鈦合金超塑板制備研究進(jìn)展

王小翔

(寶鈦集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721014)

綜合評(píng)述

鈦合金超塑板制備研究進(jìn)展

王小翔

(寶鈦集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721014)

超塑成形/擴(kuò)散連接(SPF/DB)技術(shù)為鈦合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用打開(kāi)了一條通道，該技術(shù)的發(fā)展也對(duì)所需的鈦合金超塑板提出了更高的要求。介紹了國(guó)內(nèi)外在TC4鈦合金超塑板、新型鈦合金低溫超塑板和新型短時(shí)高溫鈦合金超塑板方面的研究進(jìn)展。指出，我國(guó)經(jīng)過(guò)三十多年的持續(xù)技術(shù)攻關(guān)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)積累，鈦合金超塑板的生產(chǎn)技術(shù)水平基本與國(guó)際先進(jìn)水平同步，尤其是自主研發(fā)的特種軋制技術(shù)，能夠有效控制鈦合金超塑性板材的晶粒度和各向異性，保證后續(xù)SPF/DB工藝的需要。最后對(duì)我國(guó)鈦材研發(fā)企業(yè)提出了幾點(diǎn)建議，指出了未來(lái)鈦合金超塑板研究的工作重點(diǎn)。

鈦合金板；超塑成形；細(xì)晶；各向異性

0 引 言

鈦合金具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等優(yōu)點(diǎn)，是理想的航空航天材料。但由于屈強(qiáng)比高、彈性模量低，在成形過(guò)程中容易出現(xiàn)開(kāi)裂、彈性回跳大等問(wèn)題，曾影響了其在航空工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)程。20世紀(jì)70年代，英、美等鈦工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家成功研究開(kāi)發(fā)了鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接(SPF/DB)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了航空航天工藝技術(shù)的重大突破。從最早的鈦合金SPF/DB夾層結(jié)構(gòu)在協(xié)和式飛機(jī)計(jì)劃和US B-1計(jì)劃中得到商業(yè)化應(yīng)用開(kāi)始，經(jīng)過(guò)四十余年的發(fā)展，采用鈦合金SPF/DB多層空心結(jié)構(gòu)的機(jī)身整體框、梁、壁板、口蓋、艙門(mén)、機(jī)翼、后機(jī)身隔熱板等部件已在民用及軍用飛機(jī)上得到成熟應(yīng)用，減重效果明顯。其中，大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中采用SPF/DB技術(shù)成形的Ti-6Al-4V合金寬弦空心風(fēng)扇葉片，代表了鈦合金SPF/DB技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的最高水平[1-3]。

鈦合金超塑性板材作為鈦合金SPF/DB技術(shù)所需的主要材料類(lèi)型，其生產(chǎn)技術(shù)也伴隨著SPF/DB技術(shù)的發(fā)展而不斷提高。我國(guó)在20世紀(jì)80年代開(kāi)展了TC4鈦合金超塑板的研制和相關(guān)的應(yīng)用研究工作，經(jīng)過(guò)不斷的技術(shù)攻關(guān)和技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)了TC4鈦合金超塑板的批量穩(wěn)定生產(chǎn)和成熟應(yīng)用。超塑成形技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)之一是更加注重大型復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件成形和低成本高效率成形工藝，這也對(duì)鈦合金超塑板提出了更高的質(zhì)量和性能要求[4-5]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)骨干鈦合金科研企業(yè)緊密跟蹤國(guó)內(nèi)外鈦合金超塑板技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和市場(chǎng)需求，開(kāi)展了相關(guān)的研究工作，并取得了階段性研究成果，研制的部分產(chǎn)品也得到了工程應(yīng)用。本文介紹國(guó)內(nèi)外鈦合金超塑板的研究進(jìn)展，為航空航天設(shè)計(jì)人員選材提供參考。

1 TC4鈦合金超塑板

鈦合金超塑板的研究最早是從Ti-6Al-4V合金開(kāi)始的，并在航空航天領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。為獲得細(xì)晶組織和控制板材的各向異性，開(kāi)發(fā)出Ti-6Al-4V合金超塑板的等溫軋制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大的熱塑性變形和交叉軋制。國(guó)外目前只有俄羅斯的VSMPO、美國(guó)的TIMET和RMI三家鈦業(yè)巨頭掌握了該技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了批量穩(wěn)定生產(chǎn)，加工的Ti-6Al-4V合金板材的晶粒尺寸可達(dá)到5 μm左右。近年來(lái)，研究發(fā)現(xiàn)，板材晶?？刂圃?～2 μm以下，可使成形溫度降低200 ℃左右，其中Ti-6Al-4V合金的成形溫度可從900～920 ℃降低至775～800 ℃。波音公司利用超細(xì)晶(1 μm)Ti-6Al-4V合金板材進(jìn)行超塑成形，降低了板材的流變應(yīng)力，使成形溫度從900 ℃降低到775 ℃[6-7]。由于成形溫度降低，減少了α層的污染，延長(zhǎng)了設(shè)備壽命。波音公司還在AMS 4911標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，制訂了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)BMS7-385《超塑成形用細(xì)晶6Al-4V鈦合金薄板》，以進(jìn)一步控制超塑成形用Ti-6Al-4V合金薄板的質(zhì)量。

我國(guó)鈦合金超塑板的研制始于20世紀(jì)90年代初，主要是針對(duì)TC4鈦合金。經(jīng)過(guò)5年左右的研究，基本掌握了該合金超塑板的加工工藝，成功研制出厚度0.8～4.0 mm的TC4鈦合金板，并通過(guò)各種超塑性試驗(yàn)，制定了國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 2921—1997《超塑成形用TC4鈦合金板材規(guī)范》。在之后的十幾年中，國(guó)內(nèi)基本按照此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行TC4鈦合金超塑板的采購(gòu)和生產(chǎn)。該類(lèi)板材的主體工藝是熱軋+冷軋加工。1996年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)骨干鈦企業(yè)為開(kāi)發(fā)國(guó)際航空市場(chǎng)，以AMS 4911、MIL-T-9046以及波音和空客的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為研制目標(biāo)，經(jīng)過(guò)近十年的技術(shù)攻關(guān)和技術(shù)改造，掌握了航空級(jí)TC4鈦合金薄板的特種軋制技術(shù)、真空矯形技術(shù)和表面處理技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了批量穩(wěn)定生產(chǎn)，產(chǎn)品已出口美國(guó)波音公司和法國(guó)空客公司等。近年來(lái)，在與波音公司的橫向科研合作中，又針對(duì)其提出的Ti-6Al-4V合金超細(xì)晶超塑板(晶粒尺寸要求0.8～3 μm)開(kāi)展了相關(guān)研制工作，成功研制出厚度1.0、2.0 mm的Ti-6Al-4V合金細(xì)晶超塑板，晶粒尺寸達(dá)到2～3 μm。經(jīng)過(guò)各項(xiàng)測(cè)試，該合金薄板滿(mǎn)足BMS7-385標(biāo)準(zhǔn)要求。

針對(duì)航空工業(yè)的發(fā)展需求，國(guó)內(nèi)還開(kāi)展了寬幅TC4鈦合金超塑板的研制，已成功研制出(0.8～3.0)mm×(1 300～1 500)mm×L的寬幅TC4鈦合金板材，平均晶粒尺寸控制在5 μm左右，縱橫向室溫強(qiáng)度差異也控制在50 MPa以?xún)?nèi)。同時(shí)還研制出厚度0.4～0.5 mm的TC4鈦合金超塑板，并實(shí)現(xiàn)了批量供貨。

2 新型鈦合金低溫超塑板

通過(guò)增加β相穩(wěn)定元素或加入共析型元素(提高β相的擴(kuò)散能力)的方法開(kāi)發(fā)新型鈦合金，可有效降低超塑成形溫度。近些年，國(guó)際上開(kāi)發(fā)成功并獲得應(yīng)用的超塑鈦合金主要為SP-700和BT23。

2.1 SP-700鈦合金超塑板

SP-700是一種新型富β相的α+β兩相鈦合金，名義成分為T(mén)i-4.5Al-3V-2Mo-2Fe。該合金是1989年由NKK公司研制，1995年開(kāi)始在汽車(chē)零部件及體育用品領(lǐng)域批量生產(chǎn)，2001年被指定為航空航天用金屬材料，并列入美國(guó)宇航材料標(biāo)準(zhǔn)AMS4899。與TC4鈦合金相比，SP-700鈦合金具有更高的強(qiáng)度和塑性，更優(yōu)異的疲勞性能，更好的冷、熱加工性，冷加工率可達(dá)到70%。合金能夠在很寬的時(shí)間和溫度范圍內(nèi)熱處理，獲得非常細(xì)小均勻的組織，從而具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，在770～ 800 ℃呈現(xiàn)超塑性,延伸率高達(dá)2 000%。該合金超塑成形溫度比Ti-6Al-4V合金低140 ℃,可取代Ti-6Al-4V合金用SPF/DB技術(shù)制造各種航空航天結(jié)構(gòu)件，如在美國(guó)航空航天飛機(jī)制造中，SP-700鈦合金作為機(jī)體材料應(yīng)用在波音聲速巡航機(jī)(BoingSonicCruiser)上[8]。

我國(guó)在1999年開(kāi)展了SP-700鈦合金的研制，經(jīng)過(guò)多年技術(shù)攻關(guān)，掌握了該合金大型鑄錠熔煉成分均勻性控制、板材特種軋制、熱處理-顯微組織-力學(xué)性能匹配等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了該合金薄板的工業(yè)化穩(wěn)定生產(chǎn)。近年來(lái)，又針對(duì)航空工業(yè)的需求，開(kāi)展了該合金細(xì)晶超塑板的研制，成功研制出(0.6～3.0)mm×1 000mm×(2 000～3 000)mm規(guī)格板材，晶粒尺寸1～2μm。該薄板的實(shí)測(cè)力學(xué)性能(見(jiàn)表1)達(dá)到了AMS4899標(biāo)準(zhǔn)要求。圖1為我國(guó)研制的SP-700鈦合金薄板的顯微組織。

表1 SP-700鈦合金典型規(guī)格板材實(shí)測(cè)室溫拉伸性能

圖1 SP-700鈦合金薄板的顯微組織Fig.1 Microstructure of SP-700 titanium alloy sheet

2.2BT23鈦合金超塑板

BT23鈦合金名義化學(xué)成分為T(mén)i-4.5Al-4.5V-2Mo-1Cr-0.5Fe，是一種中等合金化的α+β鈦合金。與SP-700鈦合金相比，鉬當(dāng)量、鋁當(dāng)量相當(dāng)，F(xiàn)e元素含量減少到0.5%左右，降低了產(chǎn)生Fe元素偏析的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)通過(guò)添加Cr元素和提高V含量，彌補(bǔ)了鉬當(dāng)量的損失。由于含有大量的β穩(wěn)定元素，壓力加工時(shí)具有高的工藝塑性和顯著的時(shí)效強(qiáng)化效應(yīng)。該合金具有高強(qiáng)、高抗裂性和良好的焊接性能，在前蘇聯(lián)時(shí)期已被列入航空工業(yè)部門(mén)OCT標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，俄羅斯暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)和第五代戰(zhàn)斗機(jī)(大梁、隔框、蒙皮)等均大量使用了該合金。

我國(guó)也開(kāi)展了BT23鈦合金的研制工作，通過(guò)對(duì)鑄錠熔煉工藝、板坯鍛造工藝、板材軋制工藝、熱處理工藝等進(jìn)行研究，成功研制出1.0 mm×1 000 mm×2 000 mm的典型規(guī)格薄板。經(jīng)優(yōu)選的熱處理制度處理后，板材的縱向、橫向室溫拉伸性能達(dá)到研制指標(biāo)要求，平均晶粒尺寸達(dá)到1～2 μm。后續(xù)將重點(diǎn)開(kāi)展BT23鈦合金超塑性能的研究，以便為未來(lái)航空航天用低溫超塑性板材的需求提供材料支撐。圖2為1.0 mm厚BT23鈦合金薄板熱處理后的顯微組織。

圖2 BT23鈦合金薄板熱處理后的顯微組織Fig.2 Microstructure of BT23 titanium alloy sheet after heat treatment

3 新型短時(shí)高溫鈦合金超塑板

近年來(lái)，隨著我國(guó)航天工業(yè)的迅猛發(fā)展，先進(jìn)飛行器的研制追求更高的飛行速度和更長(zhǎng)的飛行距離，氣體熱效應(yīng)造成飛行器殼體的表面溫度達(dá)到650～700 ℃。為此，國(guó)內(nèi)先后研制開(kāi)發(fā)了新型短時(shí)高溫鈦合金B(yǎng)Ti-62421S(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Nb-1Mo-0.1Si，600～650 ℃使用)和BTi-6431S(Ti-6.5Al-3Sn-3Zr-1.3Mo-1.3Nb-1W-0.2Si，650～700 ℃使用)[9]。表2為兩種鈦合金薄板在不同溫度下的拉伸性能。為追求高溫?zé)釓?qiáng)性，這類(lèi)合金的合金化程度基本到了近α類(lèi)鈦合金的極限，這在一定程度上犧牲了合金的成形性，因而用常規(guī)的熱成形工藝只能制作簡(jiǎn)單的零件。對(duì)于航空航天用的翼、舵等典型零件，形狀較為復(fù)雜，斜面較多，SPF工藝是最好的選擇。國(guó)內(nèi)航空航天應(yīng)用單位開(kāi)展了BTi-62421S和BTi-6431S鈦合金薄板的超塑性研究，通過(guò)采用模擬件研究掌握了兩種合金的超塑成形工藝，并制作了典型零件，實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用[10-11]。圖4和圖5分別為采用超塑成形技術(shù)制作的BTi-62421S鈦合金舵面模擬件和BTi6431S鈦合金盒形件。

表2 BTi-62421S和BTi-6431S鈦合金薄板(0.8mm厚)在不同溫度下的拉伸性能

圖3 超塑成形BTi-62421S鈦合金舵面模擬件Fig.3 Superplastic formed BTi-62421S titanium alloy rudder exemplar

圖4 超塑成形BTi-6431S鈦合金盒形件Fig.4 Superplastic formed BTi-6431S titanium alloy box-shaped piece

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)經(jīng)過(guò)三十多年的持續(xù)技術(shù)攻關(guān)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)積累，使得鈦合金超塑板的生產(chǎn)技術(shù)水平基本與國(guó)際先進(jìn)水平同步。我國(guó)自主研發(fā)的特種軋制技術(shù)，能夠有效控制鈦合金超塑性板材的晶粒度和各向異性，保證后續(xù)SPF/DB工藝的需要。同時(shí)，通過(guò)與國(guó)際知名航空公司的合作，及時(shí)跟蹤了解國(guó)際鈦合金超塑技術(shù)最新研究動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)，有針對(duì)性地開(kāi)展了新型鈦合金低溫超塑板研究，為我國(guó)SPF/DB技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定良好的材料基礎(chǔ)。但是鈦合金超塑板生產(chǎn)科研方面依然存在一些問(wèn)題，需要深入研究和探討。以下是對(duì)我國(guó)鈦材料研發(fā)企業(yè)提出的幾點(diǎn)建議和未來(lái)鈦合金超塑板研究的工作重點(diǎn)。

(1)材料研發(fā)企業(yè)和應(yīng)用研究單位應(yīng)適時(shí)推進(jìn)鈦合金超塑板相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制訂、修訂工作，以從標(biāo)準(zhǔn)上保持與國(guó)際接軌。

(2)材料研發(fā)企業(yè)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)與設(shè)計(jì)單位、應(yīng)用研究單位的溝通交流，以便掌握國(guó)內(nèi)最新需求信息，同時(shí)通報(bào)鈦合金超塑板最新的研究成果，為選材和推廣提供材料支撐。

(3)我國(guó)鈦合金超塑板中短期的工作重點(diǎn)仍將是圍繞TC4鈦合金超細(xì)晶和寬幅超塑板、新型鈦合金低溫超塑板和新型短時(shí)高溫鈦合金超塑板的研制和應(yīng)用研究，以實(shí)現(xiàn)低溫、高速超塑成形，從而提高超塑成形生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。同時(shí)應(yīng)深入研究細(xì)晶超塑性變形機(jī)理、熱氫加工及超塑性的作用機(jī)理等，為超塑性板材加工工藝的持續(xù)改進(jìn)和質(zhì)量提高，提供理論指導(dǎo)和研發(fā)方向。

(4)鈦鋁化合物(Ti2AlNb、γ-TiAl)超塑板材的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究也將是未來(lái)的發(fā)展方向之一，材料研發(fā)企業(yè)應(yīng)在該類(lèi)新材料的推廣應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

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Research Development of Preparation of Superplastic Titanium Alloy Sheet

Wang Xiaoxiang

(Baoti Group Co.,Ltd.,Baoji 721014,China)

Superplastic forming and diffusion bonding (SPF/DB) technology had opened a channel for the application of titanium alloy in the aerospace field, and the development of the technology also put forward higher requirements for the titanium alloy plate. In this paper, the research progress of TC4 titanium alloy superplastic plate, new type titanium alloy low temperature superplastic plate and new type of short time high temperature titanium alloy plastic plate were introduced. It is pointed out that over thirty years of continuous technical research and application experience, the production technology level of titanium alloy superplastic plate in China basically synchronized with the international advanced level, especially the special rolling technology. It could effectively control the grain size and the anisotropy of titanium alloy superplastic sheet, meet the requirements of the subsequent SPF/DB process.

titanium alloy sheet; superplasticity; fine grains; anisotropy

2016-07-16

國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃資助

王小翔(1972—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師。

TG337.6

A

1009-9964(2016)06-0001-04