简介概要

高强高韧TB10钛合金棒材研究

来源期刊：稀有金属2006年第2期

论文作者：惠松骁张翥刘伟

关键词：TB10近β型钛合金; 高强高韧; 损伤容限; 棒材;

摘要：介绍了φ60mm×L mm～φ165 mm×L mm高强、高韧TB10钛合金锻棒和φ120 mm×Lmm,φ140mm×Lmm圆柱加锥形空心盲孔锻件的研究结果.结果表明:合金棒材在高强(Rm≥1100MPa)状态下,获得了Rm-KIC-αKU2的良好匹配关系.为满足φ165 m×L mm高强、高韧TB10钛合金锻棒的高冲击使用要求,采用了创新的热处理工艺,获得了中强状态下最佳的Rm-K1C-αKU2匹配关系.用φ85 mm×L mm锻棒研究了该合金创新热处理工艺的裂纹扩展速率da/dN,当log(△K)≤1.45(△K=28.18 MPa·m1/2)时,Ti-6-22-22S合金比TB10合金低,log(△K)＞1.45(△K=28.18 MPa-m1/2)时,TB10合金比Ti-6-22-22S合金低.

稀有金属 2006,(02),221-225 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.02.022

高强高韧TB10钛合金棒材研究

惠松骁刘伟

北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室,北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室,有研亿金新材料股份有限公司北京100088,北京100088,北京102200

摘要：

介绍了Φ60mm×Lmm^Φ165mm×Lmm高强、高韧TB10钛合金锻棒和Φ120mm×Lmm, Φ140mm×Lmm圆柱加锥形空心盲孔锻件的研究结果。结果表明:合金棒材在高强 (Rm≥1100MPa) 状态下, 获得了Rm-KIC-αKU2的良好匹配关系。为满足Φ165mm×Lmm高强、高韧TB10钛合金锻棒的高冲击使用要求, 采用了创新的热处理工艺, 获得了中强状态下最佳的Rm-KIC-αKU2匹配关系。用Φ85mm×Lmm锻棒研究了该合金创新热处理工艺的裂纹扩展速率da/dN, 当log (ΔK) ≤1.45 (ΔK=28.18MPa·m1/2) 时, Ti-6-22-22S合金比TB10合金低, log (ΔK) >1.45 (ΔK=28.18MPa·m1/2) 时, TB10合金比Ti-6-22-22S合金低。

关键词：

TB10近β型钛合金;高强高韧;损伤容限;棒材;

中图分类号： TG316

作者简介：惠松骁 (E-mail:huisx@grinm.com) ;

收稿日期：2005-11-20

High Strength and High Toughness TB10 Titanium Alloy Bars

Abstract：

The research of bars (diameter 60 mm to diameter 165 mm) and hollow-blinded hole forgings of TB10 titanium alloy were introduced. The fatigue crack growth rate (FCGR) of the alloy is also studied under a new heat treatment. Results show that strength, impact toughness and fracture toughness of the alloy are matched very well under high strength and middle strength. When ΔK≤ 28.18 MPa·m 1/2, the FCGR of TB10 alloy is higher than that of Ti-6-22-22S alloy, and when ΔK>28.18 MPa·m 1/2, the FCGR of TB10 alloy is lower than that of Ti-6-22-22S alloy.

Keyword：

TB10 titanium alloy; high strength; high toughness; damage tolerance;

Received： 2005-11-20

近β型钛合金Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al ^[1] , 含有3%α稳定元素Al, 5%同晶型β稳定元素Mo和V, 2%共析型β稳定元素Cr, K_β=1.10, MO当量=11.5, 简称Ti-5523合金, 合金牌号TB10 ^[2] 。该合金中β稳定元素总含量在临界浓度附近, 使得合金兼有α+β和亚稳定β型钛合金的性能特征, 它具有比强度高, 断裂韧度好, 淬透性高, 热加工工艺性能和机加工性能十分优异、加工温度及变形抗力远低于大多数工业钛合金等一系列优点, 可满足高结构效益、高可靠性结构件的使用要求, 是理想的结构材料。

TB10合金的高强度 (Rm≥1400 MPa) Φ12 mm×L mm棒材, 用于神州二号轨道舱已使用成功。高强 (Rm≥1360 MPa) Φ60 mm×L mm 棒材用于星箭连接系统的TB10连杆, 早在2000年9月1日我国资源二号卫星发射中使用成功。本文系统介绍Φ60 mm×L mm～Φ165 mm×L mm高强、高韧合金锻棒 (其中包括Φ120 mm×L mm, Φ140 mm×L mm圆柱加锥形空心盲孔锻件) 的研究结果, 并给出了TB10合金和Ti-6-22-22S合金的裂纹扩展速率da/dN比较结果, 可供不同的用户选用。

1 实验

1.1 实验材料

用Φ270 mm×L mm, 300 kg铸锭锻造成Φ60 mm×L mm, Φ80 mm×L mm, Φ100 mm×L mm棒材以及Φ120 mm×L mm和Φ140 mm×L mm盲孔锻件; 用Φ370 mm×L mm, 750 kg合金铸锭, 经多火次锻造成Φ85 mm×L mm和Φ165 mm×L mm棒材, 其Φ370 mm×L mm铸锭化学成分见表1。金相法测T_β转变温度为815 ℃。

1.2 实验方法

用大规格Φ (60～165) mm×L mm锻造棒材, Φ120 mm×L mm, Φ140 mm×L mm盲孔锻件和140 mm×190 mm×210 mm锻造方料, 采用性能检测、扫描电镜观察微观组织方法研究了大规格棒材的组织和性能。用TB10合金Φ85 mm×L mm 棒材和Ti-6-22-22S合金42 mm×67 mm×L mm方棒检测了Rm-K_IC匹配性能及裂纹扩展速率da/dN。

表1 合金铸锭化学成分 (%, 质量分数)

Table 1 Chemical composition of ingot (%)

Elements	Mo	V	Cr	Al	Fe	Si	C	N	H	O
Up	4.87	5.10	2.08	2.89	0.06	0.041	-	-	-	-
Mid	5.08	5.08	2.08	2.80	0.06	0.045	0.020	0.0096	0.0058	0.10
Down	5.06	5.01	2.04	2.86	0.07	0.041	-	-	-	-

2 结果与讨论

2.1 合金两相区固溶时效特性

用Φ20 mm×L mm棒材研究了合金两相区固溶时效性能, 详见表2。表2中的数据表明, 合金时效强化效应大, 其塑性 (延伸率、断面收缩率) 不但不减少, 反而增加 (特别是断面收缩率) , 表明了该合金两相区固溶时效的特性, 为在高强状态下获得高韧性创造了条件。

2.2 Φ60 mm×L mm锻棒

Φ60 mm×L mm棒材是为星箭连接系统的TB10合金连杆研制的, 其性能见表3。

2.3 Φ80 mm×L mm和Φ100 mm×L mm锻件

高强高韧Φ80 mm×L mm锻棒和中强高韧Φ100 mm×L mm锻棒是为石油化工的高压隔离轴套和分离套研制的 ^[2] , 其性能见表4。 Φ80 mm×400 mm和Φ100 mm×300 mm锻件, 已应用于石油化工领域。

表2 两相区固溶时效特性

Table 2 Characteristic of (α-β) ST+aged TB10

Heat treatment	Rm/MPa	A/%	Z/%
(α-β) ST, WQ	916	13	56
(α-β) ST, WQ+age	1321	13	58
(α-β) ST, AC	1000	13	59
(α-β) ST, AC+age	1275	13	68

表3 Φ (20～60) mm×L mm棒材室温性能

Table 3 RT tensile properties of Φ20 mm & Φ60 mm bars

Type/mm	Rm/MPa	K_IC/ (MPa·m^1/2)	A/%	Z/%
Φ20×L	1500	42	10	47
	1500	46	10	38
	1420	49	16	66
	1420	50	15	68
Φ60×L	1350	62	16	67
	1350	65	14	68
	1360	70	8	20
	1360	65	8.5	29
	1300	68	11	19
	1300	59	8.5	25

2.4 Φ120 mm×L mm, Φ140 mm×L mm圆柱加锥形空心盲孔锻件

Φ120 mm×L mm, Φ140 mm×L mm圆柱加锥形空心盲孔锻件是为宇航用的硬回收体研制的 ^[2] , 其性能见表5。

表5中的性能表明, Rm≥1140 MPa, K_IC≥71.2 MPa·m^1/2, α_KU2≥45 J·cm^-2; Rm≥1190 MPa, K_IC≥67.5 MPa·m^1/2, α_KU2≥32.5 J·cm^-2; 均达到了高强、高韧性技术指标要求。

2.5 Φ165 mm×L mm锻棒

Φ165 mm×L mm锻棒是为宇航用的试验件, 选择了五种强度级别的热处理制度, 分别为A, B, C, D, E (创新的) , 而A, B, C 3种热处理状态下, 其强度高、韧性低, 不能满足技术指标要求, 所以只给出采用D、 E两种热处理工艺处理的Φ165 mm×L mm锻棒性能, 见表6。其热处理制度, D工艺: 755 ℃/60 min, WQ+520 ℃/8 h↗620 ℃/30 min, AC; 创新的E工艺: 755 ℃/60 min, FC+520 ℃/8 h, AC。

2.6 合金的断裂性能

用140 mm×190 mm×210 mm方料检测的D,

表4 Φ80 mm×L mm和Φ100 mm×L mm锻件性能

Table 4 Tensile properties of forgings

Type/mm	Rm/MPa	A/%	Z/%	K_IC/ (MPa·m^1/2)
Φ100ⅹL	923	9.0	37.0	87.0
Φ80ⅹL	1236	12.5	47.0	73.0

表5 圆柱加锥形空心盲孔锻件性能

Table 5 Tensile properties of hollow-blind hole forgings

Type/ mm	Heat treatment	Rm/ MPa	K_IC/ (MPa·m^1/2)	α_KU2/ (J·cm^-2)
Φ120×L	620 ℃/3 h, AC	1140	71.2	45.0
Φ140×L	600 ℃/3 h, AC	1190	67.5	32.5

表6 Φ165 mm×L mm锻棒性能

Table 6 Tensile properties & impact toughness of bar

Heat treatment	Rm/ MPa	R_p0.2/ MPa	A/ %	Z/ %	A_KU2/ J	α_KU/ (J·cm^-2)
D	1100	1050	15.5	59.0	42	52.0
	1110	1070	13.5	58.0	45	56.0
E	940	910	17.5	69.5	96	120
	940	895	16.5	59.0	88	110

E两种热处理状态的断裂性能, 见表7。

综合表6, 7中的性能得到Φ165 mm×L mm锻棒Rm-K_IC-α_KU2匹配关系, 见表8。

2.7 Φ85 mm×L mm锻棒的损伤容限性能

2.7.1 用TB10合金Φ85 mm×L mm 棒材和Ti-6-22-22S合金42 mm×67 mm×L mm方棒检测的Rm-KIC匹配性能, 分别见表9和10。

2.7.2 合金微观组织

用扫描电镜的二次电子相观察了D和E两种热处理状态下的微观组织 (×1000) , 见图1和2。图1和2中的合金微观组织表明, D制度原始β晶粒尺寸比E制度小。

表7 两种热处理状态下的断裂性能

Table 7 Fracture toughness in different conditions

Heat treatment	K_IC/ (MPa·m^1/2)	Heat treatment	K_IC/ (MPa·m^1/2)
D	79.0	E	123.0
	73.0		123.0
	80.0		127.0

表8 Φ165 mm×L mm锻棒的Rm-KIC-αKU2匹配关系

Table 8Relationship of Rm-K_IC-α_KU2of Φ165 mm×L mm bar

Heat treatment	R_m/ MPa	R_P0.2/ MPa	A/ %	Z/ %	α_KU2/ (J·cm^-2)	K_IC/ (MPa·m^1/2)
D	1100	1050	15.5	59.0	52.0	73.0
	1110	1070	13.5	58.0	56.0	80.0
E	940	910	17.5	69.5	120.0	123.0
	940	895	16.5	59.0	110.0	127.0
	≥1105	≥1000	≥8	≥15	-	≥60

表9TB10合金Φ85 mm×L mm 棒材Rm-KIC匹配关系

Table 9Relationship of Rm-K_ICof TB10 alloy Φ85 mm×L mm bar

Heat treatment	Rm/MPa	R_P0.2/MPa	A/%	Z/%	K_IC/ (MPa·m^1/2)
D	1140	1090	13.5	50.5	73
	1100	1050	15.0	49.5	80
E	960	915	16.0	57.5	123
	950	905	20.5	59.0	127

表10Ti-62222S合金42 mm×67 mm×L mm方棒Rm-KIC匹配关系

Table 10Relationship of Rm-K_ICof Ti-62222S alloy 42 mm×67 mm×L mm square bar

Rm/MPa	R_P0.2/MPa	A/%	Z/%	K_IC/ (MPa·m^1/2)
1170	1070	11.5	13.5	77
1170	1090	9.5	16.0	80

图1 D制度的二次电子相

Fig.1 SEM of system D

图2 E制度的二次电子相

Fig.2 SEM of system E

2.7.3 TB10合金D和E热处理制度下的疲劳裂纹扩展速率

用TB10合金Φ85 mm×L mm 棒材检测的D和E两种热处理制度下疲劳裂纹扩展速率, 和用42 mm×67 mm×L mm方棒检测的Ti-6-22-22S合金疲劳裂纹扩展速率的比较图 ^[3] , 见图3。

试验条件: R=0.1; 加载频率: 20 Hz; 载荷范围: 12～13 KN; 试验介质: 空气。

图3中的TB10合金D和E两种制度的疲劳裂纹扩展速率结果表明, 当log (ΔK) <1.35时, D制度的疲劳裂纹扩展速率好于E制度; 当log (ΔK) ≥1.35时, E制度的疲劳裂纹扩展速率好于D制度。

图3中TB10合金与Ti-6-22-22S合金的疲劳裂纹扩展速率比较结果表明, 当log (ΔK) ≤1.45 (ΔK=28.18 MPa·m^1/2) 时, Ti-6-22-22S合金速率低于TB10合金; 而当log (ΔK) >1.45 (ΔK=28.18 MPa·m^1/2) 时, Ti-6-22-22S合金速率高于TB10合金。

图3 D和E制度及Ti-6-22-22S log (da/dN) -log (ΔK) 曲线图

Fig.3 Graph of log (da/dN) -log (ΔK) system D, E and Ti-6-22-22S

2.8 讨论

2.8.1 大规格棒材性能

由表3～9得到不同强度级别的Rm-K_IC匹配关系, 见表11。表11中的数据表明, Φ (60～165) mm合金棒材在中强 (Rm≥940 MPa) 状态下, 有最高韧度K_IC≥125.0 MPa·m^1/2, 有最高的冲击韧性α_KU2≥115.0 J·cm^-2; 在高强 (Rm≥1105～1360 MPa) 、高韧度K_IC≥67.5 MPa·m^1/2状态下, 均达到了TB6航空锻件技术标准。 Φ (120～140) mm空心盲孔锻件, 也达到了TB6航空锻件技术标准。

高强 (Rm≥1100 MPa) 状态下, Rm-K_IC关系曲线, 见图4。图4中Rm-K_IC关系曲线表明, 获得应用的大规格 (Φ60 mm～Φ 165 mm) 棒材, Rm=1100～1360 MPa, K_IC=67.5～75 MPa·m^1/2。而超高强 (Rm≥1400 MPa) 状态下, Rm=1420～1500 MPa, K_IC=49.5～44 MPa·m^1/2, 是Φ20 mm获得的性能数据, 尚未获得应用。

表11 不同强度级别的Rm-KIC匹配关系

Table 11 Relationship of Rm-K_ICin different strength

合金	Rm/ MPa	K_IC/ (MPa·m^1/2)	α_KU2/ (J·cm^-2)	A/ %	Z/ %	Φ/ mm
TB10	1500	44		10	42.5	20
	1420	49.5		15.5	67
	1360	67.5		8	24.5	60
	1300	63.5		9	22
	1236	73		13	47	80
	1120	76	55	14	50	85
	955	123	110	18	58
	923	87		9	37	100
	1140	71		12	35	120^*
	1190	68		10	33	140^*
	1105	75	54	15	59	165
	940	125	115	22	70	165
	≥1105	≥60	-	≥8	≥15	-

* hollow-blind hole forging

图4 高强 (Rm≥11000 MPa) 状态下, Rm-KIC关系曲线

Fig.4 Relationship of Rm-K_IC in different strength

2.8.2 疲劳裂纹扩展速率

裂纹萌生由两个因素决定: 晶格强度和位错滑移程 ^[3] 。疲劳过程首先由位错滑移开始, 晶格强度越高, 抵抗位错滑移的力越大, 位错不易滑移; 位错滑移程越短, 挤入或挤出的滑移带小, 使合金表现出较高的疲劳性能。可以用材料的屈服强度推断晶格强度。位错的滑移程则取决于晶粒的大小。因此, 提高合金的强度、减少α/β相界、减少初生α和原始β晶粒尺寸都将有利于增强合金的抗疲劳裂纹能力 ^[3] 。 D制度原始β晶粒尺寸比E制度小, 而且D屈服强度比E提高10%, 所以D制度抗疲劳裂纹能力好于E制度。但是E制度的K_IC是D制度的1.7倍, 所以E的综合性能好于D制度。

3 结论

1. Φ (60～165) mm×L mm高强、高韧合金棒材, Φ120 mm×L mm和Φ140 mm×L mm高强、高韧盲孔锻件, 均达到了TB6航空锻件技术标准: Rm≥1105 MPa, K_IC≥60 MPa·m^1/2, A%≥8, Z%≥15。

2. Φ165 mm×L mm合金棒材获得了最佳Rm-K_IC-α_KU2匹配关系, 在高强、高韧状态下, 达到了TB6航空锻件技术标准, α_KU2≥54 J·cm^-2。在中强 (Rm≥940 MPa) 、高韧度 (K_IC≥125 MPa·m^1/2) 状态下, α_KU2≥115 J·cm^-2, 获得了最高的冲击性能。

3. TB10合金力学性能、断裂韧度好于Ti-62222S合金, 而裂纹扩展速率 (da/dN) , 当log (ΔK) 1.45 (ΔK=28.18 MPa·m^1/2) 时, Ti-6-22-22S合金比TB10合金低, log (ΔK) >1.45 (ΔK=28.18 MPa·m^1/2) 时, TB10合金比Ti-6-22-22S合金低。

参考文献

[1] Zhang Zhu, Chen Haishan, Hao Ruixin.Near beta Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al alloy“Titanium′95Science and Technology”VolumeⅢ[A].Proceedings of the Eighth World Conference on Titanium Held at the International Convention Centre Birmingham, UK22-26October1995, 2325.

[2] 黄伯云, 李成功, 石力开, 等.《中国材料工程大典》第4卷有色金属材料工程 (上) [M].北京:化学工业出版社, 2006.684.

[3] Liu Wei, Zhang Zhu, Hui Songxiao.Studyon mar-contain properties of TB10alloy[J].Rare Metal Materials and Engineering, 2005, 34:383.

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High Strength and High Toughness TB10 Titanium Alloy Bars