飛機(jī)液壓系統(tǒng)用TA18鈦合金管材性能特殊性研究

張旺峰，張 暉，顏孟奇，王玉會

(1.北京航空材料研究院，北京 100095)(2.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049)

0 引 言

TA18鈦合金名義成分為Ti-3Al-2.5V，是一種近α型鈦合金，具有良好的室溫及高溫強(qiáng)度、優(yōu)良的塑性和冷成形性，可滿足不同成形工藝對材料的要求。通過控制TA18鈦合金冷軋管材的退火溫度和時(shí)間，可使管材的應(yīng)力消除，達(dá)到不同的強(qiáng)度水平。其中，去應(yīng)力退火態(tài)860 MPa級高強(qiáng)TA18鈦合金無縫管適用于飛機(jī)液壓和燃油等管路系統(tǒng)[1-2]，退火態(tài)620 MPa級中低強(qiáng)度TA18鈦合金無縫管適用于發(fā)動機(jī)液壓和燃油等管路系統(tǒng)[3]。飛機(jī)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)管路，特別是液壓系統(tǒng)用的高壓管路性能和安全可靠性不僅影響飛機(jī)的操縱性，還直接影響飛機(jī)的安全。因此，航空液壓系統(tǒng)用管材首先要具有良好的力學(xué)性能。

基于TA18鈦合金管材的形狀及組織結(jié)構(gòu)，其性能與鍛件、鑄件等結(jié)構(gòu)件不同，表現(xiàn)在以下方面：①徑向、周向服役用性能難以直接測定；②組織和性能表現(xiàn)為各向異性，性能主要由織構(gòu)決定；③強(qiáng)度、塑性隨溫度變化出現(xiàn)與傳統(tǒng)材料不同的反?，F(xiàn)象。因此，如何表征TA18鈦合金管材的性能及各向異性，成為其研制和應(yīng)用的關(guān)鍵?？棙?gòu)是表征管材各向異性的主要方法，其測量方法主要有極圖法、反極圖法和取向分布函數(shù)法(orientation distribution function，ODF)[4-6]。定量表征織構(gòu)的參數(shù)有很多種，其中常用的有織構(gòu)系數(shù)(TC)、Kearns-f因子、Kallstromf因子等[7-8]。1965年,由羅伊(Roe) 和邦厄(Bunge) 各自獨(dú)立提出了ODF法，但該方法目前尚不能直接用衍射方法測得，而是通過測定材料3個(gè)以上極圖(或它們的數(shù)據(jù))后用計(jì)算法求得的，計(jì)算過程比較繁瑣，在很多時(shí)候還需要借助極圖中的參數(shù)來定性或半定量表征材料的織構(gòu)。顯然，用織構(gòu)表征管材的性能不太直觀，而且需要專業(yè)的知識，使用起來很不方便。為此，尋求簡便實(shí)用的表征管材各向異性的方法是非常必要的。收縮應(yīng)變比CSR(contractile strain ratio)就是用來表征管材各向異性的技術(shù)指標(biāo)，但如何將織構(gòu)強(qiáng)度與管材的力學(xué)性能及CSR這些聯(lián)系起來，揭示它們之間的內(nèi)在聯(lián)系或規(guī)律，國內(nèi)外在這方面幾乎沒有相關(guān)研究。

為此，本研究針對飛機(jī)液壓系統(tǒng)使用的860 MPa級高強(qiáng)TA18鈦合金管材，研究其組織性能(織構(gòu))表征評價(jià)方法，以期準(zhǔn)確評定管材的服役性能；研究不同溫度下，管材拉伸性能及其微觀組織，揭示不同溫度下的塑性變形機(jī)制。研究工作將有助于全面認(rèn)識TA18鈦合金管材的性能，對其在飛機(jī)液壓系統(tǒng)管路上的正確使用及滿足飛機(jī)減重和長壽命設(shè)計(jì)具有重要的意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為多種規(guī)格的860 MPa級高強(qiáng)TA18鈦合金管材，均為去應(yīng)力退火態(tài)。

定義管材周向與徑向塑性變形之比為收縮應(yīng)變比(CSR，contractile strain ratio)，即：

CSR=εc/εr

(1)

式中：εc為周向真應(yīng)變，εr為徑向真應(yīng)變。

εc=ln(D/D0)

(2)

式中：D為變形后直徑,D0為變形前直徑。

εa=ln(l/l0)

(3)

式中：εa為軸向真應(yīng)變，l為變形后長度,l0為變形前長度。

通過測量軸向真應(yīng)變和周向真應(yīng)變，根據(jù)體積不變原理，就可求出徑向真應(yīng)變：

εr=-εa-εc

(4)

采用力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)對管材進(jìn)行小應(yīng)變拉伸，用JVP-300F視頻儀測量管材變形前后的直徑和軸向應(yīng)變量。根據(jù)(2)式和(4)式計(jì)算出周向真應(yīng)變εc和徑向真應(yīng)變εr，代入(1)式即可計(jì)算出CSR。

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采用德國Bruker D8 Advance X射線衍射儀進(jìn)行織構(gòu)測試，用Bruker公司的TEXEVAL V2.5軟件分析極圖及繪制ODF，計(jì)算不同晶體學(xué)位向上的織構(gòu)強(qiáng)度。采用Instron 1342型電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測試，試驗(yàn)溫度分別為-60、100、200、300、350 ℃?？刂坪銣叵錅夭钚∮凇?℃，保溫時(shí)間為30 min。從斷后的拉伸試樣上截取透射電鏡樣品，經(jīng)腐蝕減薄和雙噴減薄后，采用JEM-200CX透射電鏡觀察試樣組織形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 管材CSR與織構(gòu)的關(guān)系

表1為2種典型規(guī)格TA18鈦合金管材不同晶體學(xué)位向上的織構(gòu)強(qiáng)度及CSR測量結(jié)果。由表1可以看出，管材的織構(gòu)強(qiáng)度直接影響著管材的CSR值，管材織構(gòu)強(qiáng)度高，對應(yīng)的管材CSR值也高。因此，通過控制管材的織構(gòu)強(qiáng)度可以控制管材的CSR。

表1 2種典型規(guī)格TA18鈦合金管材織構(gòu)強(qiáng)度與CSR對比

Table 1 Comparison of texture intensity and CSR in two typical specification TA18 titanium alloy tubes

2.2 管材CSR與力學(xué)性能的關(guān)系

測量了國內(nèi)外24支不同規(guī)格的TA18鈦合金管材的CSR值，并研究了其與強(qiáng)度、塑性之間的關(guān)系，如圖1、圖2所示。從圖中可以看出，在CSR值小于2.5的情況下，TA18鈦合金管材的屈強(qiáng)比(RP0.2/Rm)越大，CSR越高；管材的延伸率A50越大，CSR越高。根據(jù)這一規(guī)律，可以通過TA18鈦合金管材軸向拉伸性能的大小，大致推斷出CSR的大小。通過TA18鈦合金管材收縮應(yīng)變比CSR的測定，可以反映管材徑向和周向的變形性能，而且測量CSR比測量織構(gòu)容易得多，解決了管材徑向和周向性能評價(jià)難題。

圖1 TA18鈦合金管材屈強(qiáng)比與CSR的關(guān)系Fig.1 Relationship of yield ratio and CSR for TA18 titanium alloy tube

圖2 TA18鈦合金管材延伸率與CSR的關(guān)系Fig.2 Relationship of elongation and CSR for TA18 titanium alloy tube

2.3 TA18管材拉伸性能的特殊性

圖3為TA18鈦合金管材在不同溫度下的拉伸性能。從圖3可以看出，TA18鈦合金管材的抗拉強(qiáng)度Rm、屈服強(qiáng)度RP0.2隨溫度的升高而降低，延伸率A50也表現(xiàn)出類似的規(guī)律。TA18鈦合金具有的這種特殊性，即在低溫下表現(xiàn)出強(qiáng)度與塑性同時(shí)增加的特性，為其在低溫下使用提供了依據(jù)。

對比-60 ℃和350 ℃下的拉伸強(qiáng)度和延伸率可知，低溫下強(qiáng)度比高溫下高30%以上，延伸率高12%以上，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的機(jī)理值得關(guān)注。

2.4 高低溫拉伸后微觀組織特征

圖4為TA18鈦合金拉伸試樣在-60 ℃及350 ℃下靜拉伸斷裂后，頸縮區(qū)的TEM照片。觀察發(fā)現(xiàn)，在-60 ℃下拉斷的試樣，其頸縮區(qū)出現(xiàn)了大量的孿晶(圖4a)；而在350 ℃下拉斷的試樣卻未觀察到這樣的現(xiàn)象(圖4b)。

圖3 TA18鈦合金管材力學(xué)性能與溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship of mechanical properties and temperature for TA18 titanium alloy tubes

圖4 TA18鈦合金試樣在不同溫度下拉伸斷裂后的TEM照片F(xiàn)ig.4 TEM micrographs of TA18 titanium alloy specimens after tensile fracture at different temperatures：(a)-60 ℃；(b)350 ℃

2.5 變形機(jī)制分析

TA18鈦合金的伸長率隨拉伸溫度的降低而升高，這種特殊現(xiàn)象與其塑性變形機(jī)制有關(guān)。近α型TA18鈦合金為密排六方(HCP)晶體結(jié)構(gòu)，主要塑性變形方式為滑移和孿生，二者相互競爭，相互依存。在不同溫度環(huán)境下，鈦合金塑性變形的機(jī)制并不相同。

孿生是鈦合金中一種重要的晶內(nèi)塑性變形機(jī)制。在變形溫度較低時(shí)，滑移系較少，變形過程中大量位錯(cuò)容易在晶界附近堆積而引起應(yīng)力集中，為孿生形核提供了驅(qū)動力。據(jù)理論預(yù)測[9]，鈦中的孿生體系有26種之多，已報(bào)道的孿生體系有6種。研究表明[10]，隨著溫度的降低，鈦合金中滑移的臨界切應(yīng)力(CRSS)急劇上升，而孿生的CRSS只有略微的變化，說明孿生變形對溫度依賴性小。溫度越低，鈦合金中的滑移越不易啟動，孿生就成為鈦合金中的主要變形機(jī)制。故在低溫下，鈦中豐富的孿生體系對材料的塑性起著至關(guān)重要的作用，這種現(xiàn)象和機(jī)制與TWIP鋼的變形機(jī)制類似[11]。

2.6 管材使用性能的特殊性

TA18鈦合金管材的特殊性還表現(xiàn)為，除了常規(guī)的力學(xué)性能檢測外，還必須檢驗(yàn)其擴(kuò)口、壓扁、彎曲、液壓試驗(yàn)等工藝性能及管路連接組件的8項(xiàng)功能考核。8項(xiàng)功能考核包括氣壓泄漏、耐壓、爆破、高低溫試驗(yàn)、彎曲疲勞、脈沖、連接強(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕等。

3 結(jié) 論

(1)TA18鈦合金管材的織構(gòu)越強(qiáng)，管材的CSR值也會越高。

(2)TA18鈦合金管材的屈強(qiáng)比、伸長率成與CSR值正比關(guān)系，提高管材屈強(qiáng)比、伸長率可提高CSR值。

(3)隨著溫度的降低，TA18鈦合金管材的強(qiáng)度、塑性均升高，這主要與其在不同溫度下的塑性變形機(jī)制有關(guān)。

(4)通過TA18鈦合金管材CSR的測定，可以反映管材徑向和周向的變形性能，解決了管材徑向和周向性能評價(jià)的難題。