宣布时间：2021-11-11点击：2596
钛合金工艺决定显微组织结构 ，显微组织结构决定力学性能 。在生产实践中 ，人们往往进行反推 ，即凭据所要求的力学性能 ，判断***优的组织状态 ，然后凭据所需要的组织状态 ，进行合金热加工和热处理工艺的优化 。在这个历程中 ，组织和性能的关系成为***为要害的办法 。
一般的组织与性能的关系 ，通过大宗的测试和实践 ，已经形成了一定的共识 。钛合金四种典范组织形态合金力学性能的一般关系见表1 ，每一种组织都有其对应的力学性能优势项和劣势项 。然而 ，现代航空航行质料的综合服役条件 ，越来越要求质料具有较好的综协力学性能 。所以 ，目前对证料较高要求的综协力学性能和质料性能只能满足部分优势性能的矛盾是钛合金质料加工和工程应用的主要矛盾 。为了缓解这一矛盾 ，人们不绝通过工艺的立异 ，进行组织的***佳化 。好比近β、准β、多重热处理的推出 ，都是一定水平牺牲工艺的便当性 ，获得***优化的组织形态 ，从而获得***佳的综协力学性能 。
同显微组织结构对合金力学性能的影响
01显微组织对室温强度和塑性的影响
一般认为 ，合金随着初生α相的减少 ，强度下降 ，塑性升高 ，所以从等轴组织到双态组织到片层组织 ，合金塑性逐渐降低 ，强度逐渐升高 。在差别组织状态下TC4合金的室温力学性能见表2 。
02显微组织对断裂韧性和裂纹扩展速率的影响
关于组织对钛合金断裂韧性、裂纹扩展速率的影响 ，通过大宗的研究 ，目前已经得出一些纪律 ，即在β区变形或β区热处理获得的片层状组织结构 ，可获得更高的断裂韧性和抗裂纹扩展速率 。其解释是由于原始β晶界和α集束的影响 ，裂纹容易分叉而形成次生裂纹 ，所以裂纹在片状组织中的扩展路径更曲折 ，导致裂纹总的长度增加 ，需要消耗更多的能量 。两种典范组织状态下TC4合金的性能见表3 。差别组织状态下TC11合金的性能见表4.
03显微组织对合金热强性的影响
钛合金的热强性反应质料在高温条件下对抗变形的能力 ，通常研究***广泛的性能有高温下的瞬时强度、长期强度和蠕变强度 。大宗的研究标明：片状组织的热强性要比球状组织的高 。当晶粒尺寸增大并使晶粒结构由球状变为片状组织时 ，长期强度先是增加 ，然后降低 ，合金的抗蠕变能力随着β晶粒尺寸的增大而提高 。在钛合金四种典范组织形态中 ，网篮组织的热强性***好 ，即网篮组织具有***好的高温拉伸强度、长期强度和蠕变强度的综合性能 。魏氏组织次之 ，等轴组织热强性***低 。TC11合金的热强性与组织类型的关系见表5 。
04组织对疲劳性能的影响
平滑试样在对称循环高频应力作用下 ，等轴组织比片状组织有更好的疲劳强度 ，同时 ，组织越细小疲劳性能越好 。在四种典范的组织状态下 ，等轴组织的疲劳性能***好 ，其次是双态组织 ，再次是网篮组织 ，魏氏组织的疲劳性能***差 。表6所示为差别组织对TC6合金疲劳性能的影响 。
钛合金显微组织结构的设计
现代航行器的高速生长 ，对证料的应用性能也提出了新的要求 ，即现代航空工业结构设计和选材的五项基本因素：“未损伤”质料的静强度及刚度 ；“未损伤”质料的疲劳性能 ；高温使用时的蠕变、长期和热稳定性 ；有损伤质料的静强度 ；有损伤质料的疲劳性能 。质料选材判据与组织性能的关系见表7 �？梢钥吹秸庑┬阅芏宰橹囊缶哂胁豢珊托车拿� ，所以在现实工程应用中 ，就需要针对合金要求的力学性能 ，进行组织的设计 ，即凭据要求设计特有组织或“中间”组织 ，满足合金力学性能指标要求 。以下就典范的两类钛合金—高温钛合金和高强韧钛合金的组织设计进行说明 。
表7 质料选材判据与组织性能的关系
01高温钛合金的显微组织设计
在实际应用中 ，高温钛合金要求质料具有良好的室温性能、高温强度、蠕变性能、热稳定性、疲劳性能和断裂韧性等的匹配 ，其中***重要的是热稳定性、高温蠕变性能和疲劳性能匹配 ，而这些性能对证料的身分和组织的要求是矛盾的 。因此IMI834合金为了兼顾蠕变性能和疲劳性能 ，使用初生α相含量为15%的双态组织 ，在两相区上限温度进行固溶处理 。关于截面尺寸＞15mm的坯料 ，推荐接纳油冷 ；截面尺寸＜15mm的坯料 ，推荐接纳空冷 ，然后在700℃进行时效处理 。在合金中加入的0.06%C ，也是为了扩大两相区热处理的温度规模 ，易于固溶热处理时更好地控制初生α相的含量 ，图1所示为IMI834合金***佳热处理区及其对应的组织形态 。
而同样作为高温钛合金 ，为了获得更高的蠕变性能 ，Ti1100合金锻件的生产推荐接纳β铸造和直接时效的热加工工艺路线 ，获得片层组织状态 。即在相变点以上25~55℃规模内进行铸造 ，R铸造之后直接进行600℃/8h的时效处理 。这样的工艺减少了一次高温热处理 ，简化了工艺 ，降低了生产本钱 。图2所示为Ti1100合金使用状态的组织形态 。
02高强韧钛合金的组织设计
表7中除高温使用时的蠕变、长期和热稳定性外 ，所有的性能险些都是高强韧钛合金所要强调的性能 �？梢钥闯� ，其对应的***优组织状态为完全矛盾的两种组织 ，因此 ，为协调差别性能之间的关系 ，高强韧钛合金在细化晶粒的同时 ，尽可能选择一种介于等轴组织和片层组织“中间”的组织状态 。通常接纳较为庞大铸造和热处理结合的方法 。好比Ti62222合金 ，为了获得拉伸性能、断裂韧性、疲劳裂纹扩展速率较好的综合性能匹配 ，接纳三重处理制度：***重 ，Tβ+28℃/0.5hFC或AC ，以20～67℃/min冷却速率冷却到482℃ ；第二重 ，Tβ-39℃/1hAC或FC ；第三重 ，在538℃/8h AC 。三重处理后的性能为σb=1034MPa ，σ0.2=931MPa,δ=6% ，Ψ=42%～48% ，KIC=77MPa·m1/2 。而针对Ti17合金 ，双态区铸造后也接纳双固溶+时效的热处理工艺 ，获得一种综合的组织状态 。关于新型的高强韧钛合金Ti5553 ，通过双重时效处理调解时效α相的析出位置和形态 ，***终获得***优的综协力学性能 。
对高强韧钛合金组织设计***典范的例子是近β、准β和锻后水冷技术的提出和综合应用 ，近β铸造在高强韧钛合金应用的思路是在双态组织的基础上进一步降低和细化初生等轴α相的含量 ，同时增加次生条状α和时效α ，获得一种混淆组织 ，这种组织在不明显降低合金塑性的基础上 ，通过增加次生条状α、时效α和时效β来提高合金的韧性和抗疲劳裂纹扩展能力 。而准β铸造工艺的提出 ，也是基于网篮组织具有***优异的综协力学性能 。虽然在各项性能指标中网篮组织都不是******的 ，但对所有的性能 ，网篮组织都是较优或中等的（见表1) ，因此在要求综合的力学性能指标时 ，网篮组织是一种***优的组织 ，为了结构这种组织 ，提出了准β铸造工艺 。同时 ，锻后水冷技术也主要是针对高强韧钛合金 ，通过水冷细化片层和条状α ，提高合金的断裂韧性和抗裂纹扩展能力 。
来源：《新型合金质料-钛合金》 作者：赵永庆 辛社伟 陈永楠 毛小南
