钛合金材料组织性能关系 PPT
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● 等轴α，有球形、椭圆形、橄榄形、棒锤形、短棒形等多种形态
钛合金组织类型的工程化定义
近型合金
+型合金
近型合金
双态组织及其类型变化 （混合组织）
● 等轴组织＝(α等 + β转) ● 特征： α等轴≤40％ ● 等轴α，有球形、椭圆形、橄榄形、棒锤形、短棒形等多种形态
钛合金组织类型的工程化定义
破碎晶界
1200 1000
Ti-62222S TC21 TC4
8.00E-04 6.00E-04
800
4.00E-04
2.00E-04 600
0.00E+00
400
1 2 3 4 σb(MPa)
强度
KIC(MPa·m1/2) 断裂韧性
σD(R＝0.1/Kt=1) 疲劳强度
da/dN(△K=33) 裂纹扩展速率
✓成分决定了合金类型
✓工艺决定了组织类型
✓组织决定了性能
钛合金组织参数(D、d、b、)对性能的影响关系
钛合金组织类型的工程化定义
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
国外一般分类
钛合金组织类型的工程化定义
普通分类方法
国内普通分类
(1) 片层组织；(2) 过渡组织 (3) 球状组织
钛合金组织与性能的一般关系
问题：钛合金的普通组织类型，均难以满足综合高性能的要求
钛合金组织控制技术，实现综合高性能目标
综合高性能
1、基本要求：强韧性匹配、强塑性匹配 2、使用要求：高疲劳性能与损伤容限性能匹配、疲劳性能 与蠕变－持久性能匹配 3、加工要求：热工艺简单易行、加工成形性能优异（如焊 接性能、超塑成形性能等） 4、其它综合性能：低的缺口敏感性、良好的耐环境稳定性、 抗应力腐蚀与抗氢脆能力、
钛合金组织类型的工程化定义
钛合金组织与性能的一般关系
钛合金组织与拉伸性能的关系
拉伸性能：退火（片层）组织塑性最差、 双态最好、 加
工（网篮）组织各向异性大
钛合金组织与断裂韧性关系
断裂韧度KIC：
退火组织较高、 双态居中、 加工组织最高
钛合金组织特征与da/dN性能关系
da/dN : 退火组织最低、 加工组织居中、双态最差
钛合金材料组织性能关系
提纲
1 钛合金成分－工艺－组织－性能四要素 2 钛合金组织类型的工程化定义 3 钛合金组织与性能的一般关系 4 钛合金组织控制技术，实现综合高性能目标 5 几个研究热点问题 6 结语：存在的主要差距与建议
钛合金成分-工艺-组织-性能四要素
钛合金成分、工艺、组织和性能四要素
TC4-DT钛合金大量应用于我国新一代飞机安全寿命级关键承力部件上
与美国Ti-6Al-4V ELI合金对比
美国F-22飞机和C-17等大型运输机上也大量采用了普通退 火态的Ti6Al4V ELI损伤容限钛合金，在其它性能相当的情况 下，TC4-DT钛合金采用准热处理可得到较高的塑性与疲劳 性能（以满足我国飞机设计需求）。
断续晶界
网篮组织及其类型变化
● 网篮组织＝β转（变形的） ● 特征： α等轴＝0％
● β转（变形的） 具网篮编制状为主要特征
大块
钛合金组织类型的工程化定义
粗大片层
典型片层 片层组织及其类型变化
针状细小 （魏氏组织）
● 片层组织＝β转（不变形的） ● 特征： α等轴＝0％
● β转（不变形的） 以片层状为主要特征，片层厚度不同，形态不同（6级）
（二）对中等强度钛合金，采用钛合金 准热处理工艺，获得高塑性片层组织， 也是实现综合高性能目标的有效途径
例子：中强高损伤容限型TC4-DT钛合金
621所
采用新型“钛合金准热处理工艺”(专利号ZL 2.3)，解决了：(1) 片层组织塑性低；(2) 复杂截面特大型锻件组织性能均匀性； (3) 普通热处理在实际生产控制难等技术关键。
钛合金组织与疲劳性能关系
疲劳强度：
退火(片层)组织居中、 双 态最好、 加工(网篮)组织
各向异性大
原始β晶粒尺寸与钛合金性能匹配关系
随着β晶粒的增大，合金的断裂韧性和屈服强度逐渐降低
Microstructures A>B>C
强韧性匹配：退火组织只提高强度时，塑性与韧性大为降低
使用性能：晶粒粗大时，强度与韧性变化不大，但塑性与疲劳强 度却大为降低
α相含量与钛合金拉伸性能的关系
随着初生相含量的增加，合金的抗拉强度和屈服强度 变化只有50MPa，而延伸率和断面收缩率则迅速增加。
α相含量与钛合金强韧性匹配关系
时效温度对Ti-10V-2Fe-3Al合金力学性能与次生尺寸的影响
随着次生α相的片层厚度的增加，合金的强度下降比较明显， 而塑性和断裂韧性获得了较大幅度的增加。
(1) 等轴组织；(2) 混合组织； (3) 网篮组织；(4) 魏氏组织
钛合金组织类型的工程化定义
适合工程应用 的分类
1、等轴组织
２、网篮组织
３、双态组织
4、片层组织
钛合金组织类型的工程化定义
近型合金
+型合金
近型合金
等轴组织及其类型变化
● 等轴组织＝(α等 + β转) ● 特征： α等轴≥40％以上
ຫໍສະໝຸດ Baidu
（一）对高强度钛合金，采用钛合金准 锻造工艺，获得高塑性网篮组织，是实 现综合高性能目标的有效途径
例子1：高强韧损伤容限型TC21钛合金
621所
采用新型“准锻造工艺” (授权发明专利: ZL 01131237.8)，控制复杂、变截面、大尺寸整体 航空锻件的网篮组织均匀性，获得了具有高强、 高韧、高疲劳性能和低da/dN的综合性能。
（三）对高温钛合金，采用钛合金近锻造 工艺，可获得高温综合性能好的双态组织
例子：发动机用TC11和TC17高温钛合金
西北工业大学
℃
近β锻造
15
β
相转变点
α
α+β
TC11
钛合金二元相图示意
Ti β稳定元素含量（%）
TC17
近锻造工艺即在相变点以下15℃加热锻造，并控制锻后冷 却方式等得到的双态组织（或三态组织）具有良好的蠕变和 持久性能的综合匹配
1
TC21钛合金相比美Ti62222S钛合金具有更加优异的综合性能匹配
例子2：高强韧TC18(BT22)钛合金
TC18钛合金是我国大型运输机大量选用的高强韧钛合金， 也采用新型“准锻造工艺” ，获得了高性能综合匹配。
例子3：中强度TC6(BT31)钛合金
TC6钛合金是普遍应用的中强度钛合金，采用新型“准锻 造工艺” ，也获得了高性能综合性能，并在某歼击机上得 到应用。
钛合金组织类型的工程化定义
近型合金
+型合金
近型合金
双态组织及其类型变化 （混合组织）
● 等轴组织＝(α等 + β转) ● 特征： α等轴≤40％ ● 等轴α，有球形、椭圆形、橄榄形、棒锤形、短棒形等多种形态
钛合金组织类型的工程化定义
破碎晶界
1200 1000
Ti-62222S TC21 TC4
8.00E-04 6.00E-04
800
4.00E-04
2.00E-04 600
0.00E+00
400
1 2 3 4 σb(MPa)
强度
KIC(MPa·m1/2) 断裂韧性
σD(R＝0.1/Kt=1) 疲劳强度
da/dN(△K=33) 裂纹扩展速率
✓成分决定了合金类型
✓工艺决定了组织类型
✓组织决定了性能
钛合金组织参数(D、d、b、)对性能的影响关系
钛合金组织类型的工程化定义
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
国外一般分类
钛合金组织类型的工程化定义
普通分类方法
国内普通分类
(1) 片层组织；(2) 过渡组织 (3) 球状组织
钛合金组织与性能的一般关系
问题：钛合金的普通组织类型，均难以满足综合高性能的要求
钛合金组织控制技术，实现综合高性能目标
综合高性能
1、基本要求：强韧性匹配、强塑性匹配 2、使用要求：高疲劳性能与损伤容限性能匹配、疲劳性能 与蠕变－持久性能匹配 3、加工要求：热工艺简单易行、加工成形性能优异（如焊 接性能、超塑成形性能等） 4、其它综合性能：低的缺口敏感性、良好的耐环境稳定性、 抗应力腐蚀与抗氢脆能力、
钛合金组织类型的工程化定义
钛合金组织与性能的一般关系
钛合金组织与拉伸性能的关系
拉伸性能：退火（片层）组织塑性最差、 双态最好、 加
工（网篮）组织各向异性大
钛合金组织与断裂韧性关系
断裂韧度KIC：
退火组织较高、 双态居中、 加工组织最高
钛合金组织特征与da/dN性能关系
da/dN : 退火组织最低、 加工组织居中、双态最差
钛合金材料组织性能关系
提纲
1 钛合金成分－工艺－组织－性能四要素 2 钛合金组织类型的工程化定义 3 钛合金组织与性能的一般关系 4 钛合金组织控制技术，实现综合高性能目标 5 几个研究热点问题 6 结语：存在的主要差距与建议
钛合金成分-工艺-组织-性能四要素
钛合金成分、工艺、组织和性能四要素
TC4-DT钛合金大量应用于我国新一代飞机安全寿命级关键承力部件上
与美国Ti-6Al-4V ELI合金对比
美国F-22飞机和C-17等大型运输机上也大量采用了普通退 火态的Ti6Al4V ELI损伤容限钛合金，在其它性能相当的情况 下，TC4-DT钛合金采用准热处理可得到较高的塑性与疲劳 性能（以满足我国飞机设计需求）。
断续晶界
网篮组织及其类型变化
● 网篮组织＝β转（变形的） ● 特征： α等轴＝0％
● β转（变形的） 具网篮编制状为主要特征
大块
钛合金组织类型的工程化定义
粗大片层
典型片层 片层组织及其类型变化
针状细小 （魏氏组织）
● 片层组织＝β转（不变形的） ● 特征： α等轴＝0％
● β转（不变形的） 以片层状为主要特征，片层厚度不同，形态不同（6级）
（二）对中等强度钛合金，采用钛合金 准热处理工艺，获得高塑性片层组织， 也是实现综合高性能目标的有效途径
例子：中强高损伤容限型TC4-DT钛合金
621所
采用新型“钛合金准热处理工艺”(专利号ZL 2.3)，解决了：(1) 片层组织塑性低；(2) 复杂截面特大型锻件组织性能均匀性； (3) 普通热处理在实际生产控制难等技术关键。
钛合金组织与疲劳性能关系
疲劳强度：
退火(片层)组织居中、 双 态最好、 加工(网篮)组织
各向异性大
原始β晶粒尺寸与钛合金性能匹配关系
随着β晶粒的增大，合金的断裂韧性和屈服强度逐渐降低
Microstructures A>B>C
强韧性匹配：退火组织只提高强度时，塑性与韧性大为降低
使用性能：晶粒粗大时，强度与韧性变化不大，但塑性与疲劳强 度却大为降低
α相含量与钛合金拉伸性能的关系
随着初生相含量的增加，合金的抗拉强度和屈服强度 变化只有50MPa，而延伸率和断面收缩率则迅速增加。
α相含量与钛合金强韧性匹配关系
时效温度对Ti-10V-2Fe-3Al合金力学性能与次生尺寸的影响
随着次生α相的片层厚度的增加，合金的强度下降比较明显， 而塑性和断裂韧性获得了较大幅度的增加。
(1) 等轴组织；(2) 混合组织； (3) 网篮组织；(4) 魏氏组织
钛合金组织类型的工程化定义
适合工程应用 的分类
1、等轴组织
２、网篮组织
３、双态组织
4、片层组织
钛合金组织类型的工程化定义
近型合金
+型合金
近型合金
等轴组织及其类型变化
● 等轴组织＝(α等 + β转) ● 特征： α等轴≥40％以上
ຫໍສະໝຸດ Baidu
（一）对高强度钛合金，采用钛合金准 锻造工艺，获得高塑性网篮组织，是实 现综合高性能目标的有效途径
例子1：高强韧损伤容限型TC21钛合金
621所
采用新型“准锻造工艺” (授权发明专利: ZL 01131237.8)，控制复杂、变截面、大尺寸整体 航空锻件的网篮组织均匀性，获得了具有高强、 高韧、高疲劳性能和低da/dN的综合性能。
（三）对高温钛合金，采用钛合金近锻造 工艺，可获得高温综合性能好的双态组织
例子：发动机用TC11和TC17高温钛合金
西北工业大学
℃
近β锻造
15
β
相转变点
α
α+β
TC11
钛合金二元相图示意
Ti β稳定元素含量（%）
TC17
近锻造工艺即在相变点以下15℃加热锻造，并控制锻后冷 却方式等得到的双态组织（或三态组织）具有良好的蠕变和 持久性能的综合匹配
1
TC21钛合金相比美Ti62222S钛合金具有更加优异的综合性能匹配
例子2：高强韧TC18(BT22)钛合金
TC18钛合金是我国大型运输机大量选用的高强韧钛合金， 也采用新型“准锻造工艺” ，获得了高性能综合匹配。
例子3：中强度TC6(BT31)钛合金
TC6钛合金是普遍应用的中强度钛合金，采用新型“准锻 造工艺” ，也获得了高性能综合性能，并在某歼击机上得 到应用。