王新南，费 跃，刘 洲，商国强，李 军，祝力伟，朱知寿

(北京航空材料研究院，北京 100095)

航空用新型低成本钛合金显微组织与损伤容限性能关系研究

王新南，费 跃，刘 洲，商国强，李 军，祝力伟，朱知寿

(北京航空材料研究院，北京 100095)

利用扫描电镜对某新型航空用Ti-Al-Mo-Cr-Zr系低成本钛合金的双态组织、片层组织及网篮组织3种典型显微组织特征和裂纹扩展过程进行了观察和分析，并对具有不同类型显微组织的合金进行了拉伸、断裂性能和疲劳性能的检测。结果表明:该新型Ti-Al-Mo-Cr-Zr系高性能低成本钛合金在不同显微组织下均具有良好的强度—塑性—韧性—疲劳性能的匹配。其中，双态组织的该合金具有最高的强度和塑性，但损伤容限性能较低(断裂韧性稍低，疲劳裂纹扩展速率高);网篮组织的该合金具有良好的断裂韧性和疲劳强度，疲劳裂纹扩展速率与双态组织的水平相当;片层组织的该合金具有最为优异的损伤容限性能(最低的疲劳裂纹扩展速率和最高的断裂韧性)，但疲劳极限、强度和塑性稍低于双态组织和网篮组织的该合金。

钛合金;低成本;显微组织;损伤容限性能

1 前言

近年来，随着新一代航空航天飞行器大量采用钛合金来满足其高减重、长寿命和低成本的设计与应用要求［1－3］，如何降低钛合金的材料成本、制造成本和全寿命使用成本已成为当前面临的重要问题。国内外一般采用以较为廉价的合金元素代替昂贵的合金元素或降低钛合金的加工制造成本这两种方法来降低钛合金的成本［4－7］。但目前国内外低成本钛合金主要应用在综合性能要求不高的汽车、兵器和体育等民用或非航空领域，至今仍没有应用在对综合性能(高断裂韧性、低疲劳裂纹扩展速率、高疲劳性能等)要求较高的航空领域。为此，北京航空材料研究院采用低成本合金化和综合强韧化技术，成功研制出一种具有我国自主知识产权的、综合性能较好的 Ti-Al-Mo-Cr-Zr系低成本钛合金［3－4］。该合金成本低，且具有良好的强度—塑性—韧性匹配和优异的抗疲劳性能［3］，可满足航空关键承力构件的应用。

针对北京航空材料研究院研制的该新型 Ti-Al-Mo-Cr-Zr系航空用低成本钛合金，研究了双态组织、片层组织及网篮组织3种典型显微组织对力学性能，特别是损伤容限性能(断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率等)的影响规律，为其应用提供理论基础和试验依据。

2 实验

针对该新型 Ti-Al-Mo-Cr-Zr系低成本钛合金，分别采用两相区锻造+普通退火、两相区锻造+准β退火、准β锻造+普通退火工艺获得了典型的双态组织、片层组织和网篮组织，考察了该合金这3种不同类型显微组织的拉伸性能、断裂韧性、疲劳裂纹扩展速率和高周疲劳性能，研究了显微组织的类型对该合金作为飞机结构件的关键性能，如强度、塑性、韧性、疲劳性能等的影响规律。

实验采用JSM－5600LV型扫描电子显微镜对显微组织和断口进行了观察，利用INSTRON 5887型电子万能试验机测试合金的室温拉伸性能，利用MTS810型热机疲劳试验机测试该合金的断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率，利用QBG－50KN型高频疲劳试验机测试光滑试样的高周疲劳极限。

3 结果与分析

3.1 典型显微组织特征

通过不同热工艺试制的该新型低成本钛合金的3种典型显微组织形貌如图1所示。其中，双态组织中的等轴状初生α相含量约40%(见图1a);片层组织中的β晶界完整清晰，晶内α相呈细片状排列(见图1b);网篮组织的β晶界破碎，晶内α相呈短棒状交错分布，编织成网篮状结构(见图1c)。

图1 新型低成本钛合金的典型显微组织Fig.1 The typical microstructures of the new low cost titanium alloy

3.2 不同显微组织对强度与塑性的影响

表1为新型低成本钛合金不同显微组织的室温拉伸性能。从表1可以看出，显微组织为双态组织的该合金强度和塑性最好，网篮组织次之，片层组织性能稍差。造成其拉伸性能差异的原因主要与变形机理有关，双态组织具有较短的滑移间距，片层组织具有较大的垂直滑移间距，而网篮组织则介于两者之间。

表1 新型低成本钛合金不同显微组织的室温拉伸性能Table 1 Room-temperature tensile properties of new titanium alloy with different microstructure types

3.3 不同显微组织对损伤容限性能的影响

表2为新型低成本钛合金不同显微组织的损伤容限性能。

表2 新型低成本钛合金不同显微组织的损伤容限性能Table 2 Damage-tolerance properties of new titanium alloy with different microstructure types

从表2可以看出，3种不同类型显微组织的新型钛合金均具有较高的断裂韧性，其中，双态组织的断裂韧性最低，但也达到了60 MPa·m1/2，片层组织的断裂韧性最高，达到了119 MPa·m1/2，这是由于片状组织中α片层集束的不同取向阻碍了裂纹扩展，当裂纹穿越束界时改变方向，导致裂纹分叉和二次裂纹萌生，这些过程需消耗更多的能量，导致断裂韧性提高;而双态组织裂纹扩展途径平直，分支少，裂纹在扩展过程中无需很多能量，导致断裂韧性较低。

从表2还可以看出，3种不同类型显微组织的钛合金均具有优异的抗高周疲劳性能，疲劳极限均高于700 MPa，且显微组织为双态组织和网篮组织的高周疲劳极限水平相当，为片层组织的略低。钛合金的高周疲劳性能主要与显微组织对裂纹萌生密切相关，通常组织越细小、初生α相比例越大，裂纹萌生抗力越大，高周疲劳极限越高。双态组织含有一定数量的初生α相，增加了裂纹萌生抗力;网篮组织具有组织细密、短棒状α相短小的特点，在位错滑移方面有所补偿，因此其裂纹萌生抗力与双态组织相当。

从表2还可知，显微组织为片层组织的该低成本钛合金具有最低的疲劳裂纹扩展速率，而为双态组织和网篮组织的疲劳裂纹扩展速率相当。组织类型不同的钛合金的疲劳裂纹扩展速率曲线如图2所示，可以看出，在低速扩展区网篮组织的扩展速率低于双态组织，在中速扩展区双态组织和网篮组织疲劳裂纹扩展速率差别不大，而片层组织的疲劳裂纹扩展速率远低于双态组织和网篮组织。疲劳裂纹扩展速率主要与显微组织对疲劳裂纹扩展抗力的影响有关，通常组织越粗大，裂纹扩展抗力越大，疲劳裂纹扩展速率越低，因此片层组织具有最低的疲劳裂纹扩展速率。

图2 新型低成本钛合金不同显微组织的疲劳裂纹扩展速率Fig.2 Fatigue crack propagation rate of new titanium alloy with different microstructure types

3.4 不同显微组织的断口分析

图3为新型低成本钛合金不同显微组织的疲劳裂纹扩展试样的断口宏观形貌。相比之下，片层组织试样的断口表面粗糙程度最大，双态组织试样的断口表面最为平滑细腻，而网篮组织试样的断口表面粗糙度居中。根据 V.Sinha等人［8］的研究结果，在应力比较低(R=0.1)的情况下，裂纹表面粗糙度增加了裂纹扩展初期的裂纹闭合效应，降低了长裂纹的扩展速率。同时，试样断面的粗糙程度也间接地反映了疲劳裂纹扩展路径的曲折程度。由图3可知，片层组织试样表面颗粒感最强，表面积也最大，裂纹扩展路径最为曲折，扩展长度最长，也就是说其扩展穿越了更多的组织，必然消耗更多的能量，减缓了裂纹扩展速度。

图3 新型低成本钛合金不同显微组织的疲劳裂纹扩展试样断口Fig.3 Macroscopic features of fatigue crack propagation of new titanium alloy with different microstructure types

图4为新型低成本钛合金不同显微组织的疲劳裂纹扩展试样断口的微观形貌。从图4可以看出，裂纹萌生扩展初期，片层组织试样的疲劳台阶、扩展棱线最为明显，网篮组织试样次之，而双态组织试样的疲劳台阶则不明显，扩展棱线非常细小，上述特征与图2中疲劳裂纹扩展速率曲线前段趋势相对应。网篮组织试样裂纹扩展初期断面较双态组织粗糙，可见类似条束状特征，扩展中后期微观特征与双态组织试样比较接近，中期呈细小河流花样扩展，扩展棱线不明显，可见疲劳条带;随着扩展速率的加快，后期河流花样逐渐消失，疲劳条带逐渐变宽，出现二次裂纹，并逐渐可见韧窝特征。片层组织扩展中期可见颗粒状表面，表面疲劳条带切过片层条束，可见较多二次裂纹;后期平面特征逐渐消失，可见明显的疲劳条带和大量二次裂纹。对于片层组织，疲劳裂纹扩展路径比较曲折，主要以垂直和平行于片状α相的长轴方向扩展。穿越片状α相需要消耗更多的能量，同时二次裂纹的产生，使得裂纹前沿的应力集中程度减弱，消耗了大量的应变能，对于延迟主裂纹的扩展有益。

图4 新型低成本钛合金3种典型的显微组织的疲劳裂纹扩展试样断口微观形貌(a)(e)(i)源区形貌;(b)(f)(j)扩展前期;(c)(g)(k)扩展中期;(d)(h)(l)扩展后期Fig.4 Microscopic features of fatigue crack propagation with different microstructure types

4 结论

北京航空材料研究院研制的该新型Ti-Al-Mo-Cr-Zr系航空用高性能低成本钛合金3种不同的显微组织均具有良好的强度—塑性—韧性—疲劳性能匹配。其中，片层组织具有最为优异的损伤容限性能(最低的疲劳裂纹扩展速率和最高的断裂韧性);双态组织具有最高的强度和塑性，但损伤容限性能较低(断裂韧性稍低，疲劳裂纹扩展速率高);网篮组织具有良好的断裂韧性和疲劳性能，疲劳裂纹扩展速率与双态组织水平相当。

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Research of the Relationship Between Microstructure and Damage-Tolerance Property of New Low Cost Titanium Alloy in Aviation Applications

Wang Xinnan，Fei Yue，Liu Zhou，Shang Guoqiang，Li Jun，Zhu Liwei，Zhu Zhishou
(Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China)

The typical microstructure characteristics and the crack propagation process of a new kind of low cost Ti-Al-Mo-Cr-Zr system titanium alloy in aviation applications were observed and analyzed by scanning electron microscopy(SEM).The tensile，toughness and fatigue properties of the new alloy under different microstructure types were detected.The results show that the new kind of low cost Ti-Al-Mo-Cr-Zr system titanium alloy has good strength-plastictoughness-fatigue properties matching under different microstructure types.The titanium alloy of bi-modal structure has the highest strength and ductility，but has the slowest damage-tolerance property.And basket structure has higher toughness property and fatigue limit，of which the fatigue crack propagation rate has the same level of bi-modal structure，lamellar structure has the highest damage-tolerance property，of which the fatigue limit，strength and ductility is lower than bi-modal and basket structure.

titanium alloy;low cost;microstructure;damage-tolerance properties

2013－01－27

王新南(1980—)，女，工程师。