一、TC21是高強、高韌、高損傷容限型鈦合金

美國最先進(jìn)的第四代戰(zhàn)斗機 F22 鈦合金用量已占飛機結(jié)構(gòu)重量的 41% ，主要采用低間隙 損傷容限型的 Ti-6AI-4V 和 Ti-6-22-22S 兩種合金。其中 3%的結(jié)構(gòu)件采用了 Ti-6-22-22S 合金 。可見其在飛機結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用的重要地位。

與發(fā)達(dá)國家相比 ，我國在鈦合金材料用量與應(yīng)用技術(shù)方面還有較大差距。十五 期間， 我國啟動了高強、 高韌、 高損傷容限型鈦合金的研究計劃 ，以適應(yīng)國際流行的損傷容限設(shè)計的新概念。為此 ，北京航空材料研究院，西北有色金屬研院，西北工業(yè)大學(xué)和紅原航空鍛鑄工業(yè)公司等單位成立了聯(lián)合課題組， 研制成功了新型的高強（強度高于 1100MPa）、高韌（ KIC達(dá) 70 ~90 MPa.m1/2） 、損傷容限型 （較低的裂紋擴(kuò)展速率 da/dN）可焊的 α+ β 兩相鈦合金，命名為 TC21 合金，名義成分為 Ti-6AI-2Zr-2Sn-3Mo-1Cr-2Nb-0.1Si 。

合金設(shè)計的目的是要在斷裂韌性、 裂紋擴(kuò)展抗力、 熱穩(wěn)定性等性能不低于TC4合金條件下， 其強度要比TC4合金高一個等級 ，與美國的Ti-62222S合金相當(dāng)或更好。經(jīng)過對實驗室 中試及工業(yè)規(guī)模的深入研究表明： TC21鈦合金各種力學(xué)性能穩(wěn)定， 具有良好的強度、 塑性、 斷裂性 裂紋擴(kuò)展速率的匹配， 是一種非常有應(yīng)用前景的高強、高韌、損傷容限型結(jié)構(gòu)鈦合金。目前，該合金的應(yīng)用形式主要是棒材 鍛件和厚板 。這種類型鈦合金零件的加工， 大部分需要通過塑性變形的方法來實現(xiàn)。由于鈦合金的比強度很高， 對于大部分類型的鈦合金來說， 其冷塑性變形能力很差，通常需要采取諸如鍛造等高溫?zé)崴苄宰冃蔚臒峒庸すに噷ζ溥M(jìn)行塑性變形加工，TC21鈦合金也不例外。

二 、TC21 鈦合金的微觀組織與性能

合金化、 加工工藝和微觀組織是影響合金性能的三大主要因素 ，而加工工藝對合金性能的影響通常是通過影響其微觀組織來實現(xiàn)的 ，所以在合金成分一定的情況下， 合金的微觀組織便成了影響其性能的主要因素。

在兩相鈦合金的變形過程中， 由于采用的加工方法以及加工條件的不同 ，會使鈦合金顯現(xiàn)出各種各樣的組織形態(tài)， 這些組織的形狀 、大小、 結(jié)構(gòu)以及性能也各不相同。TC21 鈦合金的顯微組織也可分為 4 類， 即魏氏組織、 網(wǎng)籃組織 、雙態(tài)組織和等軸組織， 如上圖 所示 。魏氏組織具有良好的高溫蠕變性能， 但具有最差的塑性、熱穩(wěn)定性和疲勞性能 ;網(wǎng)籃組織和雙態(tài)組織具有良好的綜合力學(xué)性能 ，與雙態(tài)組織相比， 網(wǎng)籃組織具有更好的蠕變性能、 斷裂韌性和疲勞裂紋擴(kuò)展性能，但疲勞性能和熱穩(wěn)定性要差一些 ；等軸組織具有最好的塑性和熱穩(wěn)定性， 但蠕變性能也最低。

三、TC21 鈦合金網(wǎng)籃組織組織參數(shù)與損傷容限性能的研究

在航空工業(yè)中， 依據(jù)損傷容限標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行失效-安全設(shè)計具有重要的意義。因為只有掌握了材料損傷與臨界條件之間的關(guān)系， 才能準(zhǔn)確地估計零件的疲勞壽命。從斷裂力學(xué)的角度講， 具有損傷容限型特征的材料應(yīng)該具備三個條件 ：

一是 具有高的斷裂韌性 KIC；

二是 具有較低的裂紋擴(kuò)展速率 da/dN ；

三是 具有較高的裂紋擴(kuò)展門檻值 Kth 。

為了正確地表征、 評價和應(yīng)用此類材料 ，必須系統(tǒng)測定其損傷容限性能， 為結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計提供依據(jù) 。同時 ，還應(yīng)該從宏觀 、微觀結(jié)合的角度分析能夠提高材料損傷容限性能的主要因素和參數(shù)， 這對提高材料的損傷容限性能具有重要意義。

眾多的研究表明， TC21鈦合金通過一定的熱處理制度得到的網(wǎng)籃組織，比其他組織形態(tài)具有更好的強度、 塑性、 韌性和裂紋擴(kuò)展速率匹配， 其斷裂韌性裂紋擴(kuò)展抗力 、熱穩(wěn)定性在不低于TC4合金的條件下 ，強度比TC4合金高一個數(shù)量級， 與美國的Ti-62222S合金相當(dāng) ，但是目前這些研究基本上都是定性的說明和解釋而非定量的描述TC21微觀組織，尤其是網(wǎng)籃組織組織參數(shù) 對損傷容限性能影響。

我們知道，高性能構(gòu)件的獲得需要具有高性能的組織類型和組織結(jié)構(gòu) ，組織結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了合金和航空產(chǎn)品的最終性能。 建立微觀組織參數(shù)和損傷容限性能，尤其是斷裂韌性之間的數(shù)學(xué)模型是材料研制及具體生產(chǎn)中迫切需要解決的問題和研究方向。