简介概要

航空用高强度结构钛合金的研究及应用

来源期刊：稀有金属2004年第1期

论文作者：王庆如沙爱学李兴无

关键词：高强度结构钛合金; 工艺性能; 力学性能;

摘要：对航空领域广泛使用的高强度结构钛合金Ti-15-3(TB5), β21S(TB8), Ti-1023(TB6)和BT22(TC18)的研究现状进行了综合评述和对比分析.

稀有金属 2004,(01),239-242 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.01.059

航空用高强度结构钛合金的研究及应用

王庆如李兴无

北京航空材料研究院钛合金研究所,北京航空材料研究院钛合金研究所,北京航空材料研究院钛合金研究所北京100095 ,北京100095 ,北京100095

摘要：

对航空领域广泛使用的高强度结构钛合金Ti 15 3 (TB5 ) , β2 1S (TB8) , Ti 10 2 3 (TB6) 和BT2 2 (TC18) 的研究现状进行了综合评述和对比分析。

关键词：

高强度结构钛合金;工艺性能;力学性能;

中图分类号： V252

收稿日期：2003-06-30

Research and Application of High-Strength Titanium Alloys Used in Airplane Structure

Abstract：

Four high strength titanium alloys, Ti 15 3 (TB5) , β21S (TB8) , Ti 1023 (TB6) and BT22 (TC18) , which were widely used in airplane structure, were compared and analyzed.

Keyword：

high strength titanium alloys; technologic properties; mechanical properties;

Received： 2003-06-30

高强度结构钛合金一般指抗拉强度在1000 MPa以上的合金, 目前代表国际先进水平、并在飞机上获得实际应用的高强度钛合金主要有亚稳定β型合金Ti-15-3, β21S, 近β型合金Ti-1023和α-β型两相钛合金BT22。 Ti-15-3, β21S和Ti-1023合金是由美国TIMET公司在70, 80年代开发成功的, BT22是俄罗斯在70年代开发的 ^[1,2,3] 。用高强度结构钛合金代替目前飞机结构中常用的30CrMnSiA高强度结构钢可减重20%以上 ^[4] 。

Ti-15-3, β21S合金中β稳定元素含量均超过17%, 固溶状态下可获得全部的亚稳定β相, β相的体心立方晶体结构保证了合金良好的形变能力, 特别是冷加工过程中这种优越性更加明显, 这使得上述两个合金特别适合制造冷成形钣金类构件。 Ti-1023和BT22合金适合制造飞机机体和起落架用锻造零件, 因为它们兼具高的强度和韧性, 能采用普通低成本模锻 (在模锻锤上进行) 、热模锻和等温模锻等多种工艺生产出接近最终形状的锻件。

上述4个合金在我国都已进行过研究和应用, 本文结合前人研究结果, 从应用部位、工艺性能、力学性能等几方面对其进行了综合对比分析。

1 工艺性能

1.1 熔炼工艺

与低强度、中强度钛合金相比, 高强度钛合金在熔炼方面往往存在两个难解决的问题, 一是这类合金含有较多的钼、铌等高熔点难熔元素, 并具有较高的密度, 这些元素颗粒很难熔化, 易沉于熔池底部并保持原始尺寸; 另外以铁为主的 (共析元素在熔池凝固时容易形成宏观的β稳定区域, 导致合金塑性降低。下面就每个合金的熔炼工艺分别论述。

Ti-15-3 (TB5) 合金名义成分是Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al, 虽然β稳定元素含量很高, 但由于没有难熔元素, 采用两次真空自耗电弧炉熔炼即可获得均匀的成分。为了保证技术条件规定的氧含量不大于0.13%, 应选用低氧的0~一级海绵钛和高质量的85%V-15%Al中间合金以及Sn-Ti中间合金。

β21S (TB8) 合金名义成分为Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si, 合金中含有大量高熔点β同晶元素钼和铌, 为了保证成分的均匀性, 合金元素必须以中间合金形式加入, 即Al-Mo (或Ti-Mo) , Al-Si, Ti-Nb的方式加入, 并采用3次真空自耗电弧炉熔炼。

Ti-1023 (TB6) 合金名义成分为Ti-10V-2Fe-3Al, 由于含有2% Fe, 容易因成分偏析产生“β斑点”, 给冶金质量控制带来了麻烦, 如何解决铁偏析问题是熔炼Ti-1023钛合金的关键。已有经验表明在熔炼过程中选择低的熔炼电流和小熔池的原则, 并采用三次真空自耗电弧炉熔炼, 可以减少铸锭中的铁偏析。

BT22 (TC18) 合金名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe, 由于BT22合金中铁含量较低, 产生“β斑点”的倾向要小。

1.2 锻造及成形性能

Ti-15-3, Ti-1023, β21S和BT22合金的β转变温度都比较低, 分别为760, 800, 815, 870 ℃, 所以可以在相对低的温度下进行锻造, 并有较好的锻造工艺塑性。

Ti-15-3和β21S合金在固溶处理状态具有优异的冷成形性能, 可以在室温下成形中等复杂的钣金零件, 其成形性能见表1。 Ti-15-3合金还具有优良的超塑成形特性, 可以采用冷轧状态或固溶处理状态的板材, 成形温度选择在β转变温度以下的700~740 ℃, 应变速率可以在不大于2.8×10^-3 s^-1的较宽范围内变化。

表1 Ti-15-3和β21S合金的成形性能Table 1 Formation properties of Ti-15-3 and β21S

材料	品种	δ/ mm	状态	成形温度/ ℃	杯突值/ mm	极限拉深系数	极限翻边系数	凸耳率/ %	扩孔率/ %
Ti-15-3	板材	1.5	固溶处理	室温	10.2	1.80	-	-	51.0
		1.2			9.5	1.80	2.0	6.5	58.7
		0.8			8.0	1.80	-	4.7	-
β21S	板材	0.8	固溶处理	室温	10.2	1.65~1.75	1.37~1.47	-	-

1.3 热处理

Ti-15-3, β21S和Ti-1023合金均通过固溶时效达到强化效果 ^{[5,6,7,8,9,10]} 。与上述3个合金不同, 由于BT22合金退火状态下的组织中含有数量大致相等的α相和β相, 保证了该合金在退火状态下即可获得较高的强度水平, 而且是现有合金中退火强度最高的。由于截面厚度不受淬透性限制, 特别适合制造飞机大型承力构件, 这也是BT22钛合金最突出的优点 ^[11] 。下面对4个合金的热处理制度作详细说明。

Ti-15-3和β21S合金板材采用连续固溶退火处理, 但在零件冷成形以后要在真空炉中进行约束时效处理。 Ti-15-3的典型时效制度是520 ℃, 10 h, 炉冷; β21S的典型时效制度是670 ℃, 8 h, 炉冷。

Ti-1023合金通过固溶时效处理实现强化, 固溶处理在低于β转变温度28~56 ℃范围内选定, 保温不少于30 min, 水淬 (对于厚度小于或等于25 mm的锻件允许采用空冷代替水淬) , 淬透截面厚度不大于100 mm。时效在482~593 ℃范围内选定, 保温8 h, 空冷。具体固溶处理、时效温度应根据性能要求选择。希望得到较高强度时, 应采用较高固溶处理温度和较低时效温度; 希望得到较高的塑性和断裂韧性时, 则应选择较低固溶处理温度和较高时效温度, 表2给出了采用不同时效温度获得的典型强度数据及对应的断裂韧度值 ^[5] 。

BT22合金的退火制度为: 820~850 ℃, 保温1~3 h, 随炉冷至740~760 ℃, 保温1~3 h, 空冷, 然后加热到500~650 ℃, 保温2~6 h, 空冷。第一级高温退火 (820~850 ℃) 的目的是通过再结晶完全消除锻压变形的影响, 740~760 ℃保温是为后面的第二级退火 (500~650 ℃) 作组织上的准备。第二级退火温度的选择对保证合金强度和断裂韧度的匹配十分重要。 TC18合金的典型热处理制度为: 835 ℃, 2 h, 炉冷至750 ℃, 2 h, 空冷+610 ℃, 4 h, 空冷。

1.4 焊接性能

Ti-15-3和β21S合金板材适宜于点焊和缝焊。零件的焊接可根据制造需要, 安排在时效处理前或后进行, 均能获得满意的焊接性能。 Ti-1023和BT22合金可以用氩弧焊、电子束焊和等离子焊等多种方式进行焊接。表3给出了Ti-1023合金采用电子束焊获得的典型性能数据, 可以看出焊缝的性能与基体相当 ^[5] 。

表2 Ti-1023典型强度数据及对应的断裂韧度值Table 2Typical strength data corresponding with K1Clevel

σ_b/MPa	K_1C/ (MPa·m^1/2)
965	110
1103	81
1241	54

表3 Ti-1023合金采用电子束焊的典型性能数据*Table 3Typical electron beam welding properties ofTi-1023

取样部位	σ_b/ MPa	σ_0.2/ MPa	δ₅/ %	ψ/ %	K_1C (沿焊缝中心线) / (MPa·m^1/2)
基体	1255	1145	5	11	57
焊接接头	1255	1172	5	11	57

*取样方向: T; 热处理制度: 760 ℃, 1 h, WQ+510 ℃×8 h×AC

2 主要力学性能指标和典型数据

表4收集整理了美国、俄罗斯相关技术标准中对Ti-15-3, β21S, Ti-1023和BT22合金主要力学性能的规定值。

从表4可以看出, 通过采用不同的时效制度, Ti-15-3时效后的强度可分别达到1000和1241 MPa两个不同等级; β21S时效处理后强度可达到862, 1014 MPa等级; Ti-1023时效后的室拉强度可分别达到965, 1103, 1193 MPa等3个不同等级。可以根据零件的具体设计要求选择不同的强度级别。

3 应用部位

表5列举了高强度钛合金的典型应用机型、部位及零部件名称, 高强度钛合金在飞机机体和起落架上的应用明显起到了减轻飞机结构重量, 提高作战性能的作用。

表4 高强度结构钛合金的主要力学性能指标*Table 4 Mechanical properties of high-strength titanium alloys

材料	技术标准	品种	δ或d/ mm	状态	取样方向	σ_b/MPa	σ_0.2/MPa	δ₅₀/%	δ₅/%	ψ/%	K_1C/ (MPa·m^1/2)
材料	技术标准	品种	δ或d/ mm	状态	取样方向	不小于
Ti-15-3	AMS 4914A	薄板	≤0.32	ST	L, T	703	689	12	-	-	-
				STA		1000 1241	965 1172	7 5	-	-	-
β21S	AMS 4897	薄板	≤0.32	ST STA	T	827 862 1014	793 793 951	8 5 5	-	-	-
Ti-1023	AMS 4984 AMS 4986 AMS 4987	锻件	≤76 ≤102 ≤102	STA	T	1193 1103 965	1103 998 896	- - -	4 6 8	- 10 20	44 60 68
BT22	ТУ1-92-185-91	锻件	≤250	双重退火	L	1080~1230	-	-	8	20	59

* δ₅₀为标距L₀=50 mm

4 综合评估及潜力分析

Ti-15-3合金的冷成形性能与工业纯钛相当, 主要用于制造各种高强度钣金构件, 最高工作温度为290 ℃。

β21S合金由于具有高抗氧化性能和耐热油腐蚀性能, 从降低成本、减重和改善性能等方面因素, 美国正考虑用β21S钛合金替代部分抗燃烧钛合金Alloy C (名义成分: Ti-35V-15Cr) 用于F119发动机 ^[12] , 其最高工作温度可达550 ℃。

Ti-1023合金具有比强度高、锻造温度低等优点, 特别适用于热模锻或等温锻, 但熔炼工艺不易控制, 铁偏析产生的“ (斑点”会导致半成品质量不稳定。另外, Ti-1023合金是固溶时效强化型合金, 零件尺寸受到淬透性限制, 一般截面厚度不大于100 mm。

表5 高强度钛合金在飞机上的应用部位Table 5Applications of high-strength titanium alloys on airplane

牌号	机型	应用部位	零部件名称
Ti-15-3	F-22	-	卡箍、拖架
β21S	B-777	发动机舱	塞子、喷嘴、整流罩等
Ti-1023	B-757	机身、机翼	转轴轴承壳体和辅助襟翼滑轨
	B-737	发动机	短舱接头
	B-777	起落架	扭力臂
BT22	ИЛ-76	机身	承力框梁
		起落架	支柱
	ИЛ-96-300	起落架	转向摇杆
	СУ-27	起落架	轮叉、扭力臂