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干貨 | 全面高強、高韌、高損傷容限型TC21鈦合金
發布:lee_9124   時間:2019/10/19 14:08:55   閱讀:297 
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一、TC21是高強、高韌、高損傷容限型鈦合金

美國最先進的第四代戰斗機 F22 鈦合金用量已占飛機結構重量的 41% ,主要采用低間隙 損傷容限型的 Ti-6AI-4V 和 Ti-6-22-22S 兩種合金。其中 3%的結構件采用了 Ti-6-22-22S 合金 。可見其在飛機結構件上應用的重要地位。

與發達國家相比 ,我國在鈦合金材料用量與應用技術方面還有較大差距。十五 期間, 我國啟動了高強、 高韌、 高損傷容限型鈦合金的研究計劃 ,以適應國際流行的損傷容限設計的新概念。為此 ,北京航空材料研究院,西北有色金屬研院,西北工業大學和紅原航空鍛鑄工業公司等單位成立了聯合課題組, 研制成功了新型的高強(強度高于 1100MPa)、高韌( KIC達 70 ~90 MPa.m1/2) 、損傷容限型 (較低的裂紋擴展速率 da/dN)可焊的 α+ β 兩相鈦合金,命名為 TC21 合金,名義成分為 Ti-6AI-2Zr-2Sn-3Mo-1Cr-2Nb-0.1Si 。

合金設計的目的是要在斷裂韌性、 裂紋擴展抗力、 熱穩定性等性能不低于TC4合金條件下, 其強度要比TC4合金高一個等級 ,與美國的Ti-62222S合金相當或更好。經過對實驗室 中試及工業規模的深入研究表明: TC21鈦合金各種力學性能穩定, 具有良好的強度、 塑性、 斷裂性 裂紋擴展速率的匹配, 是一種非常有應用前景的高強、高韌、損傷容限型結構鈦合金。目前,該合金的應用形式主要是棒材 鍛件和厚板 。這種類型鈦合金零件的加工, 大部分需要通過塑性變形的方法來實現。由于鈦合金的比強度很高, 對于大部分類型的鈦合金來說, 其冷塑性變形能力很差,通常需要采取諸如鍛造等高溫熱塑性變形的熱加工工藝對其進行塑性變形加工,TC21鈦合金也不例外。

二 、TC21 鈦合金的微觀組織與性能

合金化、 加工工藝和微觀組織是影響合金性能的三大主要因素 ,而加工工藝對合金性能的影響通常是通過影響其微觀組織來實現的 ,所以在合金成分一定的情況下, 合金的微觀組織便成了影響其性能的主要因素。

在兩相鈦合金的變形過程中, 由于采用的加工方法以及加工條件的不同 ,會使鈦合金顯現出各種各樣的組織形態, 這些組織的形狀 、大小、 結構以及性能也各不相同。TC21 鈦合金的顯微組織也可分為 4 類, 即魏氏組織、 網籃組織 、雙態組織和等軸組織, 如上圖 所示 。魏氏組織具有良好的高溫蠕變性能, 但具有最差的塑性、熱穩定性和疲勞性能 ;網籃組織和雙態組織具有良好的綜合力學性能 ,與雙態組織相比, 網籃組織具有更好的蠕變性能、 斷裂韌性和疲勞裂紋擴展性能,但疲勞性能和熱穩定性要差一些 ;等軸組織具有最好的塑性和熱穩定性, 但蠕變性能也最低。

三、TC21 鈦合金網籃組織組織參數與損傷容限性能的研究

在航空工業中, 依據損傷容限標準進行失效-安全設計具有重要的意義。因為只有掌握了材料損傷與臨界條件之間的關系, 才能準確地估計零件的疲勞壽命。從斷裂力學的角度講, 具有損傷容限型特征的材料應該具備三個條件 :

一是 具有高的斷裂韌性 KIC;

二是 具有較低的裂紋擴展速率 da/dN ;

三是 具有較高的裂紋擴展門檻值 Kth 。

為了正確地表征、 評價和應用此類材料 ,必須系統測定其損傷容限性能, 為結構的損傷容限設計提供依據 。同時 ,還應該從宏觀 、微觀結合的角度分析能夠提高材料損傷容限性能的主要因素和參數, 這對提高材料的損傷容限性能具有重要意義。

眾多的研究表明, TC21鈦合金通過一定的熱處理制度得到的網籃組織,比其他組織形態具有更好的強度、 塑性、 韌性和裂紋擴展速率匹配, 其斷裂韌性裂紋擴展抗力 、熱穩定性在不低于TC4合金的條件下 ,強度比TC4合金高一個數量級, 與美國的Ti-62222S合金相當 ,但是目前這些研究基本上都是定性的說明和解釋而非定量的描述TC21微觀組織,尤其是網籃組織組織參數 對損傷容限性能影響。

我們知道,高性能構件的獲得需要具有高性能的組織類型和組織結構 ,組織結構參數決定了合金和航空產品的最終性能。 建立微觀組織參數和損傷容限性能,尤其是斷裂韌性之間的數學模型是材料研制及具體生產中迫切需要解決的問題和研究方向。

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來源:騰訊網
 
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