鈦合金在末敏彈中的應(yīng)用

賀玉民 辛敏艷 楊麗軍

在某炮射末敏彈項(xiàng)目研制過(guò)程中，由于受高過(guò)載、小空間等條件制約，要求某關(guān)重零件具有極高的強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度R0.2≥1140MPa）和韌度（伸長(zhǎng)率δ5≥10%），同時(shí)為滿足全彈質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等總體參數(shù)，其最大重量只能是鋼質(zhì)零件的60%，為達(dá)到上述要求，該零件必須使用強(qiáng)度和韌度極高的輕質(zhì)材料制作。本文通過(guò)對(duì)TC-E鈦合金的選取、改進(jìn)處理與組織性能分析，提出了一種新的模鍛技術(shù)，解決了上述難題，并將鈦合金材料首次成功應(yīng)用于末敏彈中。

與其他金屬相比，鈦在化學(xué)、物理和機(jī)械性能方面有其自已的特點(diǎn)，概括起來(lái)主要有以下六項(xiàng)性能。1)密度小，比強(qiáng)度高：金屬鈦的密度為4.5g/cm3,在相同尺寸條件下，使用鈦制造的設(shè)備比鋼約輕一半，所以鈦是一種輕型材料；鈦合金的強(qiáng)度與鋼接近，遠(yuǎn)高于鋁，所以鈦合金又是一種輕型高強(qiáng)度金屬結(jié)構(gòu)材料。由于這種優(yōu)異特性，鈦合金在航空、航天、導(dǎo)彈、兵器等尖端技術(shù)中被大量采用。2)耐腐蝕性能：鈦在很多介質(zhì)中是非常穩(wěn)定的，如果說(shuō)鈦合金的比強(qiáng)度高是航空、航天用鈦的重要依據(jù)，那么鈦的耐腐蝕性能優(yōu)異是民用工業(yè)使用的基礎(chǔ)。鈦和氧有很大的親和力，在空氣中或含氧的介質(zhì)中，鈦表面生成一層致密、附著力強(qiáng)、惰性大的氧化膜，保護(hù)了鈦基體不被腐蝕，即使由于機(jī)械磨損也會(huì)很快自愈或重新再生，而且介質(zhì)溫度在315℃以下時(shí)鈦的氧化膜始終保持這一特性，這是各國(guó)民用工業(yè)使用鈦材的基礎(chǔ)保障。3)無(wú)磁性、無(wú)毒：鈦合金是無(wú)磁性金屬，在很大的磁場(chǎng)中也不會(huì)被磁化。這一特性可使鈦合金應(yīng)用于磁控設(shè)備中，鈦制艦艇外殼可以避免磁性雷的爆炸。鈦合金無(wú)毒，與人體組織及血液有良好的相容性，所以被醫(yī)療界采納，用于人工關(guān)節(jié)、心臟起博器等設(shè)備。另外鈦設(shè)備也是制藥行業(yè)理想的設(shè)備。4)抗阻尼性能：鈦合金受到機(jī)械振動(dòng)、電振動(dòng)后，與鋼、銅相比，其自身振動(dòng)衰減時(shí)間最長(zhǎng)。利用這一性能鈦合金可制作音叉、醫(yī)學(xué)上的超聲粉碎機(jī)振動(dòng)元件和高級(jí)音響揚(yáng)聲器的振動(dòng)薄膜等。5)耐熱性能：通過(guò)固溶強(qiáng)化α相研制出的高溫鈦合金，可以在600℃以下長(zhǎng)期使用，800℃以下短時(shí)間使用。當(dāng)飛機(jī)的飛行速度馬赫數(shù)高于2．7以上，其發(fā)動(dòng)機(jī)的盤(pán)、葉片、后機(jī)身、導(dǎo)向器、進(jìn)氣機(jī)匣等部件都采用高溫鈦合金。6)耐低溫性能：以TA7、TC4為代表的低溫鈦合金，其強(qiáng)度隨溫度的降低而提高，但塑性變化不大，可在－196～－253℃低溫下保持較好的延性及韌性，避免了金屬冷脆性，是低溫容器、儲(chǔ)箱等設(shè)備的理想材料。

鈦合金中最常用的合金元素有10余種，其主要強(qiáng)化途徑是固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化。前者是通過(guò)提高α相或β相的固溶濃度而提高合金的性能；后者是借助熱處理獲得高度彌散的α+β或α+金屬間化合物（α+TiXMy）以達(dá)到強(qiáng)化的目的。按現(xiàn)有水平，鈦合金利用單相或復(fù)相固溶強(qiáng)化效果，可使抗拉強(qiáng)度從純鈦的約450MPa提高到1000～1200MPa，即提高1倍左右；如再結(jié)合適當(dāng)?shù)臒崽幚恚€可進(jìn)一步提高到1200～1500MPa，個(gè)別合金的σb可達(dá)1800～2000MPa。如前所述，鈦中加入元素不同，可獲得組織為單相或多相的合金，溶解濃度的差異、組織形態(tài)、晶粒大小等因素對(duì)鈦合金的力學(xué)性能均有影響，下面分別作一簡(jiǎn)單介紹。

（1）α鈦合金 若要使鈦合金退火組織由單相α構(gòu)成，添加元素應(yīng)以α穩(wěn)定元素為主。工業(yè)上，主要靠加入鋁獲得α鈦合金。因此，此類(lèi)鈦合金，多半屬于鈦-鋁系。添加合金元素鋁是因?yàn)殇X有較低的密度，能抵消加入合金中重過(guò)渡金屬元素對(duì)鈦合金密度的影響作用。鋁能顯著地使室溫和高溫下的α相強(qiáng)化，但加入量過(guò)多會(huì)出現(xiàn)Ti3Al相而引起脆性，因此，鋁的添加量一般不超過(guò)7%（質(zhì)量）。為進(jìn)一步改善α-Ti合金的耐熱性，鈦-鋁系合金中還添加鋯、錫等中性元素和少量的β穩(wěn)定元素。α鈦合金為單相合金，不能熱處理強(qiáng)化，只有中等水平的室溫強(qiáng)度。但由于這類(lèi)合金的組織穩(wěn)定，抗蠕變性能好，可在較高溫度下長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作，是創(chuàng)制新型耐熱鈦合金的基礎(chǔ)。

（2）β鈦合金 是退火組織完全由β相構(gòu)成的合金。從鈦與同晶型β穩(wěn)定元素的狀態(tài)圖可知，要得到單相β組織，合金中β穩(wěn)定元素的含量必須大于Cβ，才能使β轉(zhuǎn)變溫度降低到室溫或室溫以下。據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，要使合金的β轉(zhuǎn)變溫度下降到600℃，應(yīng)分別加入30%Mo，或70%V，或50%Nb，或70%Ta；如要將β轉(zhuǎn)變溫度下降到溫室，則加入量還要更大。這樣就可能使鈦由主要元素變?yōu)榉侵饕兀哟蠛辖鹈芏?，降低比?qiáng)度。所以，穩(wěn)定的β鈦合金在工業(yè)上并沒(méi)有多大的實(shí)際意義。目前，穩(wěn)定型β合金只有作耐蝕材料的Ti-32Mo。工業(yè)常用的β鈦合金是亞穩(wěn)定型近β鈦合金。這類(lèi)合金中β穩(wěn)定元素含量無(wú)須大于Cβ，而只要大于CKB。這是因?yàn)榇祟?lèi)合金當(dāng)其加熱到β相區(qū)淬火時(shí)，將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，和鋼一樣，鈦合金中馬氏體轉(zhuǎn)變也有一個(gè)開(kāi)始溫度Ms和轉(zhuǎn)變終了溫度Mf，它們隨合金中β穩(wěn)定元素含量的增加而降低，當(dāng)β穩(wěn)定元素含量超過(guò)CKB時(shí)，Ms下降到室溫。通常將CKB稱(chēng)為臨界濃度。亞穩(wěn)定近β鈦合金在固溶狀態(tài)有良好的工藝塑性，便于加工成形，時(shí)效處理后可獲得很高的強(qiáng)度性能。例如TB2（Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al）合金，固溶狀態(tài)σb＜1000MPa，δ≥20%；時(shí)效后σb≈1350MPa，δ≥8%。目前，國(guó)內(nèi)試制的亞穩(wěn)定近β鈦合金牌號(hào)有：TB1，TB2，Ti-22，Ti-15-3，Ti-1023等，主要用于緊固件和飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。這類(lèi)合金的缺點(diǎn)是對(duì)雜元素敏感性高，組織不夠穩(wěn)定，耐熱性較低，不宜在高溫下使用。另外，該類(lèi)合金的冶金工藝也較一般合金復(fù)雜，焊接性較差。

（3）（α+β）鈦合金 該合金退火組織由（α+β）兩相組成。它兼有α和β鈦合金的優(yōu)點(diǎn)，即具有較高的耐熱性，熱加工較容易并能通過(guò)熱處理強(qiáng)化。（α+β）型合金的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)調(diào)整成分，使合金的組織，即α相和β相的性質(zhì)與比例在很寬的范圍內(nèi)變動(dòng)，從近α型直到近β型合金，以滿足不同的設(shè)計(jì)和使用要求。從成分上，（α+β）合金一般是以Ti-Al為基再添加適量的β穩(wěn)定元素。因在周期表中具有實(shí)用價(jià)值的合金元素當(dāng)中大多屬β穩(wěn)定的組元，故（α+β）型合金成分的選擇余地遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)α合金。（α+β）鈦合金的性能不僅與β穩(wěn)定元素含量而且還與熱處理方式有關(guān)，α+β合金的強(qiáng)度在較大范圍內(nèi)是可調(diào)整的，只要控制合金成分和選擇適當(dāng)?shù)臒崽幚矸椒ǎ湍塬@得不同的組織形態(tài)，從而具有不同的性能水平。

1.鈦合金材料在末敏彈中的初步應(yīng)用

研制初期，為滿足強(qiáng)度要求，某關(guān)重零件的原材料使用D6BA高強(qiáng)度鋼，但重量超標(biāo)。后期選用TC-E鈦合金棒材，但抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率等指標(biāo)與要求仍有距離。

TC-E是一種高合金化的α+β型鈦合金，2007年我國(guó)將其納入國(guó)軍標(biāo),其名義成分為T(mén)i-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，鋁當(dāng)量5.0，鉬當(dāng)量11.75，密度4.62g/cm2，該合金具有高強(qiáng)度、高韌性、高塑性、淬透性焊接性好、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在空氣介質(zhì)中的最大淬透截面厚度可達(dá)250mm，即淬透性好，熱處理調(diào)整空間大。TC-E合金的最高工作溫度為400℃。是目前退火狀態(tài)下強(qiáng)度最高的鈦合金，一般可在退火狀態(tài)下使用，他比鋼材強(qiáng)度高、無(wú)磁、防腐，密度低，替代鋼材可減重40%。適合制造飛機(jī)機(jī)身和起落架上的大型承力結(jié)構(gòu)件及高過(guò)載下的結(jié)構(gòu)件等，但抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率等指標(biāo)與要求仍有距離。

2.TC-E鈦合金的優(yōu)選與處理

通過(guò)使用等離子焊接電極、多次真空熔煉、多級(jí)真空熱處理、新型模鍛等先進(jìn)工藝技術(shù)，將鈦合金TC-E抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率等性能大幅提高，最終各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求。鈦合金對(duì)鍛造工藝參數(shù)非常敏感，鍛造溫度、變形量、變形及冷卻速度的改變都會(huì)引起鈦合金組織性能的變化。為更好地控制鍛件的組織性能，近幾年，熱模鍛造、等溫鍛造等先進(jìn)的鍛造技術(shù)在鈦合金的鍛造生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。鈦合金的塑性隨溫度升高而增大，在1000—1200℃溫度范圍內(nèi)，塑性達(dá)到最大值，允許變形程度達(dá)70%—80%。鈦合金鍛造溫度范圍較窄，應(yīng)嚴(yán)格按(α+β)/β轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行掌握(鑄錠開(kāi)坯除外)，否則β晶粒會(huì)劇烈長(zhǎng)大，降低室溫塑性；α鈦合金通常在(α+β)兩相區(qū)鍛造，因(α+β)/β相變線以上鍛造溫度過(guò)高，將導(dǎo)致β脆相，β鈦合金其始鍛和終鍛都必須高于(α+β)/β轉(zhuǎn)變溫度。鈦合金的變形抗力隨變形速度的增加提高較快，鍛造溫度對(duì)鈦合金變形抗力影響更大，因此常規(guī)鍛造必須在鍛模內(nèi)冷卻最少的情況下完成。間隙元素(如O、N、C)的含量對(duì)鈦合金的鍛造性也有顯著影響。

選用高品質(zhì)的海綿鈦與合金，經(jīng)人工嚴(yán)格挑選作為T(mén)C-E的原材料；采用等離子電極焊接，避免了鎢夾雜；采用三次真空熔煉，大大減少了成分偏析；采用合理的加熱溫度和變形比，經(jīng)過(guò)三次模鍛、一次軋制、四次熱加工，使其內(nèi)部組織進(jìn)一步調(diào)整和細(xì)化，組織更加均勻；每次熱加工后進(jìn)行修磨處理，去除表面缺陷和氧化層；熱加工完成后使其內(nèi)部組織細(xì)碎等軸，最后通多級(jí)熱處理調(diào)整機(jī)械性能，達(dá)到要求指標(biāo)。改進(jìn)前后的TC-E與高強(qiáng)度鋼D6BA主要性能對(duì)比情況見(jiàn)表1。

表1 改進(jìn)前后的TC-E與高強(qiáng)度鋼D6BA主要性能對(duì)比

從低倍組織分析，鍛件邊部呈流線狀，這是由于鍛件很薄，從坯料高向墩粗過(guò)程中大的變形量產(chǎn)生的；心部低倍反映出坯料直徑的大小，此處在墩粗變形過(guò)程中變形量較小，其肉眼觀察到的組織并不是實(shí)際的晶粒尺寸，只反應(yīng)出某個(gè)區(qū)域α相的多少，這些都是鍛件墩粗變形過(guò)程中不可避免的。該零件精毛坯的顯微組織為轉(zhuǎn)變?chǔ)卤倔w上均勻細(xì)小的等軸和條狀α（見(jiàn)圖2），針對(duì)相關(guān)技術(shù)要求的力學(xué)性能指標(biāo)（強(qiáng)度、塑性和硬度等），此組織是最好的組織。另外，針對(duì)該產(chǎn)品，我們采用半成品和成品二次超聲探傷，成品采用最高級(jí)別的AA級(jí)探傷，避免了有內(nèi)部組織缺陷的殘次品流出。采用模鍛件后，比圓柱形毛坯內(nèi)部組織更均勻，機(jī)械性能進(jìn)一步提高，減少重量60%，鍛件精毛坯如圖1所示。

圖1 TC-E鈦合金精毛坯

圖2 左圖 TC-E鈦合金精毛坯顯微組織圖右圖 TC-E鈦合金晶相圖

3.關(guān)鍵技術(shù)及使用效果

突破的關(guān)鍵技術(shù)主要有：等離子焊接、多次真空熔煉、真空熱處理、新型模鍛等先進(jìn)工藝技術(shù)。

由于采用了新型模鍛技術(shù)，不僅提高了產(chǎn)品性能，而且毛坯重量由2.4 kg減輕到0.986kg，每件節(jié)省材料費(fèi)550元、節(jié)省加工費(fèi)70元，按年產(chǎn)5000件計(jì)算，僅此一項(xiàng)就可創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益310萬(wàn)元。改進(jìn)后的TC-E先后應(yīng)用于多個(gè)型號(hào)的炮射末敏彈，經(jīng)400余發(fā)末敏子彈強(qiáng)度、流程等各類(lèi)試驗(yàn)考核，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

4.結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)兩年多的摸索和試驗(yàn)，該材料的制作工藝已成熟固化。本材料研制成功后首次在兵器行業(yè)應(yīng)用，為高過(guò)載、小空間環(huán)境下的零部件設(shè)計(jì)提供了一種新型材料，它必將以其自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在越來(lái)越廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。