飞机液压系统用TA18钛合金管材性能特殊性研究

张旺峰，张 晖，颜孟奇，王玉会

(1.北京航空材料研究院，北京 100095)(2.西安交通大学，陕西 西安 710049)

0 引 言

TA18钛合金名义成分为Ti-3Al-2.5V，是一种近α型钛合金，具有良好的室温及高温强度、优良的塑性和冷成形性，可满足不同成形工艺对材料的要求。通过控制TA18钛合金冷轧管材的退火温度和时间，可使管材的应力消除，达到不同的强度水平。其中，去应力退火态860 MPa级高强TA18钛合金无缝管适用于飞机液压和燃油等管路系统[1-2]，退火态620 MPa级中低强度TA18钛合金无缝管适用于发动机液压和燃油等管路系统[3]。飞机发动机系统管路，特别是液压系统用的高压管路性能和安全可靠性不仅影响飞机的操纵性，还直接影响飞机的安全。因此，航空液压系统用管材首先要具有良好的力学性能。

基于TA18钛合金管材的形状及组织结构，其性能与锻件、铸件等结构件不同，表现在以下方面：①径向、周向服役用性能难以直接测定；②组织和性能表现为各向异性，性能主要由织构决定；③强度、塑性随温度变化出现与传统材料不同的反常现象。因此，如何表征TA18钛合金管材的性能及各向异性，成为其研制和应用的关键。织构是表征管材各向异性的主要方法，其测量方法主要有极图法、反极图法和取向分布函数法(orientation distribution function，ODF)[4-6]。定量表征织构的参数有很多种，其中常用的有织构系数(TC)、Kearns-f因子、Kallstromf因子等[7-8]。1965年,由罗伊(Roe) 和邦厄(Bunge) 各自独立提出了ODF法，但该方法目前尚不能直接用衍射方法测得，而是通过测定材料3个以上极图(或它们的数据)后用计算法求得的，计算过程比较繁琐，在很多时候还需要借助极图中的参数来定性或半定量表征材料的织构。显然，用织构表征管材的性能不太直观，而且需要专业的知识，使用起来很不方便。为此，寻求简便实用的表征管材各向异性的方法是非常必要的。收缩应变比CSR(contractile strain ratio)就是用来表征管材各向异性的技术指标，但如何将织构强度与管材的力学性能及CSR这些联系起来，揭示它们之间的内在联系或规律，国内外在这方面几乎没有相关研究。

为此，本研究针对飞机液压系统使用的860 MPa级高强TA18钛合金管材，研究其组织性能(织构)表征评价方法，以期准确评定管材的服役性能；研究不同温度下，管材拉伸性能及其微观组织，揭示不同温度下的塑性变形机制。研究工作将有助于全面认识TA18钛合金管材的性能，对其在飞机液压系统管路上的正确使用及满足飞机减重和长寿命设计具有重要的意义。

1 实 验

实验材料为多种规格的860 MPa级高强TA18钛合金管材，均为去应力退火态。

定义管材周向与径向塑性变形之比为收缩应变比(CSR，contractile strain ratio)，即：

CSR=εc/εr

(1)

式中：εc为周向真应变，εr为径向真应变。

εc=ln(D/D0)

(2)

式中：D为变形后直径,D0为变形前直径。

εa=ln(l/l0)

(3)

式中：εa为轴向真应变，l为变形后长度,l0为变形前长度。

通过测量轴向真应变和周向真应变，根据体积不变原理，就可求出径向真应变：

εr=-εa-εc

(4)

采用力学性能试验机对管材进行小应变拉伸，用JVP-300F视频仪测量管材变形前后的直径和轴向应变量。根据(2)式和(4)式计算出周向真应变εc和径向真应变εr，代入(1)式即可计算出CSR。

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采用德国Bruker D8 Advance X射线衍射仪进行织构测试，用Bruker公司的TEXEVAL V2.5软件分析极图及绘制ODF，计算不同晶体学位向上的织构强度。采用Instron 1342型电液伺服材料试验机进行拉伸性能测试，试验温度分别为-60、100、200、300、350 ℃。控制恒温箱温差小于±3℃，保温时间为30 min。从断后的拉伸试样上截取透射电镜样品，经腐蚀减薄和双喷减薄后，采用JEM-200CX透射电镜观察试样组织形貌。

2 结果与讨论

2.1 管材CSR与织构的关系

表1为2种典型规格TA18钛合金管材不同晶体学位向上的织构强度及CSR测量结果。由表1可以看出，管材的织构强度直接影响着管材的CSR值，管材织构强度高，对应的管材CSR值也高。因此，通过控制管材的织构强度可以控制管材的CSR。

表1 2种典型规格TA18钛合金管材织构强度与CSR对比

Table 1 Comparison of texture intensity and CSR in two typical specification TA18 titanium alloy tubes

2.2 管材CSR与力学性能的关系

测量了国内外24支不同规格的TA18钛合金管材的CSR值，并研究了其与强度、塑性之间的关系，如图1、图2所示。从图中可以看出，在CSR值小于2.5的情况下，TA18钛合金管材的屈强比(RP0.2/Rm)越大，CSR越高；管材的延伸率A50越大，CSR越高。根据这一规律，可以通过TA18钛合金管材轴向拉伸性能的大小，大致推断出CSR的大小。通过TA18钛合金管材收缩应变比CSR的测定，可以反映管材径向和周向的变形性能，而且测量CSR比测量织构容易得多，解决了管材径向和周向性能评价难题。

图1 TA18钛合金管材屈强比与CSR的关系Fig.1 Relationship of yield ratio and CSR for TA18 titanium alloy tube

图2 TA18钛合金管材延伸率与CSR的关系Fig.2 Relationship of elongation and CSR for TA18 titanium alloy tube

2.3 TA18管材拉伸性能的特殊性

图3为TA18钛合金管材在不同温度下的拉伸性能。从图3可以看出，TA18钛合金管材的抗拉强度Rm、屈服强度RP0.2随温度的升高而降低，延伸率A50也表现出类似的规律。TA18钛合金具有的这种特殊性，即在低温下表现出强度与塑性同时增加的特性，为其在低温下使用提供了依据。

对比-60 ℃和350 ℃下的拉伸强度和延伸率可知，低温下强度比高温下高30%以上，延伸率高12%以上，产生这种现象的机理值得关注。

2.4 高低温拉伸后微观组织特征

图4为TA18钛合金拉伸试样在-60 ℃及350 ℃下静拉伸断裂后，颈缩区的TEM照片。观察发现，在-60 ℃下拉断的试样，其颈缩区出现了大量的孪晶(图4a)；而在350 ℃下拉断的试样却未观察到这样的现象(图4b)。

图3 TA18钛合金管材力学性能与温度的关系Fig.3 Relationship of mechanical properties and temperature for TA18 titanium alloy tubes

图4 TA18钛合金试样在不同温度下拉伸断裂后的TEM照片Fig.4 TEM micrographs of TA18 titanium alloy specimens after tensile fracture at different temperatures：(a)-60 ℃；(b)350 ℃

2.5 变形机制分析

TA18钛合金的伸长率随拉伸温度的降低而升高，这种特殊现象与其塑性变形机制有关。近α型TA18钛合金为密排六方(HCP)晶体结构，主要塑性变形方式为滑移和孪生，二者相互竞争，相互依存。在不同温度环境下，钛合金塑性变形的机制并不相同。

孪生是钛合金中一种重要的晶内塑性变形机制。在变形温度较低时，滑移系较少，变形过程中大量位错容易在晶界附近堆积而引起应力集中，为孪生形核提供了驱动力。据理论预测[9]，钛中的孪生体系有26种之多，已报道的孪生体系有6种。研究表明[10]，随着温度的降低，钛合金中滑移的临界切应力(CRSS)急剧上升，而孪生的CRSS只有略微的变化，说明孪生变形对温度依赖性小。温度越低，钛合金中的滑移越不易启动，孪生就成为钛合金中的主要变形机制。故在低温下，钛中丰富的孪生体系对材料的塑性起着至关重要的作用，这种现象和机制与TWIP钢的变形机制类似[11]。

2.6 管材使用性能的特殊性

TA18钛合金管材的特殊性还表现为，除了常规的力学性能检测外，还必须检验其扩口、压扁、弯曲、液压试验等工艺性能及管路连接组件的8项功能考核。8项功能考核包括气压泄漏、耐压、爆破、高低温试验、弯曲疲劳、脉冲、连接强度、应力腐蚀等。

3 结 论

(1)TA18钛合金管材的织构越强，管材的CSR值也会越高。

(2)TA18钛合金管材的屈强比、伸长率成与CSR值正比关系，提高管材屈强比、伸长率可提高CSR值。

(3)随着温度的降低，TA18钛合金管材的强度、塑性均升高，这主要与其在不同温度下的塑性变形机制有关。

(4)通过TA18钛合金管材CSR的测定，可以反映管材径向和周向的变形性能，解决了管材径向和周向性能评价的难题。