鈦元素分布比較廣泛，其含量超過地殼質(zhì)量的0.4%，全球探明儲量約34 億噸，在所有元素中含量居第10 位（氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂、氫、鈦）。美國科學家在1910 年采用“鈉法”（鈉還原TiCl4）最早獲得金屬鈦，但是鈦工業(yè)并沒有隨著鈦的發(fā)現(xiàn)立即得以發(fā)展。直到第二次世界大戰(zhàn)后的1948 年，盧森堡科學家發(fā)明的“鎂法”（鎂還原TiCl4）在美國用于生產(chǎn)之后鈦工業(yè)才開始起步。

    鈦比鋼密度小40%，而鈦的強度和鋼的相當，這可以提高結(jié)構(gòu)效率。同時，鈦的耐熱性、耐蝕性、彈性、抗彈性和成形加工性良好。由于鈦具備上述特性，從一出現(xiàn)鈦合金就應用于航空工業(yè)。1953 年，美國道格拉斯公司出產(chǎn)的DC-T 機發(fā)動機防火壁和短艙上首次使用鈦材，開始鈦合金應用于航空的歷史。

    航天飛機是最主要的、應用范圍最廣的航空器。鈦是飛機的主要結(jié)構(gòu)材料，也是航空發(fā)動機風扇、壓氣機輪盤和葉片等重要構(gòu)件的首選材料，被譽為“太空金屬”。飛機越先進，鈦用量越多，如美國F22 第四代機用鈦含量為41%（質(zhì)量分數(shù)），其F119 發(fā)動機用鈦含量為39%，是目前用鈦含量最高的飛機。鈦合金研究起源于航空，航空工業(yè)的發(fā)展也促進了鈦合金的發(fā)展。航空用鈦合金的研究一直是鈦合金領域中最重要、最活躍的一個分支，但其發(fā)展也極其艱辛，如人們花費十幾年的精力克服航空發(fā)動機用鈦合金的“熱障”問題。

    本文作者從合金基體相組成角度對鈦合金進行歸類。以飛機為航空器的代表，著重介紹鈦合金在航空發(fā)動機、飛機機身、航空緊固件等方面的應用研究情況。最后，分析航空用鈦合金發(fā)展過程中存在的問題。

    1 鈦合金的分類

    美、英、俄、法、日等國鈦合金的分類多為廠家自定，名目繁多。某些公司直接采用元素的化學符號和數(shù)字代替所加合金元素及其含量命名， 如Ti-6Al-4V（相當于我國的TC4），各國牌號對照及化學成分如表1 所列。按相組成鈦合金可分為：密排六方結(jié)構(gòu)（HCP）的α 型鈦合金（包括近α 型合金）—即國內(nèi)牌號TA、兩相混合的α+β 型鈦合金—即國內(nèi)牌號TC和體心立方結(jié)構(gòu)（BCC）的β 型鈦合金（包括近β 型合金）—即國內(nèi)牌號為TB。

表1 各國鈦合金牌號對照

表2 幾種α 型鈦合金的性能

    1.1 α 型鈦合

    金退火狀態(tài)以α 鈦為基體的單相固溶體合金為α 型鈦合金，它主要含Al、Sn 等元素。Al 能增加合金的抗拉和蠕變強度，減小鈦合金的密度，提高比強度，是鈦合金中重要的合金元素。為了最大限度地發(fā)揮鋁的固溶強化作用，避免因過量Al 引起合金脆化，高溫鈦合金的合金化工作應遵循ROSENBERG提出的當量經(jīng)驗公式，只有這樣才能保證合金在提高耐熱強度的同時保持良好的熱穩(wěn)定性。α 鈦合金中的這些元素通過在相變溫度下抑制相變或者提高相變溫度而起到穩(wěn)定作用。與β 型鈦合金相比，α 型合金具有良好的抗蠕變性能，強度、可焊性以及韌性，是高溫下使用的首選合金。同時，α 型合金不存在冷脆性，它也適合在低溫環(huán)境中使用，擴大了其應用范圍。α型合金鍛造性較差，容易產(chǎn)生鍛造缺陷，可通過減少每道次加工率和頻繁熱處理來控制鍛造缺陷。α 基體為穩(wěn)定相，對于給定成分合金而言，其性能變化主要是晶粒大小的變化[8]，因為屈服強度和抗蠕變強度均與晶粒大小、變形時儲存的能量有關。α 型鈦合金不能通過熱處理來提高強度，退火后強度基本無變化或少有變化。有些合金含有較多的Al、Sn、Zr 及少量的β 穩(wěn)定元素（一般小于2%）。盡管這些合金中含有β 相，但基體主要由α 相組成，在熱處理敏感性和加工性能上都與α 型合金很接近，被稱為近α 型鈦合金。近α 型合金是在人們認識到采用固溶合金元素強化α 基體可以得到高的蠕變強度基礎上開發(fā)的，大多數(shù)近α 型合金因具有較好的熱穩(wěn)定性，現(xiàn)在已成為高溫鈦合金的重要合金種類。它的強化機制是β 相中原子擴散快，易于發(fā)生蠕變，β 穩(wěn)定元素還有抑制α 相脆化的作用（即延緩α 中形成有序相的過程）。

    常見的α 型鈦合金（包括近α 型合金）有Ti811（Ti-8Al-1Mo-1V）、Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V、Ti-679（Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.25Si）、BT18（Ti-7.7Al-11Zr-0.6Mo-1Nb-0.3Si）和Ti6242S （Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si）等，其成分和性能如表2 所列。

    1.2 α+β 型鈦合金

    為提高鈦合金的強度和韌性，人們研制出α+β 型鈦合金。與其他鈦合金相比，α+β 合金中同時加入α穩(wěn)定元素和β 穩(wěn)定元素，使α 和β 相得到強化。α+β合金具有優(yōu)良的綜合性能，如其室溫強度高于α 合金的，熱加工工藝性能良好，可以進行熱處理強化，因此適用于航空結(jié)構(gòu)件。α+β 型鈦合金退火組織為α+β相，β 相含量一般為5%~40%。但其組織不夠穩(wěn)定，使用溫度最高只能到500 ℃，焊接性能和耐熱性低于α 型鈦合金。

    α+β 型鈦合金主要有TC4（Ti-6Al-4V）、TC6（Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si）、TC11（Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si）、TC17（Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr） 、TC19（Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo）和TC21（Ti-6.2Al-2.8Mo-2Nb-2Sn-2.1Zr-1.3Cr）等。其中TC11 合金也被稱為近β 合金。ZHOU[31]提出了一種TC11 合金加工工藝，先將合金在低于β-轉(zhuǎn)變溫度15°下進行熱處理，隨后快速水冷，再經(jīng)過高溫和低溫增韌強化熱處理，獲得一種新的顯微組織。這種新組織基體由15%等軸α 晶粒、50%~60%層狀α 晶粒和已轉(zhuǎn)變完成的β 晶粒組成。其研究結(jié)果顯示該合金表現(xiàn)出較高的抗疲勞性能，較長的蠕變疲勞壽命，高韌性和優(yōu)良的高溫服役性能，并且不降低塑性和熱穩(wěn)定性。并且對該新工藝和強韌化機理的實驗原理進行了討論。該加工工藝實際應用的關鍵問題就是對溫度的準確控制。這種TC11 鈦合金加工工藝已應用于生產(chǎn)可靠的航空發(fā)動機壓氣機盤、旋轉(zhuǎn)子和其他部件。

    1.3 β 型鈦合金

    β 穩(wěn)定元素含量足夠高，且固溶處理后快速冷卻β相保留至室溫得到的合金稱為β 型鈦合金。按照穩(wěn)定狀態(tài)組織類型分類，β 鈦合金可分為穩(wěn)定型β 鈦合金，亞穩(wěn)型β 鈦合金，如圖1 所示。在圖1 中，MS為馬氏體相變溫度線，βC 為亞穩(wěn)型合金的β 穩(wěn)定元素最低含量，βS 為穩(wěn)定型合金β 穩(wěn)定元素最低含量。

圖1 β 穩(wěn)定劑含量和鈦合金相組成的關系

    β 鈦合金在固溶狀態(tài)下冷成形性能良好，而且淬透性和熱處理響應性也優(yōu)良。常用的熱處理方法是先固溶處理，然后在450~650 ℃時效，合金原β 基體上會析出細小的α 相，形成彌散分布的第二相，這就是β合金的強化機理。由于β 鈦合金比其他類型鈦合金在時效時析出更多的α 相，含有更多的α-β 相界面阻礙位錯運動，因此β 鈦合金的室溫強度最高。

    金屬材料在變形和斷裂過程中吸收能量的能力稱為韌性，材料吸收的能量越多，韌性也就越好。斷裂韌性是表示材料韌性的指標，反映材料對裂紋和其他尖銳缺陷擴展的抵抗能力。通常來說，鈦合金的斷裂韌性和強度呈反比趨勢，即強度提高的同時斷裂韌性下降。研究β 鈦合金在航空航天工業(yè)的應用，需要設計同時具備良好強度和斷裂韌性的顯微組織以及加工工藝和熱處理制度。合金成分和顯微組織是決定β 鈦合金斷裂韌性的兩個主要因素。合金成分決定合金中β 相的數(shù)量，也決定合金的類型和斷裂韌性。顯微組織的形態(tài)、數(shù)量、體積同樣影響合金斷裂韌性的高低。付艷艷等[50]認為β 鈦合金的β 穩(wěn)定元素和中型元素Zr 可以提高合金的強度，降低斷裂韌性。細小的β晶粒并不能有效提高時效態(tài)β 鈦合金的強度，會降低Ti-15-3 合金的斷裂韌性，但對β-C 和Ti-1023 合金的斷裂韌性無明顯影響。時效態(tài)β 鈦合金的強度主要取決于時效析出的次生α 相的含量和尺寸，在含有同樣初生α 相的情況下，細小的次生α 相可以顯著提高合金的強度。初生α 相的粗化以及初生相從球狀轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺顣е?beta; 鈦合金塑性降低，斷裂韌性提高。β 鈦合金的雙態(tài)組織具有良好的強度、塑性和韌性的匹配。

    β 鈦合金之所以得到廣泛的應用，也是因為其時效后具有其他類型的鈦合金無法比擬的高強度和高塑性優(yōu)勢。同時，β 鈦合金所具有的可熱處理強化性和深淬透能力使得它逐漸代替α+β 兩相鈦合金成為用于飛機機身和機翼的首選結(jié)構(gòu)材料，在航空航天工業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

    2 航空用鈦合金的發(fā)展及應用

    20 世紀50 年代，軍用飛機進入超音速時代，原有的鋁、鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足新的需求，鈦合金恰恰在這個時候進入了工業(yè)性發(fā)展階段。鈦合金因密度小、比強度高、耐蝕、耐高溫、無磁、可焊、使用溫度范圍寬（-269~600 ℃）等優(yōu)異性能，而且能夠進行各種零件成形、焊接和機械加工，在航空領域很快得到廣泛應用。20 世紀50 年代初期的軍用飛機上開始使用工業(yè)純鈦制造后機身的隔熱板、機尾罩、減速板等受力較小的結(jié)構(gòu)件。20 世紀60 年代，鈦合金進一步應用到飛機襟翼滑軋、承力隔框、中翼盒形梁、起落架梁等主要受力結(jié)構(gòu)件中。到20 世紀70 年代，鈦合金在飛機結(jié)構(gòu)上的應用，又從戰(zhàn)斗機擴大到軍用大型轟炸機和運輸機，而且在民用飛機上也開始大量采用鈦合金結(jié)構(gòu)。進入20 世紀80 年代后，民用飛機用鈦逐步增加，并已超過軍用飛機用鈦。飛機越先進，鈦用量越多。表3~5 所列分別為美國第3 代、第4 代戰(zhàn)斗機及先進轟炸機、運輸機用鈦材的質(zhì)量分數(shù)、一般飛機使用的鈦合金種類[53]和空客飛機鈦合金和復合材料的用量。由表5 可知，空客A380 飛機上的鈦材使用量已達10%，鈦材已經(jīng)成為現(xiàn)代飛機不可缺少的結(jié)構(gòu)材料。根據(jù)用途不同，可將航空用鈦合金分為飛機發(fā)動機用鈦合金、飛機機身用鈦合金和航空緊固件用鈦合金。近年來，人們對航空用鈦合金在上述3個方面的應用進行了深入研究。

表3 美國第三代、第四代戰(zhàn)斗機及先進轟炸機、運輸機用材的質(zhì)量分數(shù)

表4 一般飛機使用的鈦合金

表5 空客飛機鈦合金和復合材料的用量

表6 各國飛機發(fā)動機用鈦合金

    2.1 航空發(fā)動機用鈦合金發(fā)動機是飛機的心臟。發(fā)動機的風扇、高壓壓氣機盤件和葉片等轉(zhuǎn)動部件，不僅要承受很大的應力，而且要有一定的耐熱性。這樣的工況條件對鋁來說溫度太高；對鋼來說密度太大。鈦是最佳的選擇，鈦在300~650 ℃溫度下具有良好的抗高溫強度、抗蠕變性和抗氧化性能。同時，發(fā)動機的一個重要性能指標是推重比[55]，即發(fā)動機產(chǎn)生的推力與其質(zhì)量之比。最早發(fā)動機的推重比為2~3，現(xiàn)在能夠達到10[8]。推重比越高，發(fā)動機性能越好。使用鈦合金替代原鎳基高溫合金可使發(fā)動機的質(zhì)量降低，大大提高飛機發(fā)動機的推重比。鈦在飛機發(fā)動機上的用量越來越多。在國外先進航空發(fā)動機中，高溫鈦合金用量已占發(fā)動機總質(zhì)量的25%~40%，如第3 代發(fā)動機F100 的鈦合金用量為25%，第4 代發(fā)動機F119 的鈦合金用量為40%。

    航空發(fā)動機部件要求鈦合金在室溫至較高的溫度范圍內(nèi)具有很好的瞬時強度、耐熱性能、持久強度、高溫蠕變抗力、組織穩(wěn)定性。β 型和近β 型鈦合金盡管在室溫至300 ℃左右具有高的拉伸強度，但在更高的溫度下，合金的蠕變抗力和耐熱穩(wěn)定性急劇下降，所以β 型鈦合金很少用于飛機發(fā)動機。α 型和近α 型鈦合金具有良好的蠕變、持久性能和焊接性，適合于在高溫環(huán)境下使用。α+β 型鈦合金不僅具有良好的熱加工性能，而且在中高溫環(huán)境下還具有良好的綜合性能。因此，α 型、近α 型和α+β 型鈦合金被廣泛應用于航空發(fā)動機。表6 所列為世界各國研制的飛機發(fā)動機用鈦合金。

    目前，航空發(fā)動機用高溫鈦合金的最高工作溫度已由350 ℃提高到600 ℃，能夠滿足先進發(fā)動機對材料的需求。經(jīng)過世界各國鈦合金研究者半個世紀的努力，研制出Ti811（Ti-8Al-1Mo-1V）、Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V、Ti-679（Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.25Si）、TC6（Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si）、TC17（Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr）、TC19（Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo）、TC21（Ti-6.2Al-2.8Mo-2Nb-2Sn-2.1Zr-1.3Cr）、Ti1100（Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-4Mo-0.45Si）、IMI834（Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si-0.06C）等合金。

    Ti811（Ti-8Al-1Mo-1V）合金具有密度低、彈性模量高、振動阻尼性能優(yōu)良、熱穩(wěn)定性好、焊接性能和成型性能好等諸多優(yōu)點，其比剛度是所有工業(yè)鈦合金中最高的。趙永慶等對Ti811 合金熱穩(wěn)定性和高溫疲勞性能等問題進行深入研究，研究顯微組織和試樣表面狀態(tài)對 Ti811 合金熱穩(wěn)定性能的影響。結(jié)果表明：具有等軸組織和雙態(tài)組織的Ti811 合金有很好的熱穩(wěn)定性能；針狀組織的存在使 Ti811 合金熱穩(wěn)定性能惡化。此外，研究認為Ti811 合金在425 ℃熱暴露下，表面氧化層及暴露時間對合金的熱穩(wěn)定性能沒有明顯影響。高廣睿等利用高頻疲勞實驗機和自制高溫微動疲勞裝置研究溫度、位移幅度、接觸壓力等因素對Ti811 鈦合金高溫微動疲勞（FF）行為的影響。結(jié)果表明：在350 ℃和500 ℃的高溫下，Ti811 合金微動疲勞敏感性隨著溫度的升高微動疲勞的敏感性增強，蠕變是高溫下Ti811 合金FF 失效的重要影響因素，位移幅度變化影響疲勞應力因素和磨損在FF 過程中所起作用和機制。

    Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V是前蘇聯(lián)20 世紀60 年代研制成功的一種通用性合金，該合金能夠在300~500 ℃溫度下工作，主要用于生產(chǎn)飛機發(fā)動機匣。OUYANG等[21]在研究Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V 鈦合金不同溫度和應變速率下的再結(jié)晶行為方面做了大量工作。研究結(jié)果表明：在變形溫度高于1050 ℃、應變速率低于0.01 s?1時，合金的動態(tài)再結(jié)晶機制以不連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶為主；在變形溫度低于1050 ℃、應變速率高于0.01s-1 時，合金的動態(tài)再結(jié)晶機制以連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶為主，同時存在少量的不連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶。此外，Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V 合金相變時的位向關系與其他鈦合金有所不同，HE 等對影響該合金相變位向關系的因素進行研究。結(jié)果表明：外部因素（如變形應力、應變速率和冷卻速率）在β→α 階段轉(zhuǎn)換遵守Burgers 位向轉(zhuǎn)換規(guī)則。然而，應變速率和冷卻速率能顯著影響α 沉淀相的形態(tài)。

    Ti-679 合金為低鋁高錫，再添加鋯、鉬、硅等合金元素而得到的，可用作發(fā)動機高壓壓氣機葉片和盤。在它的合金元素中，鋁的作用是提高合金強度，但易導致塑形變差，用低鋁高錫配合，可以獲得較好的塑形和強度；鉬的作用是避免形成過多的β 相，使蠕變強度下降；而鋯的作用是補充強化α 相。Ti-679 合金的抗蠕變性能和熱穩(wěn)定性都比較好，其工作溫度可達450 ℃。

    TC6 鈦合金的熱強性和熱穩(wěn)定性良好，它在高溫下的力學行為與微結(jié)構(gòu)的變化引起全世界研究者的廣泛關注。白新房等[32]對TC6 鈦合金進行990 ℃保溫熱處理，研究保溫過程中氧原子、合金元素分布變化對內(nèi)表層組織及硬度的影響。結(jié)果表明：在990 ℃熱處理后試樣內(nèi)表層富氧α 層從邊部到基體內(nèi)部顯微硬度呈現(xiàn)低-高-低的變化規(guī)律，在距邊部約55 μm 處達到最大值449 HV1。內(nèi)表層顯微硬度的變化是由于氧化作用而導致內(nèi)表層合金元素分布變化和氧原子的富集引起的。孫坤等研究4 種典型組織TC6 鈦合金試樣在高應變率加載條件（1×103 s-1） 下的動態(tài)力學行為。結(jié)果表明：不同組織TC6 鈦合金的流變應力隨應變增加快速增加。

    TC17 鈦合金是一種富β 穩(wěn)定元素的過渡型兩相鈦合金，該合金在中溫（300~450 ℃）具有抗蠕變性能高，淬透性好、斷裂韌度高等優(yōu)點，廣泛用于制造航空發(fā)動機風扇盤、壓氣機盤。作為兩相鈦合金，TC17可以通過熱處理調(diào)整其顯微組織，進而提高綜合力學性能，其標準熱處理工藝為：（840 ℃，1 h AC）+（800 ℃，4 h WQ）+（630 ℃，8 h ACTC4）。孫曉敏等研究激光熔化沉積 TC17 鈦合金原態(tài)及固溶時效后的顯微組織。結(jié)果表明：當固溶溫度從800 ℃升高到 835℃時，初生α 相體積分數(shù)由53%減少到34%，時效后相片層顯著增粗，寬0.7~0.8 μm，次生α 相含量伴隨固溶溫度升高逐漸增多。TC19 鈦合金是20 世紀美國開發(fā)的一種富β 的α+β 型鈦合金，是在Ti-6242 合金（Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo）基礎上發(fā)展而來，是一種高強度高韌性鈦合金。與Ti-6242 合金相比，TC19 鈦合金提高Mo 含量，使室溫和高溫拉伸性能得到改善。而Sn 和Zr 的加入，使該合金的相變行為變得非常緩慢。朱寶輝等研究不同鍛造工藝制備的TC19 鈦合金棒材。結(jié)果表明：常規(guī)鍛造工藝和高-低-高鍛造工藝均可用來鍛造TCl9 合金棒材，但采用高-低-高鍛造工藝得到的棒材的力學性能優(yōu)于常規(guī)鍛造工藝。

    TC21 合金是我國自行研制的具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的新型兩相高強韌鈦合金，在航空、航天領域作為重要的結(jié)構(gòu)材料使用。人們對該合金的冷卻速度、熱處理和組織性能的關系先后展開了較多研究。王義紅等提出：當冷卻速率大于122 e/s 時，β 相轉(zhuǎn)變形成正交馬氏體，冷卻速率介于122~3 ℃/s 之間時，發(fā)生塊狀轉(zhuǎn)變，冷卻速率繼續(xù)降低，相變由擴散控制，形成兩種不同形貌的魏氏體片層。宋穎剛等的研究結(jié)果表明：TC21 鈦合金表面經(jīng)噴丸強化后，在表層形成一個彈塑性變形層。強化過程中由于密排六方晶體的基面、柱面和錐面滑移系的開動造成位錯密度升高，A 相中位錯形貌呈現(xiàn)網(wǎng)狀；強化前納米壓痕硬度為3.2 GPa，強化后為6.7 GPa，提高1 倍以上。在強化層內(nèi)形成很高的宏觀殘余壓應力，并且表現(xiàn)為由表面向里逐漸減少的梯度變化。強化層深度達到370 μm。

    宮旭輝等研究TC21 鈦合金的高溫動態(tài)拉伸力學行為。結(jié)果表明：當應變速率為0.001 和0.05 s-1 的屈服應力-溫度曲線存在轉(zhuǎn)折點，且轉(zhuǎn)折點溫度隨應變速率的增大而升高；當溫度低于轉(zhuǎn)折點溫度時，相同氧含量的TC21 鈦合金和多晶純鈦的屈服應力具有相似的溫度相關性。曲恒磊等[45]對TC21 鈦合金進行應變速率為0.01~50 s-1、溫度為973~1373 K 的壓縮試驗后得出結(jié)論，在試樣的不同部位存在變形組織的不均勻現(xiàn)象，該合金在不同溫度區(qū)域變形時分別發(fā)生重結(jié)晶和動態(tài)再結(jié)晶。重結(jié)晶導致晶粒粗化（尺寸約100~200 μm）。而動態(tài)再結(jié)晶導致晶粒細化（最小尺寸為1~2 μm）。

    以上幾種合金為常規(guī)航空發(fā)動機用鈦合金，其使用溫度均在650 ℃以下。目前實用性能耐熱鈦合金是Ti1100 和IMI834，它們已經(jīng)分別應用于EJ2000 和55-712 改型發(fā)動機。由于“鈦火”事故的出現(xiàn)，阻燃鈦合金越來越受到人們的關注。美、俄等國進行了阻燃性能良好新型鈦合金的研制。由美國普惠公司研制的高強阻燃鈦合金Alloy C，已用作F119 發(fā)動機的矢量噴口零件， 該合金的名義成分為Ti-35V-15Cr（質(zhì)量分數(shù)，%），合金中含大量昂貴金屬釩，再加上Alloy-C 合金鑄錠熱變形工藝要采用一些專用設備，進一步提高了材料價格。俄國對成本較低的Ti-Cu 合金進行了研究，并報導了BT25 和BT36合金。中國科研工作者對前人的發(fā)動機用鈦合金研究工作進行過系統(tǒng)總結(jié)和中肯評價。

    2.2 飛機機身用鈦合金

    飛機發(fā)動機要求所用合金熱強度、比強度好，而機身則要求合金在中等溫度下具備強度好、耐腐蝕、質(zhì)輕等優(yōu)良特性。鈦合金能很好的達到這些要求，采用鈦合金做機身材料有以下5 方面優(yōu)勢：1） 替代鋼和鎳基高溫合金可大大降低飛機質(zhì)量。高推重比讓鈦合金能夠替代強度稍好的鋼而用于飛機零部件中。2） 能夠滿足飛機強度要求。與鋁合金相比，60%左右質(zhì)量的鈦合金即可達到相同的強度。在使用溫度超過130℃時，鈦合金能取代鋁合金，因為這一溫度是傳統(tǒng)鋁合金的極限適用溫度。3） 耐腐蝕性良好。大部分飛機支撐機構(gòu)在廚房、廁所下面，很容易產(chǎn)生腐蝕，鈦合金不需要表面防腐涂層或者鍍膜。4） 與聚合物復合材料電化學相容性好。5） 空間的限制，替代鋼和鋁合金。

    因空間限制而使用鈦合金的典型例子是波音747 的鈦合金起落架梁。這種梁是最大的鈦合金鍛件，盡管其他合金（比如7075 鋁合金）成本更低，但承載需要質(zhì)量時，鋁合金起落架體積超出機翼范圍而不符合要求。鋼的強度足可以承載質(zhì)量，但它會使飛機質(zhì)量大大增加。圖2 所示是波音777 飛機機身使用材料示意圖。 在飛機機身中應用較廣泛的鈦合金有β-21S（Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si）、Ti-10-2-3（Ti-10V-2Fe-3Al）、Ti-15-3（Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn）、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr等。BOYER曾就鈦合金在機身的應用情況進行過總結(jié)，本文作者僅討論前兩種合金。

圖2 波音777 飛機機身使用材料示意圖

    β-21S（Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.25Si） 合金是美國Timet 公司為國家航天飛機開發(fā)的，可制成帶材，具有抗氧化性，可作為復合材料來使用。它具有較好的高溫特性，并比Ti-6-4 具有更好的抗蠕變性能（一般β合金在高溫環(huán)境下抗蠕變性并不好）。β-21S 已被波音和P&W 用在瞬時650 ℃的高溫環(huán)境，它的持續(xù)工作溫度是480~565 ℃。β-21S 合金的突出優(yōu)點在于它可以較好地抗高溫液壓機液體腐蝕。這種液壓機液體是一種少數(shù)能在航天環(huán)境下腐蝕鈦合金的物質(zhì)，在超過130 ℃時會分解并形成一種含有機金屬的磷酸，會腐蝕鈦合金，更重要的是會使含有大量氫的發(fā)動機泵產(chǎn)生嚴重的脆裂。β-21S 是唯一一種能抵抗這種腐蝕劑的金屬，這是因為β-21S 含有鉬和鈮，可用于引擎機艙和噴射引擎部位（原先使用鋼或鎳基合金）。此外，β-21S 可減少質(zhì)量，用于制造波音777 的3 種引擎（P&W4084，GE90 和Trent800）中的噴嘴、塞子、蒙皮和各種縱梁結(jié)構(gòu)，這些可以為每架飛機減少質(zhì)量74 kg。

    Ti-10-2-3（Ti-10V-2Fe-3Al）是迄今為止應用最為廣泛的一種高強韌近β 鈦合金，最早也由美國Timet 公司在1971 年研制而成。它是一種為適應損傷容限性設計原則而產(chǎn)生的高結(jié)構(gòu)效益、高可靠性和低成本的鍛造鈦合金，V 和Fe 為主要的β 穩(wěn)定元素。為了提高合金的鍛造性能和斷裂韌性，F(xiàn)e 的含量低于2%，O 的含量限制在0.13%以下。該鍛件抗拉強度可達1190MPa，為滿足不同需求采取不同加工方法和熱處理工藝，用Ti-10-2-3 可為每架飛機減少質(zhì)量270 kg。波音公司生產(chǎn)飛機時選擇高強度合金并最大限度減少質(zhì)量，該鈦合金是波音777 中用量最大的β 鈦合金，該種飛機起落架幾乎全部由該合金制成，僅內(nèi)、外氣缸和輪軸由4340 M 制成（強度為1895 MPa）。空客A380 的主起落架支柱也是采用的Ti-10-2-3 合金。該合金還具有很好的抗疲勞性能，還能消除用鋼時產(chǎn)生的應力腐蝕開裂。McDonnell Douglas 采用Ti-10-2-3（1105 MPa）制成貨艙門、引擎機艙、尾翼以及C-17 運輸機的其他部分。Ti-10-2-3 在疲勞強度方面的優(yōu)勢也使其廣泛應用于直升機。Bell，Westland，Sikorsky 和Eurocopter 等公司都采用Ti-10-2-3 合金做他們的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。

    2.3 航空緊固件

    用鈦合金不論軍民用飛機還是航天器上，除了金屬構(gòu)件還有很多碳纖維復合材料。鈦與碳纖維復合材料的電極電位相近，鈦合金又成為復合材料惟一的連接材料。

    因此，隨著先進軍民用飛機鈦合金和復合材料用量的不斷增加，對鈦合金緊固件的需求日益加大。鈦合金用作航空緊固件，至少具備以下4 點優(yōu)勢：1） 減重效果好。俄羅斯的一架伊爾-96 飛機用緊固件14.2萬件，可減少質(zhì)量近600 kg。我國航空航天系統(tǒng)鈦合金緊固件的使用也有明顯的減重效果。飛機和航天器減少質(zhì)量后，可以提高推力、增加射程、節(jié)省燃料、減少發(fā)射費用等。2） 鈦合金優(yōu)異的耐腐蝕性能，尤其是它正電位與碳纖維復合材料匹配，可以有效防止緊固件發(fā)生電偶腐蝕。3） 在飛機結(jié)構(gòu)中，緊固件部位因溫度較高，不能采用鋁合金，只能使用鈦合金。4） 鈦具有良好彈性和無磁，對于防止緊固螺栓的松動和防磁場干擾至關重要。

    現(xiàn)代飛機采用多種鈦合金緊固件主要有普通鈦螺栓、干涉螺栓、特種緊固件等。美國、法國等航空發(fā)達國家， 95% 以上的鈦合金緊固件都采用Ti-6Al-4V（TC4）材料制造。除此之外，還有TB2、βIII、Ti-44.5、Ti-15-3（TB5）、TB8 和TB3，其典型性能參數(shù)如表7 所列。

表7 緊固件用鈦合金的部分典型性能參數(shù)

    Ti-6Al-4V（TC4）合金β 穩(wěn)定系數(shù)最低，為0.27。它的優(yōu)點是密度最低，強度和疲勞性能良好，合金成分簡單，半成品成本最低。但由于室溫塑性沒有達到足夠高，所以加工緊固件時需要采用感應加熱進行熱鐓成形，以及真空固溶處理和時效處理加工成本較高。TB2、TB3、TB8 和TB16 為亞穩(wěn)型β 鈦合金，β 穩(wěn)定系數(shù)均比合金高，缺點是密度較高，強度雖與Ti-6Al-4V 相當，但疲勞性能不如Ti-6Al-4V，而且成分復雜，半成品成本高。由于同樣需要進行真空時效處理，所以成品緊固件的成本還要高于Ti-6Al-4V。

    3 存在的問題與前景展望

    鈦是一種性能優(yōu)異而又儲量豐富的金屬，有“現(xiàn)代金屬”的美稱，經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，鈦合金制備技術(shù)和應用研究都取得了很大進展，在航空領域中尤其得到廣泛的應用。但存在的一些問題也逐漸暴露出來，航空用鈦合金進一步發(fā)展面臨著不小的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在以下3 個方面：

    1） 用量方面。不論是軍民用飛機或航空器中，鈦合金用量高低直接反應出一個國家的航空水平。目前航空發(fā)動機鈦用量都較低，要進一步提高至50%左右，其難度仍相當大。

    2） 性能方面。與其他航空結(jié)構(gòu)材料一樣，高性能是要求具有良好的性能匹配，即必須綜合考慮其力學性能、物理性能、化學性能、工藝性能和缺陷的可控性。現(xiàn)有的鈦合金在600℃以上，蠕變抗力和高溫抗氧化性的急劇下降是限制鈦合金擴大應用的兩大主要障礙。本文作者認為，在整個航空鈦合金技術(shù)發(fā)展和應用過程中，新的制造技術(shù)將會是開發(fā)和研究的重點，如超塑成形等近凈型加工、粉末冶金成型法等。

    3） 成本方面。目前人們在降低成本航空鈦合金方面雖然取得了一些成就，但仍有許多領域有待研究和開發(fā)。以阻燃鈦合金為例，美國發(fā)明的Alloy-C 雖然具有優(yōu)良的阻燃特性和高溫力學性能，但由于它需要添加大量昂貴的V 和較差的可鍛性而導致價格很高，因此只有在F119 發(fā)動機中正式應用。由于管理和技術(shù)落后等原因，國內(nèi)鈦合金產(chǎn)品價格在國際上競爭力差，在國內(nèi)不利于進一步擴大應用。因此，首先必須認真研討降低鈦產(chǎn)品成本的途徑，確定近、中、長期發(fā)展規(guī)劃。其次，我國應建立自己的鈦合金體系，確保每一用途有多種合金備選，逐步擺脫航空關鍵材料對國外的長期依賴，形成主干材料或通用材料，從根本上為實現(xiàn)低成本制造奠定基礎。最后，用價格較低的元素取代貴的合金元素，通過工藝途徑降低鈦合金零部件的成本，是今后鈦合金研究工作中的重要課題。

    綜上所述，鈦合金推重比大、韌性高、強度和可焊接性好，是一種綜合性能優(yōu)良的航空材料。在過去幾十年中，航空用鈦合金的合金化理論、綜合強韌化技術(shù)和熱處理工藝均得到了很大發(fā)展。目前，鈦合金的研究主要集中在高溫下熱穩(wěn)定性、蠕變抗力和低成本的鈦合金設計及制造工藝等方面。隨著研究的深入，將以航空高端應用帶動鈦合金低成本加工的技術(shù)進步，從而在根本上突破制約航空用鈦合金用量和應用水平提升的成本瓶頸。全鈦制造的飛機也許在不遠的將來即會成為現(xiàn)實。

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責任編輯：王元

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