1500 MPa級新型超高強(qiáng)中韌鈦合金

辛社偉，周 偉，李 倩，張思遠(yuǎn)，楊 健，趙永慶，毛小南，王雪元

(1.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)(2.航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710089)

1 前 言

隨著航空航天事業(yè)的迅速發(fā)展，飛行器用結(jié)構(gòu)材料的要求更為突出地集中于輕質(zhì)、高強(qiáng)、高韌等方面。為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，作為高性能輕質(zhì)金屬的高強(qiáng)韌鈦合金正成為當(dāng)前高技術(shù)新材料領(lǐng)域倍受重視的新型結(jié)構(gòu)材料。高強(qiáng)韌鈦合金作為結(jié)構(gòu)件材料應(yīng)用于航空、航天等要求高強(qiáng)高韌性的部位，可以進(jìn)一步提高應(yīng)用部位的比強(qiáng)度和比剛度，實(shí)現(xiàn)更大的減重效果。因此，高強(qiáng)韌鈦合金已經(jīng)成為鈦合金開發(fā)、研究的重點(diǎn)方向，在國內(nèi)外的研究和發(fā)展都非?；钴S。

早期，研究人員認(rèn)為抗拉強(qiáng)度超過1000 MPa的鈦合金都可以被稱為高強(qiáng)鈦合金。隨著合金設(shè)計(jì)和元素作用認(rèn)識的不斷成熟，特別是近β和亞穩(wěn)β鈦合金的蓬勃發(fā)展，一般認(rèn)為抗拉強(qiáng)度超過1100 MPa、延伸率超過6%、斷裂韌性超過55 MPa·m1/2的鈦合金為高強(qiáng)韌鈦合金；強(qiáng)度超過1300 MPa、延伸率超過6%、斷裂韌性超過50 MPa·m1/2的鈦合金為超高強(qiáng)韌鈦合金。

目前，國內(nèi)外存在大量可以穩(wěn)定使用的1100 MPa級高強(qiáng)韌鈦合金，如Ti-15-3、Ti-1023、β-21S以及前蘇聯(lián)開發(fā)的BT22等[1]，對應(yīng)國內(nèi)牌號分別為TB5、TB6、TB8和TC18。作為航空鍛件應(yīng)用時(shí)，這些合金一般被應(yīng)用于抗拉強(qiáng)度為1000～1200 MPa，斷裂韌性為45～60 MPa·m1/2的環(huán)境中，對這些合金進(jìn)行特殊熱處理，可以提高其強(qiáng)度，但是其塑韌性會顯著下降。對于超高強(qiáng)韌鈦合金的研究報(bào)道也很多，國內(nèi)做鈦合金研究的單位幾乎都有自己研究的牌號，比如西北有色金屬研究院的Ti-1300、西北工業(yè)大學(xué)的Ti-7333、寶雞鈦業(yè)股份有限公司的TB15、北京航空材料研究院的TB17、西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司的TB18等。這些合金大都突破了實(shí)驗(yàn)室研究，進(jìn)行了中試驗(yàn)證和相應(yīng)的應(yīng)用研究，但是尚沒有任何一個(gè)合金在國家型號中得到真正應(yīng)用。雖然1300 MPa級超高強(qiáng)韌鈦合金還未得到真正的應(yīng)用，但是追求超過1300 MPa級的更高強(qiáng)度鈦合金的研究一直沒有中斷過。鈦合金科技工作者不斷通過設(shè)計(jì)的改進(jìn)和元素的優(yōu)化配置，力求在原有強(qiáng)韌性匹配的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高材料性能，為未來我國武器裝備對新材料的需求提供技術(shù)和材料儲備。

正是在以上背景條件下，本文報(bào)道了一種1500 MPa級新型超高強(qiáng)鈦合金，該合金在優(yōu)化的鍛造和熱處理工藝下，性能可以穩(wěn)定達(dá)到兩種強(qiáng)度級別，一種是抗拉強(qiáng)度大于1500 MPa、延伸率大于5%、斷裂韌性大于45 MPa·m1/2；另一種是抗拉強(qiáng)度大于1300 MPa、延伸率大于6%、斷裂韌性大于60 MPa·m1/2。相比于現(xiàn)有高強(qiáng)韌鈦合金，這兩種強(qiáng)度級別的鈦合金都顯示出了明顯的性能優(yōu)勢。

2 實(shí)驗(yàn)方法

在現(xiàn)有高強(qiáng)韌鈦合金的基礎(chǔ)上，通過Mo當(dāng)量、Al當(dāng)量控制，借鑒高熵合金設(shè)計(jì)原理，通過多輪篩選獲得確定的合金成分；然后通過600 kg級鑄錠進(jìn)行中試試驗(yàn)，鑄錠熔煉工藝流程為：原料→配料→制合金包→壓制單塊電極→電極組焊→一次自耗熔煉→平頭→一次錠焊接→二次自耗熔煉→平頭→二次錠焊接→三次自耗熔煉→扒皮、取樣→超聲波探傷→切頭→成品鑄錠檢驗(yàn)；其中，原料選用零級小顆粒海綿鈦，合金元素以Al-V、Al-Mo、金屬Cr、海綿Zr等形式加入；之后對該鑄錠進(jìn)行鍛造，鍛造工藝流程為：β區(qū)開坯鍛造→多火次β區(qū)鐓拔變形→多火次兩相區(qū)鍛造；最后制備成Ф150 mm的棒材。所有熱處理試樣、拉伸試樣和斷裂韌性試樣都取自該Ф150 mm的棒材。

鑄錠的鍛造都是在快鍛機(jī)上進(jìn)行，光學(xué)、微觀形貌和力學(xué)性能測試分別是在Zeiss Axio Vert A1光學(xué)顯微鏡(OM)、JSM-6460掃描電鏡(SEM)和Instron 598X系列材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

3 結(jié)果和分析

3.1 合金成分設(shè)計(jì)分析

新型鈦合金研究發(fā)展到今天，人們都希望合金設(shè)計(jì)能夠突破傳統(tǒng)的試錯(cuò)法，可以通過理論計(jì)算來完成。第一性原理計(jì)算被公認(rèn)為材料設(shè)計(jì)和性能預(yù)測的常見方法。日本學(xué)者M(jìn)orinaga等[2]基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算，選用表征合金元素電負(fù)性的d-軌道能階(Md)和表征元素鍵合強(qiáng)度的鍵級(Bo)進(jìn)行新相的預(yù)測，建立了d-電子理論的合金設(shè)計(jì)方法。該方法在相穩(wěn)定和模量計(jì)算方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，因此在指導(dǎo)高彈低模功能鈦合金設(shè)計(jì)方面成果顯著[3, 4]。此外，我國材料科學(xué)工作者提出的“固體與分子經(jīng)驗(yàn)電子理論”(empirical electron theory in solid and molecule，EET)[5]與“團(tuán)簇+連接原子”穩(wěn)定固溶體結(jié)構(gòu)模型[6]，在鈦合金的相變(共析轉(zhuǎn)變、馬氏體相變、β相分離)、強(qiáng)韌性機(jī)制、材料成分本源等方面進(jìn)行了探討。盡管這些鈦合金理論設(shè)計(jì)方法在一定程度上顯示出理論計(jì)算的優(yōu)越性，但目前仍沒有一種成熟的鈦合金成分設(shè)計(jì)是完全建立在理論計(jì)算上的?？梢哉f，現(xiàn)有的所謂計(jì)算合金，在理論計(jì)算為指導(dǎo)的情況下必須結(jié)合其它經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，或者性能優(yōu)異的合金經(jīng)過計(jì)算后發(fā)現(xiàn)其符合某種理論，這在很大程度上反映了目前鈦合金設(shè)計(jì)理論的局限性。其原因主要在于鈦合金體系的復(fù)雜性，特別是高強(qiáng)韌鈦合金，其擁有組分多元多量、制備工藝復(fù)雜、相變形式多樣、應(yīng)用環(huán)境約束條件多、性能要求全等特點(diǎn)，沒有任何一個(gè)計(jì)算模型可以涵蓋如此多的邊界條件，任何忽視高強(qiáng)韌鈦合金制備條件和應(yīng)用環(huán)境的計(jì)算模型都將難以獲得應(yīng)用。

眾所周知，高強(qiáng)韌鈦合金作為典型的結(jié)構(gòu)材料，有3個(gè)核心指標(biāo)，強(qiáng)度、塑性和斷裂韌性，三者難以兼得，它們的沖突就是大家所熟知的金屬學(xué)固有的倒置矛盾，這一共知的矛盾源于位錯(cuò)運(yùn)動的經(jīng)典變形機(jī)制導(dǎo)致金屬材料的強(qiáng)度和塑性固有的倒置關(guān)系。凡是能夠在這一金屬學(xué)倒置關(guān)系中獲得突破的，都被認(rèn)為是金屬材料的重大突破，近年來，多項(xiàng)關(guān)于金屬學(xué)倒置關(guān)系的研究成果在頂級雜志上獲得報(bào)道[7, 8]，但是相關(guān)研究與實(shí)際應(yīng)用還有很大差距。由于本源上的固有矛盾，高強(qiáng)韌鈦合金目前幾乎完全處于發(fā)展的瓶頸期，超過1300 MPa級鈦合金雖然牌號很多，但是由于其強(qiáng)度和塑韌性匹配關(guān)系的問題，一直無法得到真正應(yīng)用。此外，航空工業(yè)“更高、更遠(yuǎn)、更強(qiáng)”的發(fā)展目標(biāo)，要求鈦合金抗拉強(qiáng)度能夠突破1300 MPa，因此，如何實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度與塑韌性的匹配，是目前高強(qiáng)韌鈦合金發(fā)展碰到的最大技術(shù)問題。

對于上述問題，作者課題組認(rèn)為有以下兩種突破思路，一種是設(shè)計(jì)思想和制備工藝的突破，這種突破能夠顛覆傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料依賴的理論基礎(chǔ)，捅破傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鈦合金強(qiáng)度和塑性匹配的“天花板”，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)鈦合金的根本變革，這需要理論和技術(shù)工作者的不斷努力。近年來，以高熵合金為代表的新的設(shè)計(jì)思想是這方面有益的嘗試[8, 9]，但是距離應(yīng)用還有較大差距。從工程應(yīng)用角度來講，這條路線實(shí)質(zhì)上還沒有任何有意義的突破；另一種是在傳統(tǒng)理論基礎(chǔ)的指導(dǎo)下，繼續(xù)發(fā)展目前的合金，這種思路認(rèn)為現(xiàn)有高強(qiáng)韌鈦合金的發(fā)展水平距離瓶頸的“天花板”還有一定間隙，通過元素優(yōu)化選擇和配比，還可以進(jìn)一步提高合金性能。顯然，這種思路獲得的成果不會有顯著突破，但更切合實(shí)際應(yīng)用。在這種思路的指導(dǎo)下，目前發(fā)展了3類合金。第1類是追求強(qiáng)度-韌性的共同提高，即所謂的超高強(qiáng)韌鈦合金，以Ti5553、Ti55531、Ti-1300、TB15、TB18等合金為典型代表，其抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1300 MPa級，斷裂韌性可以達(dá)到55 MPa·m1/2。第2類是適當(dāng)降低合金的強(qiáng)度，更側(cè)重于合金韌性的提高，即所謂的高強(qiáng)損傷容限鈦合金，以TC21合金為典型代表，其在1100 MPa級抗拉強(qiáng)度水平下斷裂韌性可以達(dá)到80 MPa·m1/2。近年來，作者課題組[10]在TC21合金的基礎(chǔ)上研制出Ti-5321合金，其在1200 MPa級抗拉強(qiáng)度水平下斷裂韌性可以達(dá)到70 MPa·m1/2，基本代表了目前損傷容限鈦合金的最高水平。第3類是允許塑性和韌性適當(dāng)降低，追求強(qiáng)度的更高突破，即超高強(qiáng)中韌鈦合金，本文研究的1500 MPa級鈦合金Ti-1500就是在這種背景下設(shè)計(jì)制備的。這種分類設(shè)計(jì)的思路對材料使用部門提出了更高要求，在無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和韌性匹配的條件下，需要對應(yīng)用部位進(jìn)行更準(zhǔn)確的評估，分類選材、因材適用。

對于上述3類合金，由于性能側(cè)重不同，合金設(shè)計(jì)思路存在差異，核心指導(dǎo)思想是片層α相的厚度設(shè)計(jì)。一般認(rèn)為，只有片層α相厚度具有一定尺寸時(shí)，對裂紋的擴(kuò)展才能產(chǎn)生更有效的阻礙作用，裂紋擴(kuò)展路徑才能更曲折，合金才能具有更好的斷裂韌性，然而細(xì)片層α相的這種阻礙作用很弱。但是對強(qiáng)度而言，更細(xì)小的α相具有更優(yōu)異的強(qiáng)化效果，隨著α相尺寸增加，合金強(qiáng)化效果減弱。在不考慮后期加工和熱處理的情況下，決定α相析出能力和片層厚度的主要因素是Mo當(dāng)量，隨著Mo當(dāng)量的增加，亞穩(wěn)β相中α相析出的傾向減弱，α相細(xì)小。因此，對高損傷容限鈦合金來說，選擇一個(gè)適度的Mo當(dāng)量，可以保留一定量的亞穩(wěn)β相，以保障合金強(qiáng)度，同時(shí)保留的亞穩(wěn)β相穩(wěn)定性不能太高，以便析出具有一定厚度的片層α相，增加合金抵抗裂紋擴(kuò)展的能力[11, 12]?；诖丝紤]，一般高強(qiáng)損傷容限鈦合金Mo當(dāng)量控制在9～11，合金大部分是雙態(tài)合金或雙態(tài)富β合金。而對于本研究的1500 MPa級鈦合金設(shè)計(jì)，要保留更多的亞穩(wěn)β相，就需要設(shè)計(jì)較高的Mo當(dāng)量。這里存在一個(gè)臨界值，在臨界值以下，能夠保留的亞穩(wěn)β相的量隨Mo當(dāng)量的增加而增加，時(shí)效強(qiáng)化效應(yīng)隨Mo當(dāng)量的增加而升高；在臨界值以上，β相得以全部保留，且穩(wěn)定性很高，時(shí)效α相的析出量反而減少，合金強(qiáng)度降低?；诙喾矫娼M織穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)考慮，本研究Ti-1500的Mo當(dāng)量控制在14～17。

在元素的選擇方面，Ti-1500參考了Ti55531、Ti-1300、Ti5321等高強(qiáng)鈦合金的成分，并借鑒了目前高熵合金多主元的思想，選擇以Al，Mo，V，Cr，Zr，Nb作為主元素，通過適當(dāng)?shù)呐浔龋纬蒚i-Al-Mo-V-Cr-Zr-Nb七元合金。此外，鈦合金的組織形態(tài)對其力學(xué)性能會產(chǎn)生很大的影響，組織結(jié)構(gòu)的微小變化往往會導(dǎo)致合金性能的巨大差異。如何通過熔煉、鍛造和熱處理等工藝使合金的組織最佳化也是本合金后期組織設(shè)計(jì)著重考慮的因素。

基于上述原則，本工作在前期高強(qiáng)韌鈦合金設(shè)計(jì)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以西北有色金屬研究院自主開發(fā)的高強(qiáng)鈦合金Ti-1300、Ti5321為原型基礎(chǔ)合金，通過選擇合金元素的種類和權(quán)重，結(jié)合組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)、Mo當(dāng)量及Al當(dāng)量控制，設(shè)計(jì)了多種亞穩(wěn)β超高強(qiáng)鈦合金，通過多輪篩選，最終獲得一種新型超高強(qiáng)鈦合金Ti-1500，合金具體Mo當(dāng)量為15，試驗(yàn)條件下30 kg鑄錠和中試條件下600 kg鑄錠試制的性能表明，該新型鈦合金具有優(yōu)異的綜合性能，和現(xiàn)有鈦合金相比顯示一定的性能優(yōu)勢。

3.2 合金中試試驗(yàn)

3.2.1 合金鍛造

對鑄錠進(jìn)行鍛造后獲得Φ150 mm的棒材，之后對該棒材進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)表征和力學(xué)性能測試，圖1為合金經(jīng)雙態(tài)區(qū)鍛造后的組織照片?？梢钥吹?，合金原始β晶粒得到完全破碎，在基體上分布有非常細(xì)小的等軸初生α相，含量約為7%。具有細(xì)小初生等軸α相是近β和亞穩(wěn)β型高強(qiáng)韌鈦合金的典型特征，特別是對于Ti-1500亞穩(wěn)β合金，高β穩(wěn)定元素含量使得大量亞穩(wěn)β相得以保留，從而可以有效保障合金的強(qiáng)度。但是，這種細(xì)小的組織往往難以獲得較高的斷裂韌性。

圖1 Φ150 mm鈦合金棒材鍛態(tài)組織的OM照片F(xiàn)ig.1 OM image of forging microstructure for titanium alloy bar with the diameter of 150 mm

3.2.2 熱處理

根據(jù)小鑄錠的研究結(jié)果，采用780 ℃/1.5 h AC的雙態(tài)區(qū)固溶+530 ℃/4 h AC時(shí)效對合金進(jìn)行熱處理，熱處理后的組織照片如圖2所示。可以看到，鍛造后兩相區(qū)固溶時(shí)效處理保留了鍛造初生α形態(tài)，同時(shí)組織中還存在由β相轉(zhuǎn)變形成的細(xì)小次生α片層，形成一種典型的雙態(tài)組織，在該組織狀態(tài)下，合金抗拉強(qiáng)度達(dá)到1530 MPa，延伸率為6%，斷裂韌性為45.5 MPa·m1/2，完全達(dá)到了預(yù)期的超高強(qiáng)中韌目標(biāo)。

圖2 熱處理后Ti-1500在不同放大倍數(shù)下的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of Ti-1500 alloy after heat treatment with differentmagnifications

如前文合金設(shè)計(jì)所述，Ti-1500的設(shè)計(jì)傾向于突出強(qiáng)度，這種設(shè)計(jì)Mo當(dāng)量較高，合金強(qiáng)度易于保障，但是由于析出的α相尺寸細(xì)小，無論是全片層組織還是雙態(tài)組織，合金的斷裂韌性始終較低，這是這種突出強(qiáng)度的熱處理工藝對組織調(diào)控的不足。為了進(jìn)一步挖掘材料潛力，兼顧其強(qiáng)度和斷裂韌性，研究人員對熱處理工藝進(jìn)行了深入研究。

對于Ti-1500，斷裂韌性的主要影響因素是α相尺寸，由于該合金Mo當(dāng)量很高，傳統(tǒng)的固溶+時(shí)效的處理工藝對α相的尺寸調(diào)節(jié)有限，適當(dāng)合理的多重固溶時(shí)效熱處理可以通過控制冷卻速度而使初生α相、次生α相和時(shí)效α形貌特征發(fā)生變化，獲得期望的顯微組織，使合金得到良好的強(qiáng)度與塑韌性匹配。

通過多次熱處理工藝的調(diào)整，最終選擇750 ℃/1.5 h轉(zhuǎn)爐至520 ℃ FC至200 ℃ AC。該工藝中750 ℃固溶是為了保障組織中含有～15%的初生等軸α相，確保最終的組織是雙態(tài)組織，以保障合金的塑性。轉(zhuǎn)爐到520 ℃爐冷到200 ℃是為了獲得具有一定尺寸的片層次生α相，以提高合金的斷裂韌性。圖3為合金在該工藝下的SEM照片，和圖2相比，可以明顯觀察到合金中次生α相寬度和長度明顯增加。該熱處理工藝后，合金抗拉強(qiáng)度為1360 MPa、延伸率為8%、斷裂韌性大于60 MPa·m1/2，對于Mo當(dāng)量較高的亞穩(wěn)β合金，在雙態(tài)組織下斷裂韌性可以超過60 MPa·m1/2，在現(xiàn)有的報(bào)道中很難看到，因此，在該熱處理?xiàng)l件下得到的Ti-1500合金顯示出極佳的強(qiáng)-塑-韌性匹配。

圖3 轉(zhuǎn)爐熱處理后Ti-1500的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM image of Ti-1500 alloy after converter heat treatment

4 結(jié) 論

本文在現(xiàn)有高強(qiáng)韌鈦合金的基礎(chǔ)上，通過選擇合金元素的種類和權(quán)重，結(jié)合組織結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一種新型1500 MPa級亞穩(wěn)β超高強(qiáng)中韌鈦合金。

經(jīng)600 kg中試規(guī)格鑄錠的加工和測試，在優(yōu)化的鍛造和熱處理工藝下，該合金可以穩(wěn)定達(dá)到兩種強(qiáng)度級別，一種是抗拉強(qiáng)度大于1500 MPa、延伸率大于5%、斷裂韌性大于45 MPa·m1/2；另一種是抗拉強(qiáng)度大于1300 MPa、延伸率大于6%、斷裂韌性大于60 MPa·m1/2。相比于現(xiàn)有的高強(qiáng)韌鈦合金，這兩種強(qiáng)度級別的超高強(qiáng)中韌鈦合金均顯示出明顯的性能優(yōu)勢。