1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1 引言

钛是 20 世纪 50 年代后受到人们极大关注的一种金属，已经成为一种新型的功能材料和重要的生物材料，在航天航空、船舶以及医用领域等得到了广泛的应用。该金属的特点是耐蚀、超导、储氢、形状记忆、重量轻、超弹性模量和高阻尼等，是继铁、铝之后，获得了正在崛起的”第三金属”的美誉，该金属具有工业价值高，资源寿命长以及广阔的发展前景。20 世纪 50 年代初，钛首次在飞机获得了成功的应用，尽管当时每架飞机用钛量仅占飞机质量的 1%，但是也奠定了钛合金在航空工业中广阔的前景。钛及钛合金因具有比强度高"耐腐蚀性好等优点，已被广泛应用于在航空、航天、车辆工程、生物医学工程等各个领域[1,2]。目前，航天航空工业对新型结构材料提出了更高的要求，不再仅仅追求单一高强度，而是要求新型结构材料具有高性能以及多功能化（如强度高、弹性模量好，轻质以及耐高温性能等）。其中结构钛合金作为一种新型的结构材料，目前在航空航天中的应用钛合金（强度一般都低于 1300MPa）已不能满足其需求，为了提高其的使用性能，需要研究开发综合性能更好的新型结构钛合金。

β 钛合金中的近 β 合金含有临界浓度附近的 β 稳定元素，在固溶状态具有良好冷加工性能，固溶时效状态下具有良好的强度、塑性、断裂韧性匹配，且热加工工艺性能十分优异，加工温度及变形抗力远远低于大多数工业钛合金。AMTi15-N（名义成分为Ti-3Al-5Mo-1Fe-4Cr-2Nb）合金是一种新型近β钛合金，由南京工业大学先进金属材料研究院设计研制的具有深淬透性、热加工性能好、良好的抗腐蚀能力及良好的强度、韧性、塑性匹配的合金。对于结构材料，强化和韧化是极为重要的研究指标。但是高强钛合金的强度水平的提高，断裂韧性下降，合金的强化在一定水平上同时受塑性和韧性的制约。基于此，本课题研究不同的时效工艺参数（温度、时间）对合金显微组织和力学性能的影响，找出规律，通过合适的时效工艺使AMTi15-N合金具有良好的强度韧性匹配。

2 高强钛合金国内外发展现状

高强高韧钛合金一般指抗拉强度在1000MPa以上，断裂韧性在55MPa#183;m1/2以上的钛合金。其中国外的高强高韧钛合金主要为美国的 Ti-1023，俄罗斯的BT22合金，以及新型的Timetal555合金，而中国的高强高韧钛合金则为TB2和TB10合金等。高强高韧钛合金一般都为β钛合金，组织以β相为主。这是因为β钛合金在固溶处理下的冷成型性和淬透性较好，合金时效后析出次生α相（αs）可大幅度提高合金强度。

2.1 高强钛合金国外发展现状

2.1.1 Ti-1023合金

Ti-1023（Ti-10V-2Fe-3Al)合金是美国 Timet公司于1971年研制成功，迄今为止应用最为广泛的一种高强韧近β钛合金[3,4]。Ti-1023的成功应用应归结于它是一种高结构效益、高可靠性和低制造成本的锻造钛合金[5]。为了提高合金的锻造性能和断裂韧性，要求合金中Fe的含量低于2%，O的含量限制在0.13%以下[6]。在同等强度等级下，合金在两相区固溶处理得到的组织具有良好的塑性[7,8]。Boyer[9]将Ti-1023与TC4的锻造流变应力进行比较，表明在使用相同的锻造设备和模具时，Ti-1023更易于变形。换言之，Ti-1023 比TC4可以在更低的温度下模锻，而锻后经热处理还可获得更佳的性能。表1所列为Ti-1023合金大规格棒材不同热处理制度下的室温力学性能，图1为Ti-1023合金在波音777上应用部件，图2所示为该合金棒材的显微组织。

表1 Ti-1023 合金棒材不同热处理制度下的室温力学性能

图1 波音777主起落架为Ti-1023合金锻造部件

图2 不同热处理制度下Ti-1023合金棒材

2.1.2 BT22合金

BT22(Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr)合金是苏联在20世纪70年代研制成功的一种高合金化、高强度近β型钛合金[10]。研究结果表明合金中添加5%Mo，5%v以及少量的Fe和Cr，即可稳定β相，在长时间加热时，其中包括在350℃下长时间应力加热也不致引起共析转变脆化。同时少量的Fe和Cr还可以解决合金熔炼时制备中间合金的问题以及解决减少合金化元素沿铸锭偏析问题。BT22合金退火状态下的组织含有各约50%的α和β相，退火状态下的强度是现有合金中退火强度最高的。固溶温度一般在690~780℃，时间1~2h，时效温度480~560℃，时间8~16h[11]。表2所列为BT22合金大规格棒材的室温力学性能，图3所示为该合金棒材的显微组织。图4，图5为BT22合金在IL客机上应用部件。

表2 BT22合金棒材不同热处理制度下的室温力学性能

图3 不同热处理制度下BT22合金棒材的显微组织

图4 用BT22合金制造的IL76客机起落架横梁

图5 用BT22合金制造的IL客机的前起脚架部件

2.1.3 β-21S合金

β-21S合金 (Ti-15MO-2.7Nb-3Al-0.2Si)是美国Timet公司在1989年为麦道公司提供一种用于航天飞机的钛金属基复合材料中所需的抗氧化箔材而开发的亚稳β型钛合金#合金最显著的特点就是在成分中添加了0.2%Si，用以提高合金的高温性能。该合金具有良好的冷变形能力，冷轧变形量达72%~85%，抗氧化性比Ti-15-3合金高100倍，高温性能优于其他β型钛合金。该合金的典型固溶处理制度为850℃固溶处理30min 空冷，组织为等轴的β晶粒[12]。固溶后的合金的时效温度一般在480~595℃[13]，时效时间为8~24h。图6为β-21S合金在波音777上的应用部件。

图6 β-21S合金在波音777喷嘴区域的应用

2.1.4 Timetal555合金

Timetal555(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.6Fe) 合金，亦称Ti5553，是美国Boeing公司和俄罗斯VSMPO公司在BT22合金基础上，通过添加Cr的含量而共同研制的一种新型高强亚稳β钛合金[14,15]。合金设计的初始目的即用于飞机上的大型锻件，且具有优异的高强度与高韧性，其强度可达1517MPa[16]，从而替代Ti-1023合金在Boeing777的主起落架的应用。

Fanning[14]等对Timetal555合金与Ti-1023合金、BT22合金的性能进行了对比(表3)，Timetal555合金的强度-塑性-韧性的匹配要优于现有的Ti-1023与BT22合金，较高的淬透性更适合于大型锻件进行热处理。Harper等[15]指出Ti-1023合金经热处理后有两种典型的组织，分别为片层和双态组织。合金经β相区固溶处理后，组织为片层或双片层组织；经（α β）相区固溶处理后，组织为双态组织[16]。美国使用Timetal555合金做成了1：1的飞机起落架，将该合金列为Boeing777飞机起落架转向架横梁。

表3 Timetal555，Ti-1023和BT22合金力学性能

2.2 高强钛合金国内发展现状

2.2.1 TB2合金

中国的高强钛合金发展也比较早，20世纪60年代初期北京有色金属研究院研制出了Ti-5583(Ti-3Al-5Mo-5V-8Cr)合金，研制工作和应用取得了较大的进展，并于1969年列入冶金部标准，牌号为TB2[32-34]。TB2合金主要通过Mo，Cr和V稳定β相，同时V的添加有益于提高合金的塑性。典型的热处理工艺为固溶温度在稍高于β 相变点（800#177;10）℃，保温3~30min，空冷； 时效温度(500#177;10)℃、保温时间8~24h，空冷或炉冷。TB2 合金经该工艺处理后，其时效后的Rm在1100~1200MPa，A在12％左右。该合金在固溶处理状态下具有良好的冷成形性能和焊接性能，在固溶时效状态下具有高的强度和良好的塑性相匹配。但这种合金作为大型锻件时，锻造抗力较大，需要

在1000℃的高温下锻造，但也难以保证整个截面获得足够的变形量。TB2 合金是在我国人造卫星上作为结构材料应用的第一个高强度钛合金，该合金主要用于星箭连接带已在我国各种型号的卫星上使用了20 多次，至今仍在使用。同时该合金制作的铆钉、紧固件、固体火箭发动机壳体也应用于航空航天领域。

2.2.2 TB10合金

北京有色金属研究总院在对TB2合金改造的基础上，通过降低Cr含量，自主研制了高强高韧近β型钛合金Ti-3Al-5Mo-5V-2Cr,合金牌号TB10[17-19]。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）合金和亚稳定β型合金的性能特征，具有比强度高，断裂韧度好等特点。为了获得合金良好的综合性能，一般采用两相区固溶加二次时效的方法，其典型热处理工艺为固溶温度750~770℃，保温30~60min,水淬； 时效处理500~540℃，保温8h，空冷及时效处理,600~620℃ ，保温30min，空冷。TB10合金锻件经该工艺处理后，其Rm可达1110MPa，KIC为70.5MPa#183;m1/2。TB10合金主要用于航天结构件，也可用于制造飞机机身和机翼结构中的锻造零件。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1. 本课题要研究的问题

本课题研究不同的时效工艺参数（温度、时间）对合金显微组织和力学性能的影响，找出规律，通过合适的时效工艺使amti15-n合金具有良好的强度韧性匹配。

2. 用的研究方法