鈦合金工藝決定顯微組織結(jié)構(gòu)，顯微組織結(jié)構(gòu)決定力學(xué)性能。在生產(chǎn)實踐中，人們往往進(jìn)行反推，即根據(jù)所要求的力學(xué)性能，判斷***優(yōu)的組織狀態(tài)，然后根據(jù)所需要的組織狀態(tài)，進(jìn)行合金熱加工和熱處理工藝的優(yōu)化。在這個過程中，組織和性能的關(guān)系成為***為關(guān)鍵的步驟。

一般的組織與性能的關(guān)系，通過大量的測試和實踐，已經(jīng)形成了一定的共識。鈦合金四種典型組織形態(tài)合金力學(xué)性能的一般關(guān)系見表1，每一種組織都有其對應(yīng)的力學(xué)性能優(yōu)勢項和劣勢項。然而，現(xiàn)代航空飛行材料的綜合服役條件，越來越要求材料具有較好的綜合力學(xué)性能。所以，目前對材料較高要求的綜合力學(xué)性能和材料性能只能滿足部分優(yōu)勢性能的矛盾是鈦合金材料加工和工程應(yīng)用的主要矛盾。為了緩解這一矛盾，人們不斷通過工藝的創(chuàng)新，進(jìn)行組織的***佳化。比如近β、準(zhǔn)β、多重?zé)崽幚淼耐瞥觯际且欢ǔ潭葼奚に嚨谋憷?，獲得***優(yōu)化的組織形態(tài)，從而獲得***佳的綜合力學(xué)性能。

同顯微組織結(jié)構(gòu)對合金力學(xué)性能的影響

01顯微組織對室溫強(qiáng)度和塑性的影響

一般認(rèn)為，合金隨著初生α相的減少，強(qiáng)度下降，塑性升高，所以從等軸組織到雙態(tài)組織到片層組織，合金塑性逐漸降低，強(qiáng)度逐漸升高。在不同組織狀態(tài)下TC4合金的室溫力學(xué)性能見表2。

02顯微組織對斷裂韌性和裂紋擴(kuò)展速率的影響

關(guān)于組織對鈦合金斷裂韌性、裂紋擴(kuò)展速率的影響，通過大量的研究，目前已經(jīng)得出一些規(guī)律，即在β區(qū)變形或β區(qū)熱處理獲得的片層狀組織結(jié)構(gòu)，可獲得更高的斷裂韌性和抗裂紋擴(kuò)展速率。其解釋是由于原始β晶界和α集束的影響，裂紋容易分叉而形成次生裂紋，所以裂紋在片狀組織中的擴(kuò)展路徑更曲折，導(dǎo)致裂紋總的長度增加，需要消耗更多的能量。兩種典型組織狀態(tài)下TC4合金的性能見表3。不同組織狀態(tài)下TC11合金的性能見表4.

03顯微組織對合金熱強(qiáng)性的影響

鈦合金的熱強(qiáng)性反應(yīng)材料在高溫條件下抵抗變形的能力，通常研究***廣泛的性能有高溫下的瞬時強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度。大量的研究表明：片狀組織的熱強(qiáng)性要比球狀組織的高。當(dāng)晶粒尺寸增大并使晶粒結(jié)構(gòu)由球狀變?yōu)槠瑺罱M織時，持久強(qiáng)度先是增加，然后降低，合金的抗蠕變能力隨著β晶粒尺寸的增大而提高。在鈦合金四種典型組織形態(tài)中，網(wǎng)籃組織的熱強(qiáng)性***好，即網(wǎng)籃組織具有***好的高溫拉伸強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度的綜合性能。魏氏組織次之，等軸組織熱強(qiáng)性***低。TC11合金的熱強(qiáng)性與組織類型的關(guān)系見表5。

04組織對疲勞性能的影響

光滑試樣在對稱循環(huán)高頻應(yīng)力作用下，等軸組織比片狀組織有更好的疲勞強(qiáng)度，同時，組織越細(xì)小疲勞性能越好。在四種典型的組織狀態(tài)下，等軸組織的疲勞性能***好，其次是雙態(tài)組織，再次是網(wǎng)籃組織，魏氏組織的疲勞性能***差。表6所示為不同組織對TC6合金疲勞性能的影響。

鈦合金顯微組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計

現(xiàn)代飛行器的高速發(fā)展，對材料的應(yīng)用性能也提出了新的要求，即現(xiàn)代航空工業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計和選材的五項基本因素：“未損傷”材料的靜強(qiáng)度及剛度；“未損傷”材料的疲勞性能；高溫使用時的蠕變、持久和熱穩(wěn)定性；有損傷材料的靜強(qiáng)度；有損傷材料的疲勞性能。材料選材判據(jù)與組織性能的關(guān)系見表7?？梢钥吹竭@些性能對組織的要求具有不可調(diào)和的矛盾，所以在現(xiàn)實工程應(yīng)用中，就需要針對合金要求的力學(xué)性能，進(jìn)行組織的設(shè)計，即根據(jù)要求設(shè)計特有組織或“中間”組織，滿足合金力學(xué)性能指標(biāo)要求。以下就典型的兩類鈦合金—高溫鈦合金和高強(qiáng)韌鈦合金的組織設(shè)計進(jìn)行說明。

表7 材料選材判據(jù)與組織性能的關(guān)系

01高溫鈦合金的顯微組織設(shè)計

在實際應(yīng)用中，高溫鈦合金要求材料具有良好的室溫性能、高溫強(qiáng)度、蠕變性能、熱穩(wěn)定性、疲勞性能和斷裂韌性等的匹配，其中***重要的是熱穩(wěn)定性、高溫蠕變性能和疲勞性能匹配，而這些性能對材料的成分和組織的要求是矛盾的。因此IMI834合金為了兼顧蠕變性能和疲勞性能，使用初生α相含量為15%的雙態(tài)組織，在兩相區(qū)上限溫度進(jìn)行固溶處理。對于截面尺寸＞15mm的坯料，推薦采用油冷；截面尺寸＜15mm的坯料，推薦采用空冷，然后在700℃進(jìn)行時效處理。在合金中加入的0.06%C，也是為了擴(kuò)大兩相區(qū)熱處理的溫度范圍，易于固溶熱處理時更好地控制初生α相的含量，圖1所示為IMI834合金***佳熱處理區(qū)及其對應(yīng)的組織形態(tài)。

而同樣作為高溫鈦合金，為了獲得更高的蠕變性能，Ti1100合金鍛件的生產(chǎn)推薦采用β鍛造和直接時效的熱加工工藝路線，獲得片層組織狀態(tài)。即在相變點以上25~55℃范圍內(nèi)進(jìn)行鍛造，R鍛造之后直接進(jìn)行600℃/8h的時效處理。這樣的工藝減少了一次高溫?zé)崽幚?，簡化了工藝，降低了生產(chǎn)成本。圖2所示為Ti1100合金使用狀態(tài)的組織形態(tài)。

02高強(qiáng)韌鈦合金的組織設(shè)計

表7中除高溫使用時的蠕變、持久和熱穩(wěn)定性外，所有的性能幾乎都是高強(qiáng)韌鈦合金所要強(qiáng)調(diào)的性能?？梢钥闯觯鋵?yīng)的***優(yōu)組織狀態(tài)為完全矛盾的兩種組織，因此，為協(xié)調(diào)不同性能之間的關(guān)系，高強(qiáng)韌鈦合金在細(xì)化晶粒的同時，盡可能選擇一種介于等軸組織和片層組織“中間”的組織狀態(tài)。通常采用較為復(fù)雜鍛造和熱處理結(jié)合的方式。比如Ti62222合金，為了獲得拉伸性能、斷裂韌性、疲勞裂紋擴(kuò)展速率較好的綜合性能匹配，采用三重處理制度：***重，T_β+28℃/0.5hFC或AC，以20～67℃/min冷卻速率冷卻到482℃；第二重，T_β-39℃/1hAC或FC；第三重，在538℃/8h AC。三重處理后的性能為σ_b=1034MPa，σ_0.2=931MPa,δ=6%，Ψ=42%～48%，K_IC=77MPa·m^1/2。而針對Ti17合金，雙態(tài)區(qū)鍛造后也采用雙固溶+時效的熱處理工藝，獲得一種綜合的組織狀態(tài)。對于新型的高強(qiáng)韌鈦合金Ti5553，通過雙重時效處理調(diào)整時效α相的析出位置和形態(tài)，***終獲得***優(yōu)的綜合力學(xué)性能。

對高強(qiáng)韌鈦合金組織設(shè)計***典型的例子是近β、準(zhǔn)β和鍛后水冷技術(shù)的提出和綜合應(yīng)用，近β鍛造在高強(qiáng)韌鈦合金應(yīng)用的思路是在雙態(tài)組織的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低和細(xì)化初生等軸α相的含量，同時增加次生條狀α和時效α，得到一種混合組織，這種組織在不明顯降低合金塑性的基礎(chǔ)上，通過增加次生條狀α、時效α和時效β來提高合金的韌性和抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力。而準(zhǔn)β鍛造工藝的提出，也是基于網(wǎng)籃組織具有***優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。雖然在各項性能指標(biāo)中網(wǎng)籃組織都不是******的，但對所有的性能，網(wǎng)籃組織都是較優(yōu)或中等的（見表1)，因此在要求綜合的力學(xué)性能指標(biāo)時，網(wǎng)籃組織是一種***優(yōu)的組織，為了構(gòu)造這種組織，提出了準(zhǔn)β鍛造工藝。同時，鍛后水冷技術(shù)也主要是針對高強(qiáng)韌鈦合金，通過水冷細(xì)化片層和條狀α，提高合金的斷裂韌性和抗裂紋擴(kuò)展能力。

來源：《新型合金材料-鈦合金》   作者：趙永慶 辛社偉 陳永楠 毛小南