一、TC21是高强、高韧、高损伤容限型钛合金

美国最先进的第四代战斗机 F22 钛合金用量已占飞机结构重量的 41% ，主要采用低间隙 损伤容限型的 Ti-6AI-4V 和 Ti-6-22-22S 两种合金。其中 3%的结构件采用了 Ti-6-22-22S 合金 。可见其在飞机结构件上应用的重要地位。

与发达国家相比 ，我国在钛合金材料用量与应用技术方面还有较大差距。十五 期间， 我国启动了高强、 高韧、 高损伤容限型钛合金的研究计划 ，以适应国际流行的损伤容限设计的新概念。为此 ，北京航空材料研究院，西北有色金属研院，西北工业大学和红原航空锻铸工业公司等单位成立了联合课题组， 研制成功了新型的高强（强度高于 1100MPa）、高韧（ KIC达 70 ~90 MPa.m1/2） 、损伤容限型 （较低的裂纹扩展速率 da/dN）可焊的 α+ β 两相钛合金，命名为 TC21 合金，名义成分为 Ti-6AI-2Zr-2Sn-3Mo-1Cr-2Nb-0.1Si 。

合金设计的目的是要在断裂韧性、 裂纹扩展抗力、 热稳定性等性能不低于TC4合金条件下， 其强度要比TC4合金高一个等级 ，与美国的Ti-62222S合金相当或更好。经过对实验室 中试及工业规模的深入研究表明： TC21钛合金各种力学性能稳定， 具有良好的强度、 塑性、 断裂性 裂纹扩展速率的匹配， 是一种非常有应用前景的高强、高韧、损伤容限型结构钛合金。目前，该合金的应用形式主要是棒材 锻件和厚板 。这种类型钛合金零件的加工， 大部分需要通过塑性变形的方法来实现。由于钛合金的比强度很高， 对于大部分类型的钛合金来说， 其冷塑性变形能力很差，通常需要采取诸如锻造等高温热塑性变形的热加工工艺对其进行塑性变形加工，TC21钛合金也不例外。

二 、TC21 钛合金的微观组织与性能

合金化、 加工工艺和微观组织是影响合金性能的三大主要因素 ，而加工工艺对合金性能的影响通常是通过影响其微观组织来实现的 ，所以在合金成分一定的情况下， 合金的微观组织便成了影响其性能的主要因素。

在两相钛合金的变形过程中， 由于采用的加工方法以及加工条件的不同 ，会使钛合金显现出各种各样的组织形态， 这些组织的形状 、大小、 结构以及性能也各不相同。TC21 钛合金的显微组织也可分为 4 类， 即魏氏组织、 网篮组织 、双态组织和等轴组织， 如上图 所示 。魏氏组织具有良好的高温蠕变性能， 但具有最差的塑性、热稳定性和疲劳性能 ;网篮组织和双态组织具有良好的综合力学性能 ，与双态组织相比， 网篮组织具有更好的蠕变性能、 断裂韧性和疲劳裂纹扩展性能，但疲劳性能和热稳定性要差一些 ；等轴组织具有最好的塑性和热稳定性， 但蠕变性能也最低。

三、TC21 钛合金网篮组织组织参数与损伤容限性能的研究

在航空工业中， 依据损伤容限标准进行失效-安全设计具有重要的意义。因为只有掌握了材料损伤与临界条件之间的关系， 才能准确地估计零件的疲劳寿命。从断裂力学的角度讲， 具有损伤容限型特征的材料应该具备三个条件 ：

一是 具有高的断裂韧性 KIC；

二是 具有较低的裂纹扩展速率 da/dN ；

三是 具有较高的裂纹扩展门槛值 Kth 。

为了正确地表征、 评价和应用此类材料 ，必须系统测定其损伤容限性能， 为结构的损伤容限设计提供依据 。同时 ，还应该从宏观 、微观结合的角度分析能够提高材料损伤容限性能的主要因素和参数， 这对提高材料的损伤容限性能具有重要意义。

众多的研究表明， TC21钛合金通过一定的热处理制度得到的网篮组织，比其他组织形态具有更好的强度、 塑性、 韧性和裂纹扩展速率匹配， 其断裂韧性裂纹扩展抗力 、热稳定性在不低于TC4合金的条件下 ，强度比TC4合金高一个数量级， 与美国的Ti-62222S合金相当 ，但是目前这些研究基本上都是定性的说明和解释而非定量的描述TC21微观组织，尤其是网篮组织组织参数 对损伤容限性能影响。

我们知道，高性能构件的获得需要具有高性能的组织类型和组织结构 ，组织结构参数决定了合金和航空产品的最终性能。 建立微观组织参数和损伤容限性能，尤其是断裂韧性之间的数学模型是材料研制及具体生产中迫切需要解决的问题和研究方向。