钛合金材料组织性能关系
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中航工业
例子：中强高损伤容限型TC4-DT钛合金
航材院 621所
采用新型“钛合金准热处理工艺”(专利号ZL 2004 10090864.3)， 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。
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
3. 工程化技术研究方面：
（1）应加强大尺寸/薄细构件等复杂结构的组织均匀性与织 构控制研究，以及机理研究。
（2）加强综合性能与工艺稳定性控制研究等。
中航工业
航材院
谢谢 敬请指导
中航工业
KIC MPam0.5
74.3 71.2 76.1 76.8 ≥60
中航工业
例子3：中强度TC6(BT31)钛合金
航材院
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。
锻取 造向
L α +T β
L 准 βT
b MPa
1080~ 1110 1105~ 1120
da/dN : 退火组织最低、 加工组织居中、双态最差
中航工业
钛合金组织与疲劳性能关系
航材院
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 中航工业
航材院
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 中航工业
航材院
Microstructures A>B>C
钛合金组织与性能的一般关系
中航工业
钛合金组织与拉伸性能的关系
航材院
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
中航工业
钛合金组织与断裂韧性关系
航材院
断裂韧度KIC：
退火组织较高、 双态居中、 加工组织最高 中航工业
钛合金组织特征与da/dN性能关系
航材院
中航工业
例子1：高强韧损伤容限型TC21钛合金
航材院
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。
中航工业
航材院 1200
1000
Ti-62222S TC21 TC4
航材院
时效温度对Ti-10V-2Fe-3Al合金力学性能与次生尺寸的影响
热处理制度
760℃/2h WQ +480℃/8hAC
760℃/2h WQ +520℃/8hAC
760℃/2h WQ +540℃/8hAC
760℃/2h WQ +580℃/8hAC
760℃/2h WQ +620℃/8hAC
σb(MPa) 1448 1245 1222 1048 1018
航材院
✓新工艺的组织与性能
超细化工艺：大塑性变形（SPD）—高压扭转变形(HPT)、 等通道挤压（ECAP）等，热氢处理(THT)、 循环热处理(CHT)、 其它热机械处理等
纯钛经多次累计SPD变形后的细化与强化效应（D. Terada，Japan）
中航工业
结语
航材院
存在的主要差距与建议
1. 基础研究方面：虽然钛合金的组织与性能关系研究热点多， 但对组织设计与演变模拟等的基础研究不够。
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
(1) 等轴组织；(2) 混合组织； (3) 网篮组织；(4) 魏氏组织
中航工业
航材院
适合工程应用 的分类
钛合金组织类型的工程化定义
1、等轴组织
２、网篮组织
３、双态组织
4、片层组织
中航工业
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。
中航工业
钛合金组织与性能的一般关系
航材院
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 中航工业
航材院
钛合金组织控制技术，实现综合高性能目标
中航工业
航材院
综合高性能
1、基本要求：强韧性匹配、强塑性匹配
钛合金材料组织性能关系
报告人：朱知寿 中航工业北京航空材料研究院
2009年11月29日
航材院
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
中航工业
大块 中航工业
钛合金组织类型的工程化定义
航材院
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）
中航工业
钛合金组织类型的工程化定义
航材院
中航工业
航材院
强韧性匹配：退火组织只提高强度时，塑性与韧性大中为航降工低业
航材院
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 中航工业
α相含量与钛合金拉伸性能的关系
航材院
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。
中航工业
α相含量与钛合金强韧性匹配关系
2. 应用基础研究方面：
（1）以“表象” 或基本性能研究为主，应加强新材料与新 工艺使用性能研究，并与实际应用挂钩。
（2）综合高性能要求下的组织参数设计与控制研究不多，追 求单一高性能的组织-性能关系研究较多（如极端条件或极限 性能研究）。
（3）加强特种加工工艺条件下（如激光成形、特种焊接、爆 炸复合等）的组织性能关系研究，建立相应规范与标准。
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、
中航工业
航材院
（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
中航工业
与美国Ti-6Al-4V ELI合金对比
航材院
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）。
中航工业
航材院
（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
航材院
钛合金成分-工艺-组织-性能四要素
中航工业
航材院
钛合金成分、工艺、组织和性能四要素
中航工业
航材院
✓成分决定了合金类型
中航工业
✓工艺决定了组织类型
航材院
中航工业
✓组织决定了性能
航材院
钛合金组织参数(D、d、b、)对性能的影响关系
中航工业
航材院
钛合金组织类型的工程化定义
中航工业
航材院
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
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
中航工业
航材院
斑可以在许多钛合金中存在
Ti1023锻件
TC18（BT22）锻件
SP700棒材 中航工业
航材院
斑对性能的影响
β斑对Ti-10-2-3钛合金塑性和低周疲劳性能的影响 中航工业
航材院
如何控制斑
生产时控制： （1） 合金化控制：避免Fe等元素的添加 （2） 成分均匀性控制：布料均匀、熔化与凝固速率 （3） 加热控制：锻造或热处理时在相变点上或下 50C以上加热变形
中航工业
例子2：高强韧TC18(BT22)钛合金
航材院
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。
取向
L L 指标
b MPa
1120 1125 1154 1176 ≥1080
0.2 5 MPa % %
1075 14 40 1080 13 33 1117 14.2 40.8 1138 12.4 49.1 ≥1010 ≥8 ≥20
应用时控制： 属于冶金缺陷：β斑超标时应整炉报废（依据标准）
中航工业
航材院
✓织构控制与性能
晶体学织构：主要影响力学性能各向异性、疲劳与腐蚀行为等
发展现状：X-射线（极图、ODF），SEM（EBSD），TEM等
取向与疲劳裂纹形成关系 （F. Bridier，France）
相的ND取向图（621所、北工大） (钛合金准锻造大块相形成机理)
● 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
中航工业
钛合金组织类型的工程化定义
航材院
破碎晶界
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
钛合金组织类型的工程化定义
航材院
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
● 等轴α，有球形、椭圆形、橄榄形、棒锤形、短棒形等多种形态
中航工业
钛合金组织类型的工程化定义
航材院
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）
中航工业
航材院
✓新材料组织与性能
Ti5553：代替BT22与Ti1023因有斑等而用在B787上
B787飞机起落架梁 （V. Vladislav）
低倍×1
高倍×200
中航工业
航材院
✓新材料组织与性能
GUM合金：超高强度、低弹性模量，合金化及强化机理研究
日本丰田公司研制的GUM钛合金特性
中航工业
σ0.2(MPa) 1373 1188 1170 1018 986
δ5(%) 3.8 10.3 11.6 17.3 20.0
Ψ(%) KIC(MPa∙m1/2) s厚度
8.1
37.3
0.05μm
26.8
58.9
0.08μm
33.5
63.7
0.10μm
53.6
99.8
0.15μm
62.9
97.7
0.20μm
中航工业
例子：发动机用TC11和TC17高温钛合金
航材院
西北工业大学
℃
β
近β锻造
15
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
中航工业
航材院
1035~ 1095 1075~ 1100
5 % 14~18
12~15
KIC
% MPam0.5
45~49 55~63百度文库
34~37
da/dN x10-4
11.2
D MPa
566
14~17 16~18
35~47 38~42
75~95
7.4 650
中航工业
航材院
（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
（四）对钛合金大规格棒材，采用钛合金铸 锭与坯料的镦拔工艺，希望获得力学性能与 超声波探伤缺陷可检性等均好的等轴组织
中航工业
航材院
几个研究热点
✓斑点冶金缺陷控制 ✓织构 ✓新材料组织性能 ✓新工艺组织性能
中航工业
航材院
✓斑冶金缺陷研究
定义：α相（等轴或条状）含量少于基体的20%一种冶金缺陷 特征：低倍一般显亮点，也有黑点，高倍显黑斑，硬度稍高 形成原因：Fe偏析，其它含Mo、Cr、Mn等共析元素偏析
例子：中强高损伤容限型TC4-DT钛合金
航材院 621所
采用新型“钛合金准热处理工艺”(专利号ZL 2004 10090864.3)， 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。
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
3. 工程化技术研究方面：
（1）应加强大尺寸/薄细构件等复杂结构的组织均匀性与织 构控制研究，以及机理研究。
（2）加强综合性能与工艺稳定性控制研究等。
中航工业
航材院
谢谢 敬请指导
中航工业
KIC MPam0.5
74.3 71.2 76.1 76.8 ≥60
中航工业
例子3：中强度TC6(BT31)钛合金
航材院
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。
锻取 造向
L α +T β
L 准 βT
b MPa
1080~ 1110 1105~ 1120
da/dN : 退火组织最低、 加工组织居中、双态最差
中航工业
钛合金组织与疲劳性能关系
航材院
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 中航工业
航材院
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 中航工业
航材院
Microstructures A>B>C
钛合金组织与性能的一般关系
中航工业
钛合金组织与拉伸性能的关系
航材院
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
中航工业
钛合金组织与断裂韧性关系
航材院
断裂韧度KIC：
退火组织较高、 双态居中、 加工组织最高 中航工业
钛合金组织特征与da/dN性能关系
航材院
中航工业
例子1：高强韧损伤容限型TC21钛合金
航材院
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。
中航工业
航材院 1200
1000
Ti-62222S TC21 TC4
航材院
时效温度对Ti-10V-2Fe-3Al合金力学性能与次生尺寸的影响
热处理制度
760℃/2h WQ +480℃/8hAC
760℃/2h WQ +520℃/8hAC
760℃/2h WQ +540℃/8hAC
760℃/2h WQ +580℃/8hAC
760℃/2h WQ +620℃/8hAC
σb(MPa) 1448 1245 1222 1048 1018
航材院
✓新工艺的组织与性能
超细化工艺：大塑性变形（SPD）—高压扭转变形(HPT)、 等通道挤压（ECAP）等，热氢处理(THT)、 循环热处理(CHT)、 其它热机械处理等
纯钛经多次累计SPD变形后的细化与强化效应（D. Terada，Japan）
中航工业
结语
航材院
存在的主要差距与建议
1. 基础研究方面：虽然钛合金的组织与性能关系研究热点多， 但对组织设计与演变模拟等的基础研究不够。
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
(1) 等轴组织；(2) 混合组织； (3) 网篮组织；(4) 魏氏组织
中航工业
航材院
适合工程应用 的分类
钛合金组织类型的工程化定义
1、等轴组织
２、网篮组织
３、双态组织
4、片层组织
中航工业
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。
中航工业
钛合金组织与性能的一般关系
航材院
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 中航工业
航材院
钛合金组织控制技术，实现综合高性能目标
中航工业
航材院
综合高性能
1、基本要求：强韧性匹配、强塑性匹配
钛合金材料组织性能关系
报告人：朱知寿 中航工业北京航空材料研究院
2009年11月29日
航材院
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
中航工业
大块 中航工业
钛合金组织类型的工程化定义
航材院
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）
中航工业
钛合金组织类型的工程化定义
航材院
中航工业
航材院
强韧性匹配：退火组织只提高强度时，塑性与韧性大中为航降工低业
航材院
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 中航工业
α相含量与钛合金拉伸性能的关系
航材院
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。
中航工业
α相含量与钛合金强韧性匹配关系
2. 应用基础研究方面：
（1）以“表象” 或基本性能研究为主，应加强新材料与新 工艺使用性能研究，并与实际应用挂钩。
（2）综合高性能要求下的组织参数设计与控制研究不多，追 求单一高性能的组织-性能关系研究较多（如极端条件或极限 性能研究）。
（3）加强特种加工工艺条件下（如激光成形、特种焊接、爆 炸复合等）的组织性能关系研究，建立相应规范与标准。
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、
中航工业
航材院
（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
中航工业
与美国Ti-6Al-4V ELI合金对比
航材院
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）。
中航工业
航材院
（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
航材院
钛合金成分-工艺-组织-性能四要素
中航工业
航材院
钛合金成分、工艺、组织和性能四要素
中航工业
航材院
✓成分决定了合金类型
中航工业
✓工艺决定了组织类型
航材院
中航工业
✓组织决定了性能
航材院
钛合金组织参数(D、d、b、)对性能的影响关系
中航工业
航材院
钛合金组织类型的工程化定义
中航工业
航材院
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
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
中航工业
航材院
斑可以在许多钛合金中存在
Ti1023锻件
TC18（BT22）锻件
SP700棒材 中航工业
航材院
斑对性能的影响
β斑对Ti-10-2-3钛合金塑性和低周疲劳性能的影响 中航工业
航材院
如何控制斑
生产时控制： （1） 合金化控制：避免Fe等元素的添加 （2） 成分均匀性控制：布料均匀、熔化与凝固速率 （3） 加热控制：锻造或热处理时在相变点上或下 50C以上加热变形
中航工业
例子2：高强韧TC18(BT22)钛合金
航材院
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。
取向
L L 指标
b MPa
1120 1125 1154 1176 ≥1080
0.2 5 MPa % %
1075 14 40 1080 13 33 1117 14.2 40.8 1138 12.4 49.1 ≥1010 ≥8 ≥20
应用时控制： 属于冶金缺陷：β斑超标时应整炉报废（依据标准）
中航工业
航材院
✓织构控制与性能
晶体学织构：主要影响力学性能各向异性、疲劳与腐蚀行为等
发展现状：X-射线（极图、ODF），SEM（EBSD），TEM等
取向与疲劳裂纹形成关系 （F. Bridier，France）
相的ND取向图（621所、北工大） (钛合金准锻造大块相形成机理)
● 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
中航工业
钛合金组织类型的工程化定义
航材院
破碎晶界
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
钛合金组织类型的工程化定义
航材院
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
● 等轴α，有球形、椭圆形、橄榄形、棒锤形、短棒形等多种形态
中航工业
钛合金组织类型的工程化定义
航材院
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）
中航工业
航材院
✓新材料组织与性能
Ti5553：代替BT22与Ti1023因有斑等而用在B787上
B787飞机起落架梁 （V. Vladislav）
低倍×1
高倍×200
中航工业
航材院
✓新材料组织与性能
GUM合金：超高强度、低弹性模量，合金化及强化机理研究
日本丰田公司研制的GUM钛合金特性
中航工业
σ0.2(MPa) 1373 1188 1170 1018 986
δ5(%) 3.8 10.3 11.6 17.3 20.0
Ψ(%) KIC(MPa∙m1/2) s厚度
8.1
37.3
0.05μm
26.8
58.9
0.08μm
33.5
63.7
0.10μm
53.6
99.8
0.15μm
62.9
97.7
0.20μm
中航工业
例子：发动机用TC11和TC17高温钛合金
航材院
西北工业大学
℃
β
近β锻造
15
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
中航工业
航材院
1035~ 1095 1075~ 1100
5 % 14~18
12~15
KIC
% MPam0.5
45~49 55~63百度文库
34~37
da/dN x10-4
11.2
D MPa
566
14~17 16~18
35~47 38~42
75~95
7.4 650
中航工业
航材院
（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
（四）对钛合金大规格棒材，采用钛合金铸 锭与坯料的镦拔工艺，希望获得力学性能与 超声波探伤缺陷可检性等均好的等轴组织
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几个研究热点
✓斑点冶金缺陷控制 ✓织构 ✓新材料组织性能 ✓新工艺组织性能
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✓斑冶金缺陷研究
定义：α相（等轴或条状）含量少于基体的20%一种冶金缺陷 特征：低倍一般显亮点，也有黑点，高倍显黑斑，硬度稍高 形成原因：Fe偏析，其它含Mo、Cr、Mn等共析元素偏析