钛合金超塑板制备研究进展

王小翔

(宝钛集团有限公司，陕西 宝鸡 721014)

综合评述

钛合金超塑板制备研究进展

王小翔

(宝钛集团有限公司，陕西 宝鸡 721014)

超塑成形/扩散连接(SPF/DB)技术为钛合金在航空航天领域的应用打开了一条通道，该技术的发展也对所需的钛合金超塑板提出了更高的要求。介绍了国内外在TC4钛合金超塑板、新型钛合金低温超塑板和新型短时高温钛合金超塑板方面的研究进展。指出，我国经过三十多年的持续技术攻关和应用经验积累，钛合金超塑板的生产技术水平基本与国际先进水平同步，尤其是自主研发的特种轧制技术，能够有效控制钛合金超塑性板材的晶粒度和各向异性，保证后续SPF/DB工艺的需要。最后对我国钛材研发企业提出了几点建议，指出了未来钛合金超塑板研究的工作重点。

钛合金板；超塑成形；细晶；各向异性

0 引 言

钛合金具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等优点，是理想的航空航天材料。但由于屈强比高、弹性模量低，在成形过程中容易出现开裂、弹性回跳大等问题，曾影响了其在航空工业中的应用进程。20世纪70年代，英、美等钛工业发达国家成功研究开发了钛合金超塑成形/扩散连接(SPF/DB)技术，实现了航空航天工艺技术的重大突破。从最早的钛合金SPF/DB夹层结构在协和式飞机计划和US B-1计划中得到商业化应用开始，经过四十余年的发展，采用钛合金SPF/DB多层空心结构的机身整体框、梁、壁板、口盖、舱门、机翼、后机身隔热板等部件已在民用及军用飞机上得到成熟应用，减重效果明显。其中，大涵道比涡扇发动机中采用SPF/DB技术成形的Ti-6Al-4V合金宽弦空心风扇叶片，代表了钛合金SPF/DB技术发展应用的最高水平[1-3]。

钛合金超塑性板材作为钛合金SPF/DB技术所需的主要材料类型，其生产技术也伴随着SPF/DB技术的发展而不断提高。我国在20世纪80年代开展了TC4钛合金超塑板的研制和相关的应用研究工作，经过不断的技术攻关和技术改造，实现了TC4钛合金超塑板的批量稳定生产和成熟应用。超塑成形技术未来发展趋势之一是更加注重大型复杂整体结构件成形和低成本高效率成形工艺，这也对钛合金超塑板提出了更高的质量和性能要求[4-5]。近年来，国内骨干钛合金科研企业紧密跟踪国内外钛合金超塑板技术发展趋势和市场需求，开展了相关的研究工作，并取得了阶段性研究成果，研制的部分产品也得到了工程应用。本文介绍国内外钛合金超塑板的研究进展，为航空航天设计人员选材提供参考。

1 TC4钛合金超塑板

钛合金超塑板的研究最早是从Ti-6Al-4V合金开始的，并在航空航天领域得到大量应用。为获得细晶组织和控制板材的各向异性，开发出Ti-6Al-4V合金超塑板的等温轧制技术，实现了大的热塑性变形和交叉轧制。国外目前只有俄罗斯的VSMPO、美国的TIMET和RMI三家钛业巨头掌握了该技术，并实现了批量稳定生产，加工的Ti-6Al-4V合金板材的晶粒尺寸可达到5 μm左右。近年来，研究发现，板材晶粒控制在1～2 μm以下，可使成形温度降低200 ℃左右，其中Ti-6Al-4V合金的成形温度可从900～920 ℃降低至775～800 ℃。波音公司利用超细晶(1 μm)Ti-6Al-4V合金板材进行超塑成形，降低了板材的流变应力，使成形温度从900 ℃降低到775 ℃[6-7]。由于成形温度降低，减少了α层的污染，延长了设备寿命。波音公司还在AMS 4911标准基础上，制订了企业标准BMS7-385《超塑成形用细晶6Al-4V钛合金薄板》，以进一步控制超塑成形用Ti-6Al-4V合金薄板的质量。

我国钛合金超塑板的研制始于20世纪90年代初，主要是针对TC4钛合金。经过5年左右的研究，基本掌握了该合金超塑板的加工工艺，成功研制出厚度0.8～4.0 mm的TC4钛合金板，并通过各种超塑性试验，制定了国家军用标准GJB 2921—1997《超塑成形用TC4钛合金板材规范》。在之后的十几年中，国内基本按照此标准进行TC4钛合金超塑板的采购和生产。该类板材的主体工艺是热轧+冷轧加工。1996年开始，国内骨干钛企业为开发国际航空市场，以AMS 4911、MIL-T-9046以及波音和空客的企业标准为研制目标，经过近十年的技术攻关和技术改造，掌握了航空级TC4钛合金薄板的特种轧制技术、真空矫形技术和表面处理技术，并实现了批量稳定生产，产品已出口美国波音公司和法国空客公司等。近年来，在与波音公司的横向科研合作中，又针对其提出的Ti-6Al-4V合金超细晶超塑板(晶粒尺寸要求0.8～3 μm)开展了相关研制工作，成功研制出厚度1.0、2.0 mm的Ti-6Al-4V合金细晶超塑板，晶粒尺寸达到2～3 μm。经过各项测试，该合金薄板满足BMS7-385标准要求。

针对航空工业的发展需求，国内还开展了宽幅TC4钛合金超塑板的研制，已成功研制出(0.8～3.0)mm×(1 300～1 500)mm×L的宽幅TC4钛合金板材，平均晶粒尺寸控制在5 μm左右，纵横向室温强度差异也控制在50 MPa以内。同时还研制出厚度0.4～0.5 mm的TC4钛合金超塑板，并实现了批量供货。

2 新型钛合金低温超塑板

通过增加β相稳定元素或加入共析型元素(提高β相的扩散能力)的方法开发新型钛合金，可有效降低超塑成形温度。近些年，国际上开发成功并获得应用的超塑钛合金主要为SP-700和BT23。

2.1 SP-700钛合金超塑板

SP-700是一种新型富β相的α+β两相钛合金，名义成分为Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe。该合金是1989年由NKK公司研制，1995年开始在汽车零部件及体育用品领域批量生产，2001年被指定为航空航天用金属材料，并列入美国宇航材料标准AMS4899。与TC4钛合金相比，SP-700钛合金具有更高的强度和塑性，更优异的疲劳性能，更好的冷、热加工性，冷加工率可达到70%。合金能够在很宽的时间和温度范围内热处理，获得非常细小均匀的组织，从而具有优良的综合力学性能，在770～ 800 ℃呈现超塑性,延伸率高达2 000%。该合金超塑成形温度比Ti-6Al-4V合金低140 ℃,可取代Ti-6Al-4V合金用SPF/DB技术制造各种航空航天结构件，如在美国航空航天飞机制造中，SP-700钛合金作为机体材料应用在波音声速巡航机(BoingSonicCruiser)上[8]。

我国在1999年开展了SP-700钛合金的研制，经过多年技术攻关，掌握了该合金大型铸锭熔炼成分均匀性控制、板材特种轧制、热处理-显微组织-力学性能匹配等关键技术，实现了该合金薄板的工业化稳定生产。近年来，又针对航空工业的需求，开展了该合金细晶超塑板的研制，成功研制出(0.6～3.0)mm×1 000mm×(2 000～3 000)mm规格板材，晶粒尺寸1～2μm。该薄板的实测力学性能(见表1)达到了AMS4899标准要求。图1为我国研制的SP-700钛合金薄板的显微组织。

表1 SP-700钛合金典型规格板材实测室温拉伸性能

图1 SP-700钛合金薄板的显微组织Fig.1 Microstructure of SP-700 titanium alloy sheet

2.2BT23钛合金超塑板

BT23钛合金名义化学成分为Ti-4.5Al-4.5V-2Mo-1Cr-0.5Fe，是一种中等合金化的α+β钛合金。与SP-700钛合金相比，钼当量、铝当量相当，Fe元素含量减少到0.5%左右，降低了产生Fe元素偏析的风险，同时通过添加Cr元素和提高V含量，弥补了钼当量的损失。由于含有大量的β稳定元素，压力加工时具有高的工艺塑性和显著的时效强化效应。该合金具有高强、高抗裂性和良好的焊接性能，在前苏联时期已被列入航空工业部门OCT标准中进行工业化生产，俄罗斯暴风雪号航天飞机和第五代战斗机(大梁、隔框、蒙皮)等均大量使用了该合金。

我国也开展了BT23钛合金的研制工作，通过对铸锭熔炼工艺、板坯锻造工艺、板材轧制工艺、热处理工艺等进行研究，成功研制出1.0 mm×1 000 mm×2 000 mm的典型规格薄板。经优选的热处理制度处理后，板材的纵向、横向室温拉伸性能达到研制指标要求，平均晶粒尺寸达到1～2 μm。后续将重点开展BT23钛合金超塑性能的研究，以便为未来航空航天用低温超塑性板材的需求提供材料支撑。图2为1.0 mm厚BT23钛合金薄板热处理后的显微组织。

图2 BT23钛合金薄板热处理后的显微组织Fig.2 Microstructure of BT23 titanium alloy sheet after heat treatment

3 新型短时高温钛合金超塑板

近年来，随着我国航天工业的迅猛发展，先进飞行器的研制追求更高的飞行速度和更长的飞行距离，气体热效应造成飞行器壳体的表面温度达到650～700 ℃。为此，国内先后研制开发了新型短时高温钛合金BTi-62421S(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Nb-1Mo-0.1Si，600～650 ℃使用)和BTi-6431S(Ti-6.5Al-3Sn-3Zr-1.3Mo-1.3Nb-1W-0.2Si，650～700 ℃使用)[9]。表2为两种钛合金薄板在不同温度下的拉伸性能。为追求高温热强性，这类合金的合金化程度基本到了近α类钛合金的极限，这在一定程度上牺牲了合金的成形性，因而用常规的热成形工艺只能制作简单的零件。对于航空航天用的翼、舵等典型零件，形状较为复杂，斜面较多，SPF工艺是最好的选择。国内航空航天应用单位开展了BTi-62421S和BTi-6431S钛合金薄板的超塑性研究，通过采用模拟件研究掌握了两种合金的超塑成形工艺，并制作了典型零件，实现了工程应用[10-11]。图4和图5分别为采用超塑成形技术制作的BTi-62421S钛合金舵面模拟件和BTi6431S钛合金盒形件。

表2 BTi-62421S和BTi-6431S钛合金薄板(0.8mm厚)在不同温度下的拉伸性能

图3 超塑成形BTi-62421S钛合金舵面模拟件Fig.3 Superplastic formed BTi-62421S titanium alloy rudder exemplar

图4 超塑成形BTi-6431S钛合金盒形件Fig.4 Superplastic formed BTi-6431S titanium alloy box-shaped piece

4 结束语

我国经过三十多年的持续技术攻关和应用经验积累，使得钛合金超塑板的生产技术水平基本与国际先进水平同步。我国自主研发的特种轧制技术，能够有效控制钛合金超塑性板材的晶粒度和各向异性，保证后续SPF/DB工艺的需要。同时，通过与国际知名航空公司的合作，及时跟踪了解国际钛合金超塑技术最新研究动态和发展趋势，有针对性地开展了新型钛合金低温超塑板研究，为我国SPF/DB技术的推广应用奠定良好的材料基础。但是钛合金超塑板生产科研方面依然存在一些问题，需要深入研究和探讨。以下是对我国钛材料研发企业提出的几点建议和未来钛合金超塑板研究的工作重点。

(1)材料研发企业和应用研究单位应适时推进钛合金超塑板相关国家标准和行业标准的制订、修订工作，以从标准上保持与国际接轨。

(2)材料研发企业应进一步加强与设计单位、应用研究单位的沟通交流，以便掌握国内最新需求信息，同时通报钛合金超塑板最新的研究成果，为选材和推广提供材料支撑。

(3)我国钛合金超塑板中短期的工作重点仍将是围绕TC4钛合金超细晶和宽幅超塑板、新型钛合金低温超塑板和新型短时高温钛合金超塑板的研制和应用研究，以实现低温、高速超塑成形，从而提高超塑成形生产效率，降低生产成本。同时应深入研究细晶超塑性变形机理、热氢加工及超塑性的作用机理等，为超塑性板材加工工艺的持续改进和质量提高，提供理论指导和研发方向。

(4)钛铝化合物(Ti2AlNb、γ-TiAl)超塑板材的开发及应用研究也将是未来的发展方向之一，材料研发企业应在该类新材料的推广应用中发挥关键作用。

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Research Development of Preparation of Superplastic Titanium Alloy Sheet

Wang Xiaoxiang

(Baoti Group Co.,Ltd.,Baoji 721014,China)

Superplastic forming and diffusion bonding (SPF/DB) technology had opened a channel for the application of titanium alloy in the aerospace field, and the development of the technology also put forward higher requirements for the titanium alloy plate. In this paper, the research progress of TC4 titanium alloy superplastic plate, new type titanium alloy low temperature superplastic plate and new type of short time high temperature titanium alloy plastic plate were introduced. It is pointed out that over thirty years of continuous technical research and application experience, the production technology level of titanium alloy superplastic plate in China basically synchronized with the international advanced level, especially the special rolling technology. It could effectively control the grain size and the anisotropy of titanium alloy superplastic sheet, meet the requirements of the subsequent SPF/DB process.

titanium alloy sheet; superplasticity; fine grains; anisotropy

2016-07-16

国防基础科研计划资助

王小翔(1972—)，男，教授级高级工程师。

TG337.6

A

1009-9964(2016)06-0001-04