于提高合金的塑性。典型的熱處理工藝為固溶溫度在稍高于β相變點(800±10)℃，保溫3~30min，空冷；時效溫度(500±10)℃、保溫時間8～24 h，空冷或爐冷。TB2合金經(jīng)該工藝處理后，其時效后的Rm在1100～1200MPa，A在12％左右。該合金在固溶處理狀態(tài)下具有良好的冷成形性能和焊接性能，在固溶時效狀態(tài)下具有高的強度和良好的塑性相匹配。但這種合金作為大型鍛件時，鍛造抗力較大，需要在1000℃的高溫下鍛造，但也難以保證整個截面獲得足夠的變形量。TB2合金是在我國人造衛(wèi)星上作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的第一個高強度鈦合金，該合金主要用于星箭連接帶已在我國各種型號的衛(wèi)星上使用了20多次，至今仍在使用。同時該合金制作的鉚釘、緊固件、固體火箭發(fā)動機殼體也應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。
2.2 TB10合金
北京有色金屬研究總院在對TB2合金改造的基礎(chǔ)上，通過降低Cr含量，自主研制了高強高韌近β型鈦合金Ti-3m-5Mo-5V-2Cr，合金牌號TB10 。該合金中β穩(wěn)定元素總含量在臨界濃度附近，使得合金兼有(α+β)合金和亞穩(wěn)定β型合金的性能特征，具有比強度高，斷裂韌度好等特點。為了獲得合金良好的綜合性能，一般采用兩相區(qū)固溶加二次時效的方法，其典型熱處理工藝為固溶溫度750～770℃，保溫30～60 min，水淬；時效處理500～540℃，保溫8h，空冷及時效處理600～620℃，保溫30min，空冷。TB10合金鍛件經(jīng)該工藝處理后，其Rm可達1110MPa，KIC為70.5 MPa·m1/2。TB10合金主要用于航天結(jié)構(gòu)件，也可用于制造飛機機身和機翼結(jié)構(gòu)中的鍛造零件。
3、存在問題及發(fā)展趨勢
由于航空航天業(yè)需要輕質(zhì)的高強高韌鈦合金，因此高強高韌鈦合金就成為各國爭相研究的鈦合金系列之一。但現(xiàn)有鈦合金的強度和韌性匹配不能滿足航空要求，而且合金成本太高，合金性能對工藝參數(shù)敏感等問題使其應(yīng)用受到了一定限制。高強高韌鈦合金的拉伸延性低和可鍛性差也限制了其作為大型鍛件在航空航天領(lǐng)域的進一步應(yīng)用。綜合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及高強高韌鈦合金所存在的問題，作者分析認(rèn)為高強高韌鈦合金的發(fā)展目標(biāo)及趨勢主要為：
1、發(fā)展研制Rm≥1300 MPa，KIC≥55Pa·m1/2具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型高強高韌鈦合金。現(xiàn)有高強高韌鈦合金的強韌性匹配仍不如現(xiàn)有高強韌鋼(現(xiàn)有超高強合金鋼的強度可達1500 MPa以上)，限制了鈦合金的應(yīng)用。隨著對鈦合金性能要求的提高，發(fā)展Rm≥1300 MPa，KIC≥55 Pa·m1/2的鈦合金是以后高強高韌鈦合金發(fā)展的主要趨勢。
2、發(fā)展Ti-Al-Mo-V-Cr系高強高韌鈦合金，通過調(diào)整合金元素種類及含量的提高和進一步優(yōu)化合金性能。研究發(fā)現(xiàn)目前高強高韌鈦合金的成分
基本以Ti-Al-Mo-V-Cr系為主，通過添加合金元素Fe或zr提高合金的強度及斷裂韌性，同時合金成分選擇應(yīng)避免熔煉時產(chǎn)生合金成分偏析。
3、進一步探索加工工藝與合金組織及性能的關(guān)系，由于高強高韌鈦合金的一些性能對工藝參數(shù)非常敏感，所以需要嚴(yán)格控制加工工藝。對大型高強高韌鈦合金工件而言，合金性能的均一個主要問題，因此不斷研究加工工藝與合金的組織、性能關(guān)系是非常必要的。
4、發(fā)展具有優(yōu)異的淬透性及良好的鍛造性能為主的大型鍛件用高強高韌鈦合金。高強高韌鈦合金與合金結(jié)構(gòu)鋼相比，其變形抗力高，變形溫度范圍窄，可鍛性差，限制其作為大型結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用，因此發(fā)展可替代合金鋼的大型鍛件鈦合金是高強韌鈦合金的發(fā)展趨勢之一。
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