大规格损伤容限钛合金TC4-DT的研制及应用

陈联国，王文盛，朱知寿，赵勇，黄建云，张海，彭富华

1. 中国航空工业成都飞机设计研究所，成都 610091

2. 西部超导材料科技股份有限公司，西安 710012

3. 北京航空材料研究院，北京 100095

4. 中国航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司，成都 610091

钛合金比强度高、耐高温、耐腐蚀、焊接性能优异，是飞机结构的重要材料。随着钛合金材料和制造技术的发展，钛合金广泛用于现代飞机结构，以减轻重量，提高寿命[1-2]。美国的F-15、F/A-18E/F和F-22飞机的钛合金用量分别达到结构重量的32%、21%和39%[3-4]。

第三代战斗机结构广泛采用普通退火的钛合金，如F-15主要采用Ti-6Al-4V，苏-27主要采用BT20，品种有棒材、丝材、锻件和板材等。锻件通常采用普通退火，典型的显微组织为等轴组织或双态组织，塑性和疲劳性能较好，但断裂韧度较低，裂纹扩展速率较高[5-7]。

Nalla等对Ti-6Al-4V钛合金的双态组织和片层组织的裂纹扩展路径和断裂表面的金相进行了分析，见图1[8]。从图中可以看出双态组织的裂纹扩展路径平直，片层组织的裂纹扩展路径曲折，裂纹扩展消耗的能量更多，因此，片层组织的损伤容限性能优于双态组织。为了提高裂纹扩展抗力，损伤容限钛合金通常在β转变温度以上热处理以获得片层组织[9]。

为了满足损伤容限设计要求，A380飞机的发动机挂架采用了β退火的Ti-6Al-4V，与α+β相区退火相比，极大地提升了断裂韧度，降低了裂纹扩展速率[10]。

图1 2种组织在近门槛值附近的裂纹扩展路径[8]

降低间隙元素的含量也是提高损伤容限性能的重要途径。与传统的Ti-6Al-4V相比，Ti-6Al-4V ELI钛合金的间隙元素C、O、N和杂质元素Fe的最大允许含量显著降低，如氧含量的最大值从0.20%降至0.13%。……