隨(sui)著航空航天事業的(de)(de)(de)快速發(fa)展(zhan)(zhan)，要求結構材料(liao)具有(you)更低(di)的(de)(de)(de)密度(du)、更長(chang)的(de)(de)(de)使用(yong)壽(shou)命，并能(neng)承受更復(fu)雜(za)嚴苛的(de)(de)(de)服(fu)役(yi)條件(jian)。鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)及鈦(tai)(tai)(tai)基(ji)復(fu)合(he)(he)(he)(he)材料(liao)質(zhi)量輕、比強度(du)高，有(you)著優異的(de)(de)(de)耐腐蝕及耐高溫等綜合(he)(he)(he)(he)性能(neng)[1]，在(zai)(zai)(zai)(zai)飛行器(qi)及航空航天發(fa)動(dong)機(ji)上有(you)著廣泛的(de)(de)(de)應(ying)用(yong)，從 20 世紀 50 年代首(shou)次應(ying)用(yong)到現在(zai)(zai)(zai)(zai)，鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)在(zai)(zai)(zai)(zai)其服(fu)役(yi)條件(jian)下(xia)已經取得良(liang)好的(de)(de)(de)經濟效益，但仍有(you)很多(duo)工程化應(ying)用(yong)問(wen)題難(nan)以解決，如(ru)高溫鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)存在(zai)(zai)(zai)(zai)的(de)(de)(de)“熱(re)障”溫度(du)，高強韌鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)難(nan)以同(tong)時達(da)到較高的(de)(de)(de)強度(du)及優異的(de)(de)(de)斷裂(lie)韌度(du)，航空發(fa)動(dong)機(ji)用(yong)鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)在(zai)(zai)(zai)(zai)高速摩擦(ca)下(xia)發(fa)生的(de)(de)(de)“鈦(tai)(tai)(tai)火”等問(wen)題。為(wei)克服(fu)傳統鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)存在(zai)(zai)(zai)(zai)的(de)(de)(de)不(bu)足，深入研(yan)究(jiu)鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)在(zai)(zai)(zai)(zai)不(bu)同(tong)服(fu)役(yi)條件(jian)下(xia)微(wei)觀組(zu)織對性能(neng)的(de)(de)(de)影響，同(tong)時對鈦(tai)(tai)(tai)基(ji)復(fu)合(he)(he)(he)(he)材料(liao)及其工程化應(ying)用(yong)已成為(wei)研(yan)究(jiu)熱(re)點。本文對鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)及鈦(tai)(tai)(tai)基(ji)復(fu)合(he)(he)(he)(he)材料(liao)在(zai)(zai)(zai)(zai)航空航天領域的(de)(de)(de)應(ying)用(yong)現狀進(jin)行總(zong)結，針(zhen)對目(mu)前存在(zai)(zai)(zai)(zai)的(de)(de)(de)問(wen)題進(jin)行了多(duo)維度(du)分析，對未(wei)來的(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)(zhan)趨勢作出展(zhan)(zhan)望，并指(zhi)出相應(ying)的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)重點。

1 、鈦合金及鈦基復合材料在航空航天的發展現狀

1.1 鈦合金的(de)發展現(xian)狀

自 20 世紀 50 年代(dai)起，鈦合(he)(he)金(jin)(jin)作為工業新金(jin)(jin)屬材(cai)料在(zai)全世界范圍出(chu)現后(hou)，航空工業鈦材(cai)用(yong)(yong)量已占(zhan)到(dao)全世界鈦材(cai)市場一半以上[2]。目(mu)前，飛機的(de)結(jie)構(gou)材(cai)料主要是鋁合(he)(he)金(jin)(jin)、鈦合(he)(he)金(jin)(jin)、鋼、鎂(mei)合(he)(he)金(jin)(jin)及(ji)復合(he)(he)材(cai)料[3]，其中有優異減(jian)重效(xiao)果的(de)鈦合(he)(he)金(jin)(jin)在(zai)各個(ge)國家商用(yong)(yong)及(ji)軍用(yong)(yong)飛機上的(de)用(yong)(yong)量占(zhan)比(bi)越(yue)來越(yue)高(gao)（如圖 1）[4-6]。

波音第(di)一架客(ke)機(ji) Boeing 707 機(ji)身鈦(tai)合金僅占(zhan)到總質量(liang)分(fen)數的(de) 0.2%，到最新一代客(ke)機(ji) Boeing 787，鈦(tai)合金占(zhan)比已(yi)達 15%[5]。我國的(de)大飛機(ji) C919 的(de)鈦(tai)合金用量(liang)與波音 777 相當，占(zhan)到 9%~10%，而(er)俄羅斯新一代客(ke)機(ji) MS-21 鈦(tai)合金用量(liang)占(zhan)比達到 25%。在國外第(di)三代戰(zhan)斗(dou)機(ji)上(shang)鈦(tai)合金用量(liang)約占(zhan)機(ji)體結(jie)構質量(liang) 的(de) 20%~25%， 在 第(di) 五 代 戰(zhan) 斗(dou) 機(ji) F-22 上(shang) 高 達41%[6]。

鈦(tai)(tai)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)在(zai)航(hang)空(kong)工業上(shang)的(de)(de)(de)應用(yong)(yong)主(zhu)要(yao)(yao)(yao)為(wei)飛(fei)機(ji)(ji)(ji)(ji)結構(gou)用(yong)(yong)鈦(tai)(tai)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)和(he)航(hang)空(kong)發動(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)用(yong)(yong)鈦(tai)(tai)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)[1]（如圖 2）。飛(fei)機(ji)(ji)(ji)(ji)結構(gou)用(yong)(yong)鈦(tai)(tai)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)主(zhu)要(yao)(yao)(yao)應用(yong)(yong)在(zai)飛(fei)機(ji)(ji)(ji)(ji)骨架、艙門、液(ye)壓管路(lu)及接頭、起落架、蒙(meng)皮、鉚釘、艙門、翼梁等(deng)(deng)，航(hang)空(kong)發動(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)用(yong)(yong)鈦(tai)(tai)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)主(zhu)要(yao)(yao)(yao)應用(yong)(yong)在(zai)壓氣機(ji)(ji)(ji)(ji)葉(xie)(xie)片(pian)、盤和(he)機(ji)(ji)(ji)(ji)匣(xia)等(deng)(deng)零件上(shang)[5]。飛(fei)機(ji)(ji)(ji)(ji)結構(gou)用(yong)(yong)鈦(tai)(tai)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)使(shi)用(yong)(yong)溫(wen)度(du)一般不高(gao)(gao)于 350 ℃，其(qi)(qi)在(zai)比(bi)強(qiang)度(du)、韌(ren)性(xing)(xing)(xing)(xing)、抗(kang)疲(pi)勞性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)、焊接工藝性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)等(deng)(deng)方(fang)(fang)面(mian)有較高(gao)(gao)要(yao)(yao)(yao)求，如美國軍用(yong)(yong)大(da)型(xing)運(yun)輸機(ji)(ji)(ji)(ji) C-17 的(de)(de)(de)安定(ding)面(mian)轉軸等(deng)(deng)關鍵(jian)部位采(cai)用(yong)(yong)高(gao)(gao)強(qiang)高(gao)(gao)韌(ren)性(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de) Ti-62222S 鈦(tai)(tai)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)；航(hang)空(kong)發動(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)用(yong)(yong)鈦(tai)(tai)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)注重高(gao)(gao)溫(wen)下的(de)(de)(de)比(bi)強(qiang)度(du)、熱(re)穩定(ding)性(xing)(xing)(xing)(xing)、抗(kang)氧化性(xing)(xing)(xing)(xing)以及抗(kang)蠕(ru)變等(deng)(deng)性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)，如 F-22 戰斗機(ji)(ji)(ji)(ji)所(suo)用(yong)(yong) F119 發動(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)風扇采(cai)用(yong)(yong)了寬弦(xian)空(kong)心鈦(tai)(tai)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)葉(xie)(xie)片(pian)，在(zai)滿足性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)要(yao)(yao)(yao)求的(de)(de)(de)同(tong)時，可(ke)以進一步提高(gao)(gao)推重比(bi)[1，7]。鈦(tai)(tai)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)受到(dao)飛(fei)機(ji)(ji)(ji)(ji)設計者的(de)(de)(de)青睞，其(qi)(qi)中主(zhu)要(yao)(yao)(yao)的(de)(de)(de)一方(fang)(fang)面(mian)是在(zai)保證(zheng)結構(gou)強(qiang)度(du)的(de)(de)(de)同(tong)時，大(da)幅(fu)減輕結構(gou)質量(liang)，比(bi)如應用(yong)(yong)于液(ye)壓管道，和(he)鋼管相比(bi)，減重可(ke)達 40%。目前(qian)，應用(yong)(yong)于航(hang)空(kong)方(fang)(fang)面(mian)的(de)(de)(de)新型(xing)高(gao)(gao)性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)鈦(tai)(tai)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)主(zhu)要(yao)(yao)(yao)為(wei)高(gao)(gao)溫(wen)鈦(tai)(tai)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)、高(gao)(gao)強(qiang)韌(ren)鈦(tai)(tai)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)、阻(zu)燃鈦(tai)(tai)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)等(deng)(deng)，其(qi)(qi)中作(zuo)為(wei)現代航(hang)空(kong)發動(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)關鍵(jian)材料之(zhi)一的(de)(de)(de)高(gao)(gao)溫(wen)鈦(tai)(tai)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)是主(zhu)要(yao)(yao)(yao)的(de)(de)(de)發展方(fang)(fang)向之(zhi)一[8]。

鈦(tai)(tai)合(he)(he)金在航(hang)(hang)天(tian)方(fang)面(mian)上的(de)主要(yao)應用(yong)是火(huo)箭發動機殼體、火(huo)箭噴(pen)嘴導管、導彈的(de)外殼及宇宙飛(fei)船(chuan)的(de)船(chuan)艙(cang)或者燃料和氧(yang)化劑儲(chu)存箱及其他高壓(ya)容(rong)(rong)器（如(ru)(ru)圖 3）[9]。對(dui)于(yu)航(hang)(hang)天(tian)飛(fei)行器來說，除滿足航(hang)(hang)空(kong)用(yong)鈦(tai)(tai)合(he)(he)金使用(yong)性(xing)(xing)能要(yao)求外，還必須(xu)具有(you)耐高溫、耐低(di)溫、抗輻(fu)射等(deng)性(xing)(xing)能。現(xian)如(ru)(ru)今，鈦(tai)(tai)合(he)(he)金已成(cheng)為航(hang)(hang)天(tian)領域不可或缺(que)的(de)關鍵材料。如(ru)(ru)：美(mei)國“阿波羅”飛(fei)船(chuan)的(de)50 個壓(ya)力容(rong)(rong)器約 85% 采用(yong)鈦(tai)(tai)制(zhi)成(cheng)；日本第(di)一顆實驗衛(wei)星“大角”號(hao)(hao)采用(yong)了(le) Ti-2Al-2Mn 鈦(tai)(tai)合(he)(he)金；俄(e)羅斯在“能源-暴風(feng)雪”號(hao)(hao)、“和平(ping)-1”號(hao)(hao)、“進步”號(hao)(hao)、“金星”號(hao)(hao)、“月球”號(hao)(hao)航(hang)(hang)天(tian)器上也(ye)廣泛使用(yong)了(le)鈦(tai)(tai)合(he)(he)金材料[10]。

1.2 鈦基復合材料的發展現狀

隨(sui)著(zhu)航空(kong)(kong)航天事業的(de)(de)(de)進(jin)一(yi)步(bu)發(fa)展，發(fa)動機(ji)(ji)零部件將面臨更(geng)嚴苛(ke)的(de)(de)(de)服役條件，承受更(geng)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)溫度，更(geng)大的(de)(de)(de)沖擊(ji)載(zai)荷。而(er)傳統的(de)(de)(de)高(gao)(gao)溫鈦(tai)(tai)(tai)合金(jin)存在“熱障”溫度，即使用(yong)溫度不得超過 600 ℃，這(zhe)使得研究人(ren)員傾向于開發(fa)以鈦(tai)(tai)(tai)合金(jin)為基體的(de)(de)(de)鈦(tai)(tai)(tai)基復(fu)合材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)。鈦(tai)(tai)(tai)基復(fu)合材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)研究始于 20 世紀 70 年代，目(mu)前已成為超高(gao)(gao)音速宇航飛行器和新一(yi)代航空(kong)(kong)發(fa)動機(ji)(ji)的(de)(de)(de)候選材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)，其高(gao)(gao)溫性(xing)(xing)能(neng)及耐腐蝕性(xing)(xing)能(neng)均優(you)于高(gao)(gao)溫鈦(tai)(tai)(tai)合金(jin)[11]。通過開發(fa)鈦(tai)(tai)(tai)基復(fu)合材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)（TMCs），還(huan)可(ke)以進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)高(gao)(gao)傳統鈦(tai)(tai)(tai)合金(jin)的(de)(de)(de)強度、硬度，耐磨性(xing)(xing)等性(xing)(xing)能(neng)。除此之外，鈦(tai)(tai)(tai)基復(fu)合材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)作(zuo)為結構材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)，還(huan)可(ke)以應用(yong)于酸、堿、高(gao)(gao)溫、高(gao)(gao)壓等條件，被認為是可(ke)以進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)升鈦(tai)(tai)(tai)材(cai)(cai)(cai)性(xing)(xing)能(neng)和擴大其應用(yong)范圍的(de)(de)(de)新型材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)[12]。

鈦(tai)基復(fu)合(he)材(cai)料(liao)可分(fen)為連續(xu)纖維增強(qiang)(qiang)鈦(tai)基復(fu)合(he)材(cai) 料(liao) （ continuously reinforced titanium matrixcomposites，CRTMCs）和非連續(xu)晶(jing)須(xu)或顆粒增強(qiang)(qiang)鈦(tai)基 復(fu) 合(he) 材(cai) 料(liao) （ discontinuously reinforced titaniummatrix composites，DRTMCs）[12]。近(jin)年來，國內上海交通大(da)(da)學(xue)、西北工業(ye)大(da)(da)學(xue)、哈爾濱工業(ye)大(da)(da)學(xue)、西北有色研究院等都對此展開了(le)相關的研究工作（如表(biao) 1）。

DRTMCs 的(de)制造方式可分為(wei)外加法(fa)和(he)原位合(he)成工(gong)藝法(fa)兩種[18]，其中原位合(he)成工(gong)藝法(fa)具有(you)(you)顯著優勢[19-21]：（1）基體(ti)中增(zeng)強(qiang)(qiang)(qiang)體(ti)的(de)熱力(li)學穩(wen)定性(xing)更高；（2）增(zeng)強(qiang)(qiang)(qiang)體(ti)與基體(ti)之間(jian)的(de)界(jie)面結合(he)增(zeng)強(qiang)(qiang)(qiang)；（3）通過(guo)調控增(zeng)強(qiang)(qiang)(qiang)體(ti)非均勻分布制備的(de) DRTMCs，具有(you)(you)更綜合(he)的(de)力(li)學性(xing)能。制造具有(you)(you)增(zeng)強(qiang)(qiang)(qiang)效果鈦基復合(he)材料(liao)（TMCs）的(de)常用增(zeng)強(qiang)(qiang)(qiang)相(xiang)包括(kuo) Cr3C2，TiC，TiN，TiO2，Si3N4，SiC，TiB2，TiB，Al2O3 和(he) Ti5Si3，硼顆粒和(he)碳納米(mi)(mi)顆粒，納米(mi)(mi)管和(he)纖維也已被用作有(you)(you)效元素添加在 TMCs 中（各(ge)增(zeng)強(qiang)(qiang)(qiang)相(xiang)的(de)物(wu)理(li)性(xing)質如(ru)表 2 所示）。

盡管(guan)目前碳納米管(guan)、石墨(mo)烯、碳纖維等是 TMCs 的研究熱點，但通過原位合(he)成反應形成的 TiB 晶須(xu)（TiBw）和 TiC 顆粒（TiCp）始終(zhong)被(bei)認為是 TMCs 最佳(jia)增(zeng)(zeng)強相(xiang)[22-24]，表 2 列出了(le)幾種典型的 TMCs 增(zeng)(zeng)強相(xiang)的物(wu)理性質(zhi)。

根據 NASA 報告的(de)(de)(de)數(shu)據，可以看出鈦(tai)基復(fu)合材(cai)料(liao)在(zai)飛機上(shang)的(de)(de)(de)應用不(bu)斷增長[12]（圖(tu) 4）。作為航空航天用結(jie)構(gou)材(cai)料(liao)，鈦(tai)基復(fu)合材(cai)料(liao)在(zai)強度提高的(de)(de)(de)同(tong)時，還(huan)需要(yao)很好的(de)(de)(de)塑性、斷裂韌度以及高溫抗(kang)氧化(hua)(hua)性能。鈦(tai)基復(fu)合材(cai)料(liao)中的(de)(de)(de)增強相(xiang)(xiang)會阻礙位錯(cuo)運動，造(zao)成位錯(cuo)塞積(ji)，導致塑性不(bu)佳(jia)，因此(ci)應對鈦(tai)基復(fu)合材(cai)料(liao)增強相(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)分布方(fang)(fang)式進行優(you)化(hua)(hua)設計[11，25]。為提高TMCs 的(de)(de)(de)抗(kang)氧化(hua)(hua)性，一方(fang)(fang)面(mian)需形成連續、致密且穩定的(de)(de)(de)氧化(hua)(hua)膜，另一方(fang)(fang)面(mian)要(yao)使(shi)氧化(hua)(hua)膜和 Ti 基牢(lao)固結(jie)合[26]。

2、 高性能鈦合金及鈦基復合材料的應用與研究

2.1 高溫鈦合金

美國(guo)(guo)于 1954 年(nian)成功研制出使用溫(wen)(wen)度可達 350 ℃的(de)(de)(de) α+β 兩相型高溫(wen)(wen)鈦(tai)(tai)合金，在航(hang)(hang)空航(hang)(hang)天領域得到廣泛的(de)(de)(de)應(ying)用。之后，隨著航(hang)(hang)空航(hang)(hang)天技術的(de)(de)(de)不(bu)斷發展(zhan)，各(ge)國(guo)(guo)不(bu)斷研發出有(you)著更高使用溫(wen)(wen)度、更長使用壽命(ming)的(de)(de)(de)高溫(wen)(wen)鈦(tai)(tai)合金。目(mu)前，能(neng)穩定在 600 ℃ 使用的(de)(de)(de)高溫(wen)(wen)鈦(tai)(tai)合金有(you)英國(guo)(guo)的(de)(de)(de) IMI834、美國(guo)(guo)的(de)(de)(de) Ti-1100、俄羅斯的(de)(de)(de) BT18Y 和 BT36 等 合 金 ， 已 成 功 應(ying) 用 到 T55-712 及(ji) Trent700 等航(hang)(hang)空發動機(ji)[27]。表 3 列出典型600 ℃ 及(ji) 600 ℃ 以(yi)上高溫(wen)(wen)鈦(tai)(tai)合金的(de)(de)(de)成分及(ji)特點[27-29]。

這些合(he)(he)金(jin)(jin)均以(yi)(yi) Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 作(zuo)為主成分系(xi)，不同(tong)之處在于(yu)其中的(de)合(he)(he)金(jin)(jin)化含量以(yi)(yi)及 β 穩定元素不同(tong)[30]。表 4 列出幾種典型 600 ℃ 及 600 ℃ 以(yi)(yi)上(shang)高溫鈦合(he)(he)金(jin)(jin)的(de)力學性能[27, 31-33]。

目前(qian)為止，能穩定(ding)在 600 ℃ 以上應用的航空發(fa)(fa)動(dong)機用鈦合金(jin)的發(fa)(fa)展依然面(mian)臨著巨大的困難和(he)挑戰，這是因為材料的熱強性(xing)和(he)熱穩定(ding)性(xing)在 600 ℃ 以上是一對主要的矛盾，嚴重制約了高溫(wen)鈦合金(jin)的發(fa)(fa)展[34]。即使其(qi)使用溫(wen)度很(hen)難突破 600 ℃，但相關研(yan)究從未停止，主要集中(zhong)在以下(xia)六個方面(mian)：

（1）優化 β 穩(wen)定元素的(de)(de)含(han)量，改(gai)善合金(jin)高(gao)溫抗(kang)(kang)拉(la)(la)強度(du)(du)。Si 在(zai)鈦合金(jin)中(zhong)屬于共析型(xing)(xing) β 相穩(wen)定元素，雖然它的(de)(de)引入可以提高(gao)其高(gao)溫蠕變抗(kang)(kang)性，但由于本身的(de)(de)脆(cui)性以及硅化物的(de)(de)析出(chu)嚴(yan)重影響了合金(jin)的(de)(de)高(gao)溫穩(wen)定性和(he)室溫延展(zhan)性[29，31]。宋曉云等[35] 降(jiang)低Si 在(zai) Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 系中(zhong)的(de)(de)含(han)量，提高(gao) β 穩(wen)定元素 Mo、Nb、W 的(de)(de)含(han)量，制備出(chu)新(xin)型(xing)(xing)高(gao)溫鈦合金(jin) BTi-6431S，雖然在(zai) 650 ℃ 下(xia)斷面(mian)伸(shen)長(chang)率有所下(xia)降(jiang)，但 極 限 抗(kang)(kang) 拉(la)(la) 強 度(du)(du) （ UTS） 卻 能 與(yu) 600 ℃ 下(xia) 的(de)(de) Ti-1100 和(he) BT36 相當，圖 5 為三組不同的(de)(de)熱處理方式（見表 5）后合金(jin) BTi-6431s 的(de)(de)拉(la)(la)伸(shen)性能，包括(kuo)屈(qu)服強度(du)(du)（YS）、極限抗(kang)(kang)拉(la)(la)強度(du)(du)（UTS）和(he)延伸(shen)率（EL）。

（2）添(tian)加(jia)(jia)稀(xi)(xi)土元(yuan)素(su)，提(ti)高(gao)(gao)合(he)金的(de)熱穩定(ding)性(xing)。稀(xi)(xi)土元(yuan)素(su)能(neng)(neng)(neng)(neng)夠(gou)通過(guo)脫氧作(zuo)用凈化鈦合(he)金基體，并在晶界彌散析出高(gao)(gao)熔點稀(xi)(xi)土氧化物形成位錯環(huan)來強化基體、抑制 α2 等(deng)脆性(xing)相(xiang)的(de)析出與長大，提(ti)高(gao)(gao)合(he)金的(de)熱穩定(ding)性(xing)[29]。陳子勇(yong)等(deng)[36] 添(tian)加(jia)(jia)微(wei)量元(yuan)素(su) Er 和(he) Re，設計(ji)出新型耐 650 ℃ 高(gao)(gao)溫鈦合(he)金 Ti-6.5Al-2.5Sn-9Zr-0.5Mo-1Nb-1W-0.25Si-0.1Er 和(he) Ti-6.5Al-2.5Sn-9Zr-0.5Mo-1Nb-1W-0.25Si-0.1Re，兩種(zhong)合(he)金在 650 ℃下(xia)的(de)力(li)學(xue)性(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)與 600 ℃ 下(xia) Ti60 合(he)金性(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)相(xiang)當(dang)，如圖 6 所(suo)示(shi)為兩種(zhong)高(gao)(gao)溫鈦合(he)金在室溫和(he)高(gao)(gao)溫環(huan)境(jing)下(xia)的(de)拉伸性(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)。

（3）研(yan)發(fa)高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)抗氧(yang)化(hua)涂(tu)層，進一步提高(gao)(gao)(gao)合金表面(mian)抗氧(yang)化(hua)性(xing)能。高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)鈦(tai)合金在長時熱暴露(lu)后，導致(zhi)其抗氧(yang)化(hua)性(xing)下降[28]。李旭(xu)升[38] 總結 500～750 ℃的(de)高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)鈦(tai)合金的(de)氧(yang)化(hua)行為(wei)，發(fa)現近(jin)(jin) α 高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)鈦(tai)合金不(bu)但在表面(mian)會形成氧(yang)化(hua)層，而(er)且(qie)在接近(jin)(jin)基(ji)體的(de)一側會形成富氧(yang)層，由于高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)環境的(de)影響(xiang)，其會轉變(bian)成一層堅硬且(qie)脆的(de)金屬氧(yang)化(hua)物(wu)，故(gu)也(ye)稱為(wei)表面(mian)氧(yang)脆層，并(bing)會隨(sui)著溫(wen)(wen)(wen)度的(de)升高(gao)(gao)(gao)逐漸變(bian)厚。

（4）研究(jiu) Ti-Al 基合金的抗(kang)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)機(ji)(ji)制(zhi)，進一步(bu)提高(gao)(gao)其高(gao)(gao)溫(wen)抗(kang)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)性能(neng)。Ti-Al 基有(you)著優異(yi)的高(gao)(gao)溫(wen)強度，抗(kang)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)性能(neng)和高(gao)(gao)溫(wen)抗(kang)蠕變性能(neng)，已成功(gong)應(ying)用在波音 747-8 和 787 的發動機(ji)(ji)上[39]。為(wei)進一步(bu)探(tan)究(jiu) Ti-Al 基優異(yi)的抗(kang)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)機(ji)(ji)制(zhi)，陳道倫等[40] 在結合密度泛(fan)函理論相關的熱力學，研究(jiu)了新型(xing) TiAlNbCr合金的微(wei)觀組織演變。

（5）改善(shan)熱(re)加(jia)工(gong)工(gong)藝，精準調控(kong)更高溫度下合金(jin)的(de)組織(zhi)性能(neng)。目前，絕大部分研(yan)究(jiu)(jiu)都集中在對600 ℃ 高溫鈦合金(jin)的(de)力學性能(neng)和(he)微觀組織(zhi)演(yan)變(bian)(bian)上[37，41]。樊江昆等[42] 研(yan)究(jiu)(jiu)了 650 ℃ 的(de) Ti65 合金(jin)的(de)微觀組織(zhi)、織(zhi)構的(de)演(yan)化及(ji)熱(re)變(bian)(bian)形(xing)行(xing)為，進一步指導優化熱(re)加(jia)工(gong)工(gong)藝，圖(tu)(tu) 7 為 Ti65 合金(jin)熱(re)變(bian)(bian)形(xing)過程析(xi)出(chu)原(yuan)理(li)圖(tu)(tu)，經過熱(re)壓(ya)縮(suo)變(bian)(bian)性后，在等軸(zhou) α 相區的(de)間隙析(xi)出(chu)了次生 α 納米(mi)晶(jing)(jing)粒（αs），納米(mi)硅(gui)化物均勻分散在初生 α 區域（αp）；對于 α+β 相區，板條狀(zhuang)α′分布在 β 晶(jing)(jing)粒中，經熱(re)壓(ya)縮(suo)變(bian)(bian)形(xing)后，在 α′晶(jing)(jing)間析(xi)出(chu)了 FCC 孿晶(jing)(jing)，β 晶(jing)(jing)界(jie)間也(ye)分布著(zhu)動態再結(jie)晶(jing)(jing)（DRX）β 相。

（6）細小(xiao)且彌散(san)分布(bu)的(de)硅(gui)化(hua)物可以明顯提高(gao)(gao)合(he)(he)金強度和高(gao)(gao)溫抗蠕變性(xing)(xing)能[29]。Si 在鈦合(he)(he)金中以固溶態和彌散(san)析出的(de)硅(gui)化(hua)物存在，可有效阻礙位錯運動，提高(gao)(gao)鈦合(he)(he)金的(de)高(gao)(gao)溫蠕變抗性(xing)(xing)[43]。但(dan) Si 含量(liang)超過 0.4% 時，高(gao)(gao)溫下粗大脆(cui)性(xing)(xing)相硅(gui)化(hua)物會(hui)降低合(he)(he)金的(de)熱穩定性(xing)(xing)，劉彬(bin)等(deng)[43] 通過粉(fen)末冶金制(zhi)備出 Si 含量(liang)較高(gao)(gao)且具有細小(xiao)彌散(san)的(de)硅(gui)化(hua)物的(de) Ti-6Al-4Zr-0.5W-0.6Si 合(he)(he)金，再通過熱變形消(xiao)除孔隙，其(qi)力學(xue)性(xing)(xing)能見圖 8 和圖 9，在室(shi)溫和高(gao)(gao)溫下表現出優(you)異的(de)拉伸性(xing)(xing)能。

2.2 高強韌鈦(tai)合金

高(gao)(gao)(gao)強(qiang)韌(ren)(ren)鈦合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)一(yi)(yi)般(ban)指在(zai)室(shi)溫(wen)下(xia)(xia)抗拉(la)強(qiang)度(du)在(zai)1000 MPa 以上(shang)，斷(duan)裂韌(ren)(ren)度(du)在(zai) 55 MPa?m1/2 以上(shang)的(de)(de)(de)鈦合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)，主(zhu)要(yao)用(yong)作飛機(ji)的(de)(de)(de)機(ji)身(shen)結構(gou)件(jian)(jian)，在(zai)減(jian)輕機(ji)身(shen)自(zi)重的(de)(de)(de)同時，還能(neng)滿(man)足(zu)(zu)高(gao)(gao)(gao)負(fu)載部件(jian)(jian)的(de)(de)(de)使用(yong)要(yao)求(qiu)[44]。國(guo)際(ji)上(shang)廣泛(fan)應(ying)用(yong)的(de)(de)(de)高(gao)(gao)(gao)強(qiang)韌(ren)(ren)鈦合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)主(zhu)要(yao)以美國(guo)開(kai)發的(de)(de)(de)Ti-1023（ TB6） 、 Ti-153（ TB5） 、 β-21S（ TB8） 、Ti62222S 以 及(ji) 蘇 聯 開(kai) 發 的(de)(de)(de) BT22（ TC18） 合(he)(he)(he) 金(jin)(jin)(jin)(jin)[45]為代表(biao)，表(biao) 6 列出這些鈦合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)化學(xue)成分和(he)部分力(li)學(xue)性(xing)(xing)能(neng)[4, 44-48]。這部分合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)抗拉(la)強(qiang)度(du)一(yi)(yi)般(ban)不(bu)(bu)超過1200 MPa，但為滿(man)足(zu)(zu)更(geng)(geng)高(gao)(gao)(gao)強(qiang)度(du)的(de)(de)(de)航空大型(xing)結構(gou)件(jian)(jian)，美國(guo) Boeing 公司和(he)俄羅斯 VSMPO 在(zai) BT22 合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)基礎上(shang)研制(zhi)了新型(xing)高(gao)(gao)(gao)強(qiang)鈦合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin) Timetal555（Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.6Fe），亦稱 Ti-5553，強(qiang)度(du)可達(da) 1367MPa[49]； 歐 洲 空 客(ke) 公 司 和(he) 俄 羅 斯 VSMPO 基 于BT22 合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)改進設計了 VST-55531（Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr），亦稱 Ti-55531，抗拉(la)強(qiang)度(du)可達(da) 1350 MPa，斷(duan)裂韌(ren)(ren)度(du)為 51.5 MPa?m1/2[44]。發展至今，單一(yi)(yi)的(de)(de)(de)高(gao)(gao)(gao)強(qiang)度(du)已經(jing)不(bu)(bu)能(neng)滿(man)足(zu)(zu)鈦合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)在(zai)部分結構(gou)件(jian)(jian)上(shang)的(de)(de)(de)應(ying)用(yong)，我國(guo)近幾年逐漸開(kai)始研制(zhi)具有(you)更(geng)(geng)高(gao)(gao)(gao)斷(duan)裂韌(ren)(ren)度(du)的(de)(de)(de)高(gao)(gao)(gao)強(qiang) 韌(ren)(ren) 損(sun) 傷(shang) 容(rong) 限 型(xing) 鈦 合(he)(he)(he) 金(jin)(jin)(jin)(jin) ， 其(qi) 中 TC21 合(he)(he)(he) 金(jin)(jin)(jin)(jin) 在(zai)1100 MPa 強(qiang)度(du)下(xia)(xia)塑(su)韌(ren)(ren)性(xing)(xing)匹配良好[45]，其(qi)他具有(you)良好強(qiang)韌(ren)(ren)性(xing)(xing)匹配合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)有(you) TB10[50]、TB19[51]、Ti-1300[52]、BTi-6554 及(ji) Ti-63 等 ， 這 部 分 合(he)(he)(he) 金(jin)(jin)(jin)(jin) 屈 服 強(qiang) 度(du) 在(zai)1200 MPa 以上(shang)，斷(duan)裂韌(ren)(ren)度(du)可達(da)到 70 MPa?m1/2。

近(jin)亞(ya)穩(wen) β 型和亞(ya)穩(wen) β 型鈦(tai)合金(jin)由(you)于具有高(gao)(gao)比輕度(du)(du)、深(shen)淬透性(xing)(xing)和良好的(de)(de)(de)耐腐蝕性(xing)(xing)等(deng)良好的(de)(de)(de)綜合性(xing)(xing)能(neng)，在航空航天領(ling)域獲得廣泛的(de)(de)(de)應(ying)用，但(dan)近(jin)亞(ya)穩(wen)β 型鈦(tai)合金(jin)通過(guo)改(gai)變微觀組織(zhi)可以(yi)獲得更優異(yi)的(de)(de)(de)性(xing)(xing)能(neng)，目前高(gao)(gao)強(qiang)韌(ren)鈦(tai)合金(jin)成(cheng)分大都是基于 BT22 開發的(de)(de)(de) Ti-Al-Mo-V-Cr 系鈦(tai)合金(jin)，并添加適(shi)量的(de)(de)(de) β 穩(wen)定元素(su) Fe 或可抑制 α2 生(sheng)成(cheng)的(de)(de)(de) Zr 提高(gao)(gao)合金(jin)的(de)(de)(de)強(qiang)度(du)(du)和斷(duan)裂(lie)(lie)韌(ren)度(du)(du)，但(dan)應(ying)避免產生(sheng)成(cheng)分偏析(xi)[44]。趙永慶[45]等(deng)通過(guo)計算 Mo 當量并考慮合金(jin)元素(su)對(dui)合金(jin)強(qiang)度(du)(du)及韌(ren)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)影響，設計出新型高(gao)(gao)強(qiang)韌(ren) β 型鈦(tai)合金(jin) Ti-5321，雙態區固(gu)溶時效(xiao)處(chu)(chu)理后(hou)，經(jing)過(guo) β 退(tui)火后(hou)緩冷(leng)時效(xiao)（BASCA）熱處(chu)(chu)理工(gong)藝，合金(jin)的(de)(de)(de)抗拉強(qiang)度(du)(du)可以(yi)達(da)到 1275 MPa，斷(duan)裂(lie)(lie)韌(ren)度(du)(du)超過(guo) 65 MPa?m1/2，圖 10為 BASCA 熱處(chu)(chu)理后(hou)的(de)(de)(de)金(jin)相組織(zhi)。

β 型(xing)高(gao)強(qiang)韌(ren)(ren)鈦(tai)合(he)金(jin)一(yi)般(ban)經固溶時效處理(li)，許多(duo)研(yan)究(jiu)表明(ming)，即使熱處理(li)加熱速率或冷卻速率存在(zai)(zai)微小差別(bie)，也(ye)會導致析(xi)(xi)出相(xiang)(xiang)的(de)(de)變化(hua)，從而產生不同的(de)(de)力學(xue)性(xing)能[53-54]，因(yin)此，需要通過優(you)化(hua)工藝參數提(ti)(ti)高(gao)鈦(tai)合(he)金(jin)的(de)(de)塑(su)韌(ren)(ren)性(xing)和(he)損(sun)傷容限性(xing)能。趙永(yong)慶等探究(jiu)對熱加工工藝十分敏感的(de)(de) Ti-1300 合(he)金(jin)析(xi)(xi)出相(xiang)(xiang)對力學(xue)性(xing)能的(de)(de)影響，發(fa)現(xian)固溶處理(li)后 α 相(xiang)(xiang)在(zai)(zai)晶界析(xi)(xi)出，可阻(zu)礙位錯的(de)(de)運動(dong)，提(ti)(ti)高(gao)合(he)金(jin)的(de)(de)強(qiang)度，但分布不均(jun)勻，并且表面粗糙(cao)，在(zai)(zai)時效處理(li)后，從 β 相(xiang)(xiang)中彌散析(xi)(xi)出細小的(de)(de)二次 α 相(xiang)(xiang)，進一(yi)步提(ti)(ti)高(gao)合(he)金(jin)的(de)(de)強(qiang)度，而且由于之前(qian)的(de)(de)初(chu)生 α 相(xiang)(xiang)和(he)強(qiang)化(hua)的(de)(de)晶界抑制 β 晶粒(li)的(de)(de)長大，使合(he)金(jin)依舊擁有良好(hao)的(de)(de)韌(ren)(ren)性(xing)[55]。

2.3 阻燃鈦合金

航空發動(dong)機(ji)鈦合金(jin)(jin)(jin)零部件的(de)熱(re)系數低，燃燒熱(re)高，在高速摩擦(ca)和(he)粒子撞擊下容易引(yin)發“鈦火”。鈦合金(jin)(jin)(jin)燃燒速率快(kuai)，一般在 4～20 s[56]，燃燒反應(ying)一旦開(kai)(kai)始很(hen)難終止，會造成巨大的(de)經濟損失。為解(jie)決“鈦火”這一難題，設計并開(kai)(kai)發阻燃鈦合金(jin)(jin)(jin)就顯得尤為重要(yao)。目前國內外根據(ju)不(bu)同的(de)阻燃機(ji)理開(kai)(kai)發出 Ti-V-Cr 和(he) Ti-Cu 兩個系阻燃鈦合金(jin)(jin)(jin)[57-59]。

Ti-V-Cr 系合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)最具代表性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)是(shi)(shi)美國(guo)普惠公司(si)研(yan)(yan)發的(de)(de)(de)(de) Alloy C（Ti1270）合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)[59-60]，后在(zai)(zai)其(qi)(qi)基礎(chu)上(shang)通過少量(liang)添加 Si、C 元(yuan)素(su)制(zhi)(zhi)備出(chu) Alloy C+合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)[59-60]，提高(gao)(gao)(gao)(gao)了合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)蠕變性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)。我國(guo)在(zai)(zai) Alloy C 合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)基礎(chu)上(shang)研(yan)(yan)制(zhi)(zhi)出(chu) Ti40 和(he) TF550 兩種阻燃(ran)(ran)鈦合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)[58，61-63]（見表 7）。Ti40 鈦合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)[64] 具有良好的(de)(de)(de)(de)室溫(wen)(wen)塑(su)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)，但高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)塑(su)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)較差(cha)，使該(gai)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)在(zai)(zai)高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)變形時，金(jin)(jin)(jin)屬(shu)流動困(kun)難(nan)，晶界易裂(lie)開(kai)，熱加工較為困(kun)難(nan)。TF550 阻燃(ran)(ran)鈦合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)是(shi)(shi)北(bei)京航空(kong)材料(liao)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)院在(zai)(zai) Alloy C+的(de)(de)(de)(de)基礎(chu)上(shang)，對 Si、C 元(yuan)素(su)含量(liang)優化并研(yan)(yan)發的(de)(de)(de)(de)。與 Ti40 阻燃(ran)(ran)鈦 合(he)(he) 金(jin)(jin)(jin) 相 比 ， TF550 使 用 溫(wen)(wen) 度 提 高(gao)(gao)(gao)(gao) 了 50 ℃ ， 在(zai)(zai)550 ℃ 仍 具 有 很 好 的(de)(de)(de)(de) 蠕 變 和(he) 持 久 性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing) 能(neng)(neng) 。 雖 然TF550 的(de)(de)(de)(de)密度和(he)成(cheng)本更高(gao)(gao)(gao)(gao)一些，但其(qi)(qi)高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)更具優勢(shi)。近年來，我國(guo)西(xi)部超導公司(si)（WST 公司(si)）聯合(he)(he)西(xi)北(bei)有色金(jin)(jin)(jin)屬(shu)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)院、北(bei)京航空(kong)材料(liao)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)院、西(xi)北(bei)工業大學等(deng)單位在(zai)(zai) Alloy C、Alloy C＋和(he) Ti40 合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)基礎(chu)上(shang)，通過調整 Si、C 元(yuan)素(su)的(de)(de)(de)(de)含量(liang)而研(yan)(yan)制(zhi)(zhi)成(cheng)功(gong)的(de)(de)(de)(de)一種新型(xing)高(gao)(gao)(gao)(gao)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)化型(xing) Ti-V-Cr 系阻燃(ran)(ran)鈦合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)—WSTi3515S[65]。WSTi3515S 阻燃(ran)(ran)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)具有良好的(de)(de)(de)(de)室溫(wen)(wen)、高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)拉伸，蠕變和(he)韌性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)斷裂(lie)等(deng)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)，由于(yu)WSTi3515S 合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)起(qi)步(bu)較晚，目(mu)前工程(cheng)化的(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)還(huan)在(zai)(zai)進行中(zhong)。

Ti-Cu 系合(he)金具有成本低(di)，密度低(di)，加(jia)工性能(neng)(neng)好等優點。俄羅斯研(yan)發的(de) BTT-1 和 BTT-3[61]，以及我國西北有色(se)金屬(shu)研(yan)究院研(yan)發的(de) Ti-14 都屬(shu)于 Ti-Cu 系（見表 8）。Ti14 阻燃鈦合(he)金具有較好的(de)加(jia)工性能(neng)(neng)，室溫性能(neng)(neng)，熱穩定性能(neng)(neng)以及阻燃性能(neng)(neng)，存在低(di)熔點的(de) Ti2Cu 相是其抗(kang)燃燒的(de)主要(yao)原因[61-62，64-66]。

目 前 國 內 最 常 用 的 阻 燃 鈦 合 金 為 Ti40 和Ti14，Ti40 是 Ti-V-Cr 系典型的阻燃鈦合金，Ti14是 Ti-Cu 系典型的阻燃鈦合金。陳永楠等[67] 對Ti40 和 Ti14 的阻燃機理進行深入分析發現，與阻燃性能較差的 TC4 合金相比，Ti40 和 Ti14 具有更好的耐燃性。在 Ti40 合金中，由于 Cr、V 元素與氧反應分別形成 Cr2O3 和 V2O5，生成的氧化物層的密度高于 TiO2，Ti 難以與氧氣接觸，抑制了進一步的燃燒反應；而在 Ti14 合金中，由于 Cu 元素向外擴散，形成富銅層，部分銅與氧氣反應生成 CuO 和 CuO₂，減少(shao)了鈦與氧(yang)氣的(de)接觸(chu)。同(tong)時由于共析(xi)反應，生成大量 Ti2Cu 相，從(cong)而提高了耐燃性能（如圖(tu) 11）。

2.4 低溫鈦合金

鈦及鈦合(he)金(jin)具有良好的低(di)(di)(di)溫(wen)韌性(xing)、高的比強度，在(zai)低(di)(di)(di)溫(wen)下熱傳導(dao)率低(di)(di)(di)、膨脹(zhang)系數小、無磁性(xing)等特點，近年來，低(di)(di)(di)溫(wen)鈦合(he)金(jin)在(zai)航空航天領域低(di)(di)(di)溫(wen)服役零件中成為(wei)備受矚(zhu)目的工程(cheng)材料[9，68]。

國(guo)(guo)內(nei)外低(di)(di)(di)溫(wen)(wen)鈦合(he)(he)金(jin)(jin)發展應用(yong)(yong)已日(ri)趨成(cheng)熟（具(ju)體應用(yong)(yong)見表 9），蘇聯最早研(yan)(yan)(yan)制(zhi)的(de)(de)(de) OT4、OT4-1、BT5-1KT 和 ΠT-3BKT 等(deng)(deng) α 鈦合(he)(he)金(jin)(jin)已在航天(tian)火(huo)箭裝備中獲得大量應用(yong)(yong)[10，69-72]。近年(nian)來，俄羅斯某金(jin)(jin)屬研(yan)(yan)(yan)究(jiu)院(yuan) 用(yong)(yong) BT6 合(he)(he) 金(jin)(jin) 制(zhi) 造 工 作(zuo) 溫(wen)(wen) 度(du) 可 達 ﹣200 ℃ 的(de)(de)(de)H600 mm 的(de)(de)(de)模鍛件和承載托架等(deng)(deng)[69-72]。美國(guo)(guo)在阿波羅計劃(hua)中，開發TA7ELI、Ti-6Al-4VELI、Ti8Al1Mo1V以 及 Ti6Al3Nb2Zr 等(deng)(deng) 低(di)(di)(di) 溫(wen)(wen) 鈦 合(he)(he) 金(jin)(jin)[69-71]。 20 世 紀(ji)80 年(nian)代初，日(ri)本主要對(dui)美國(guo)(guo)開發的(de)(de)(de) Ti-6Al-4VELI和 TA7ELI 低(di)(di)(di)溫(wen)(wen)鈦合(he)(he)金(jin)(jin)進行斷裂(lie)機(ji)理研(yan)(yan)(yan)究(jiu)，并應用(yong)(yong)在超導領(ling)域。最近，日(ri)本研(yan)(yan)(yan)制(zhi)的(de)(de)(de) LT700 鈦合(he)(he)金(jin)(jin)在低(di)(di)(di)溫(wen)(wen)下具(ju)有較(jiao)高(gao)的(de)(de)(de)屈服(fu)強度(du)，其塑(su)性與 Ti-5Al-2.5SnELI合(he)(he)金(jin)(jin)相(xiang)當(dang)，且有較(jiao)好的(de)(de)(de)斷裂(lie)韌度(du)。我國(guo)(guo)對(dui)低(di)(di)(di)溫(wen)(wen)鈦合(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)起步較(jiao)晚，西北有色金(jin)(jin)屬研(yan)(yan)(yan)究(jiu)院(yuan)先后研(yan)(yan)(yan)制(zhi)適用(yong)(yong)于(yu)低(di)(di)(di)溫(wen)(wen)管(guan)路系統(tong)的(de)(de)(de) Ti2Al2.5Zr、Ti3Al2.5Zr 和CT20 等(deng)(deng)系列(lie)低(di)(di)(di)溫(wen)(wen)鈦合(he)(he)金(jin)(jin)[69，73-74]。目前，我國(guo)(guo)開發出一種低(di)(di)(di)溫(wen)(wen)鈦合(he)(he)金(jin)(jin) CT77[72]，塑(su)-脆轉(zhuan)變溫(wen)(wen)度(du)低(di)(di)(di)于(yu)–196.15 ℃，具(ju)有優(you)異的(de)(de)(de)冷成(cheng)形和熱(re)成(cheng)形性能。有關國(guo)(guo)內(nei)外部分(fen)低(di)(di)(di)溫(wen)(wen)鈦合(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)典型力(li)學性能示于(yu)表 10。

目前普遍認為 β 鈦(tai)(tai)合金(jin)在低溫下塑(su)性(xing)較差，對低溫鈦(tai)(tai)合金(jin)的(de)研發主要(yao)集中(zhong)于 α 和 α+β 型(xing)(xing)的(de)鈦(tai)(tai)合金(jin)[75]，但是由于 α 和 α+β 型(xing)(xing)鈦(tai)(tai)合金(jin)的(de)強(qiang)度較低，應用范圍受到(dao)限制，對于高(gao)速(su)轉動(dong)部件（如葉輪）等，其性(xing)能(neng)還不能(neng)很好地滿足要(yao)求。因此，開發綜合性(xing)能(neng)更加(jia)優(you)異的(de)低溫鈦(tai)(tai)合金(jin)和成(cheng)型(xing)(xing)工藝方法是未來國內外先進航空(kong)航天武器的(de)發展(zhan)需求。

2.5 非連續增強鈦基(ji)復合材料

鈦基(ji)復(fu)(fu)合(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)早(zao)期研(yan)究(jiu)以碳化硅(gui)纖(xian)維為增強體(ti)來提高(gao)基(ji)體(ti)合(he)金的(de)(de)力學性能(neng)[76-77]。但(dan)纖(xian)維增強的(de)(de)鈦基(ji)復(fu)(fu)合(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)發展受到成本高(gao)、加工工藝復(fu)(fu)雜等因素的(de)(de)限制(zhi)[78-81]。非連續(xu)增強的(de)(de)鈦基(ji)復(fu)(fu)合(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)（DRTMCs）因性能(neng)提升顯著、制(zhi)備工藝簡單(dan)且各向同性成為研(yan)究(jiu)熱點。

DRTMCs 按(an)制(zhi)(zhi)備(bei)方(fang)法(fa)(fa)分為外加法(fa)(fa)和原(yuan)位(wei)合(he)成(cheng)(cheng)法(fa)(fa)，由于(yu)增強(qiang)體(ti)尺寸受(shou)限，制(zhi)(zhi)備(bei)過程(cheng)復(fu)(fu)雜且成(cheng)(cheng)本(ben)昂貴限制(zhi)(zhi)了傳統外加法(fa)(fa)的(de)(de)應用[11，25，82]。因此，目前(qian)主流方(fang)法(fa)(fa)采(cai)用原(yuan)位(wei)合(he)成(cheng)(cheng)工藝制(zhi)(zhi)備(bei)非連(lian)續增強(qiang)鈦基復(fu)(fu)合(he)材料，制(zhi)(zhi)得的(de)(de)復(fu)(fu)合(he)材料中增強(qiang)顆粒與基體(ti)的(de)(de)相容(rong)性好，避免了外加增強(qiang)顆粒的(de)(de)污染和增強(qiang)顆粒與基體(ti)的(de)(de)界(jie)面之(zhi)間產生(sheng)化(hua)學反應，增強(qiang)體(ti)和基體(ti)界(jie)面結合(he)良好，而(er)且在熱力(li)學上(shang)穩定[12，18]。主要(yao)制(zhi)(zhi)備(bei)技術有：粉末(mo)冶(ye)金法(fa)(fa)[26]、自蔓延高溫合(he)成(cheng)(cheng)法(fa)(fa)[83]、熔煉法(fa)(fa)[16]、快速(su)凝固法(fa)(fa)[12] 等。以熱等靜壓（RHP）法(fa)(fa)為例說明(ming) DRTMCs 的(de)(de)制(zhi)(zhi)造過程(cheng)，如圖 12 所(suo)示。

非連續(xu)增(zeng)強(qiang)的(de)(de)鈦基(ji)復(fu)(fu)合(he)(he)(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)可以滿足高性(xing)能(neng)航天器的(de)(de)結(jie)構要求，從而減(jian)少油耗，延長飛行(xing)器的(de)(de)飛行(xing)時(shi)間，具(ju)備更好的(de)(de)機(ji)動性(xing)能(neng)。鈦基(ji)復(fu)(fu)合(he)(he)(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)研究始于 20 世(shi)紀 70 年(nian)代(dai)中(zhong)期(qi)，美(mei)(mei)國(guo)的(de)(de)整體(ti)高性(xing)能(neng)渦輪發(fa)(fa)動機(ji)技術（IHPTET）以及日本、歐(ou)洲的(de)(de)同(tong)(tong)類型計劃共同(tong)(tong)推動了(le)鈦基(ji)復(fu)(fu)合(he)(he)(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)發(fa)(fa)展。美(mei)(mei)國(guo)Dynamet 公 司 采 用(yong) 粉(fen) 末 冶 金 技 術 （ PM） 研 制 出 CermeTim-C（TiC）系(xi)列(lie)(lie)復(fu)(fu)合(he)(he)(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)，在燒結(jie)過程中(zhong)，通過固(gu)相擴(kuo)散作用(yong) TiC 發(fa)(fa)生一定降解反應，與(yu)基(ji)體(ti)呈現(xian)冶金結(jie)合(he)(he)(he)(he)狀態(tai)。這一系(xi)列(lie)(lie)復(fu)(fu)合(he)(he)(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)已經(jing)成功應用(yong)于導彈殼(ke)體(ti)、飛機(ji)發(fa)(fa)動機(ji)等(deng)領域(yu)。此外，美(mei)(mei)國(guo)擬在 F22Z 戰機(ji)和 F119 發(fa)(fa)動機(ji)上使用(yong) DRTMCs 以減(jian)輕飛機(ji)質(zhi)量。2003 年(nian)，荷蘭 SP 航宇制造了(le)第一架(jia)采用(yong)鈦基(ji)復(fu)(fu)合(he)(he)(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)作為(wei)起落架(jia)的(de)(de)飛機(ji)。

國內對于(yu) DRTMCs 的(de)研(yan)究(jiu)也在不斷的(de)深入中，上海(hai)交通大學的(de)呂(lv)維潔等主要研(yan)究(jiu)以陶瓷顆粒(li)為(wei)增(zeng)強體(ti)的(de)非連續顆粒(li)增(zeng)強的(de)鈦(tai)(tai)(tai)(tai)基(ji)(ji)(ji)復合(he)(he)(he)材料。增(zeng)強體(ti)的(de)分布類(lei)型如圖 13 所(suo)示，TiC 和(he) TiB 與(yu)鈦(tai)(tai)(tai)(tai)基(ji)(ji)(ji)的(de)密度和(he)熱膨脹系數相近，在與(yu)鈦(tai)(tai)(tai)(tai)基(ji)(ji)(ji)復合(he)(he)(he)時產(chan)生的(de)殘余應力低，且作為(wei)增(zeng)強相與(yu)鈦(tai)(tai)(tai)(tai)基(ji)(ji)(ji)間結合(he)(he)(he)穩定。其中 TiB 的(de)彈性(xing)(xing)(xing)模量和(he)硬(ying)度高，且能有(you)效提(ti)高鈦(tai)(tai)(tai)(tai)及鈦(tai)(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)金的(de)性(xing)(xing)(xing)能并(bing)延長使(shi)用(yong)壽命，因此被視為(wei)鈦(tai)(tai)(tai)(tai)基(ji)(ji)(ji)復合(he)(he)(he)材料的(de)最佳增(zeng)強相[22，84-87]。TiC 由于(yu)力學性(xing)(xing)(xing)能優(you)異(yi)，抗氧(yang)化性(xing)(xing)(xing)和(he)高溫抗蠕變性(xing)(xing)(xing)能等均優(you)于(yu) TiB，也被認為(wei)是(shi)鈦(tai)(tai)(tai)(tai)基(ji)(ji)(ji)復合(he)(he)(he)材料中較優(you)的(de)增(zeng)強相之(zhi)一[15-16，88]。

稀土(tu)氧化(hua)物(wu)有利于鈦基(ji)體(ti)的(de)(de)晶粒細化(hua)，提(ti)高(gao)(gao)其熱(re)穩(wen)定性，被(bei)視為(wei)鈦合(he)金(jin)中有潛力的(de)(de)增強(qiang)體(ti)[82]。目前 ， 可 考 慮 添 加 的(de)(de) 稀 土(tu) 元 素(su) 有 La[84， 86， 89-90]， Nd，Y[88]，Ce，Er，Gd 等。稀土(tu)氧化(hua)物(wu)是(shi)高(gao)(gao)熔點化(hua)合(he)物(wu)，在加入(ru)鈦基(ji)體(ti)后，主要(yao)起(qi)內部氧化(hua)作用(yong)，且在鈦基(ji)體(ti)內呈(cheng)彌散分布，進一步(bu)強(qiang)化(hua)基(ji)體(ti)。因此，加入(ru)稀土(tu)元素(su)能明顯提(ti)高(gao)(gao)鈦基(ji)體(ti)的(de)(de)高(gao)(gao)溫瞬時強(qiang)度和持久(jiu)強(qiang)度。

哈爾濱工業大學(xue)的(de)(de)黃陸(lu)軍等通過(guo)設(she)計新(xin)型網(wang)(wang)絡(luo)結構(gou)的(de)(de)增(zeng)強(qiang)分布，顯著提高由粉末冶金（PM）制造的(de)(de)鈦基復(fu)合材料（TMC）的(de)(de)可(ke)(ke)塑(su)性和強(qiang)度[15]。并以(yi) Hashin-Shtrikma 晶(jing)界理(li)論為基礎提出(chu) Ti5Si3 +TiBw/Ti6Al4V 復(fu)合材料的(de)(de)設(she)計理(li)念[91]，如圖(tu) 14 所(suo)示。一方面，分布在 Ti6Al4V 基體周圍(wei)的(de)(de) TiBw 增(zeng)強(qiang)層形成(cheng)一級網(wang)(wang)絡(luo)微(wei)觀(guan)結構(gou)，如圖(tu) 14（a）所(suo)示。另一方面，從圖(tu) 14（b）可(ke)(ke)以(yi)看出(chu)，Ti5Si3 在 β 相(xiang)(xiang)內部(bu)（β 相(xiang)(xiang)圍(wei)繞 α 相(xiang)(xiang)）形成(cheng)了二級網(wang)(wang)絡(luo)微(wei)觀(guan)結構(gou)。分布在 Ti6Al4V 基體晶(jing)粒周圍(wei)的(de)(de) TiBw 可(ke)(ke)能會提高材料的(de)(de)強(qiang)度，同時分布于 β 相(xiang)(xiang)中的(de)(de) Ti5Si3 可(ke)(ke)以(yi)改善(shan)基體的(de)(de)延展性。

東南大學的(de)張(zhang)法明等(deng)通過(guo) SPS 制備(bei)具有 3D網 絡(luo)(luo) 架 構(gou) 的(de) 多 層 石(shi) 墨 烯 （ GR） 增 強(qiang) 的(de) Ti6Al4V（TC4）基納米(mi)復合材(cai)料，它具有優異的(de)機械性(xing)(xing)能和(he)延展(zhan)性(xing)(xing)能，制備(bei)過(guo)程如圖 15，其網絡(luo)(luo)接口增強(qiang)機制見圖 16[92]。此外張(zhang)法明等(deng)首次實現(xian) TMC 中納米(mi)金 剛 石(shi) （ ND） 增 強(qiang) 材(cai) 料 的(de) 網 絡(luo)(luo) 分 布 ， 有 效(xiao) 解 決TMC 強(qiang)度和(he)延展(zhan)性(xing)(xing)之(zhi)間的(de)沖突[93]。

目(mu)前，非(fei)連續增(zeng)強鈦基復(fu)合材(cai)料(liao)(liao)的(de)主流研究(jiu)方向是以(yi) TiB 和(he) TiC 作為增(zeng)強體，采用不(bu)同(tong)的(de)原位合成方式，不(bu)斷改進(jin)復(fu)合材(cai)料(liao)(liao)的(de)結(jie)合形式，以(yi)得到(dao)具(ju)有更優異(yi)性能的(de) DRTMCs。此外，石墨、烯(xi)金剛石等(deng)也是新的(de)研究(jiu)熱(re)點，研究(jiu)人員致力(li)于(yu)以(yi)此解決TMC 強度和(he)延展性之(zhi)間的(de)矛盾。

3、 鈦合金及鈦基復合材料未來的發展方向

（1）高(gao)溫鈦合金目前依然不能在 600 ℃ 下穩定(ding)工作，需制定(ding)出更加合理的高(gao)溫鈦合金成分(fen)，進一步完善(shan)特殊的熱加工及熱處理工藝，并與高(gao)溫抗氧化涂層(ceng)更好的結合應用在航空航天發動機(ji)中(zhong)。

（2）高強韌損(sun)傷容限(xian)型(xing)(xing)鈦(tai)合(he)金是(shi)新型(xing)(xing)飛機重(zhong)要(yao)的(de)(de)結構材料，探究(jiu)具有優異組織性能的(de)(de)加工工藝，研(yan)制更高強度(du)(du)和(he)斷裂韌度(du)(du)的(de)(de)合(he)金有著重(zhong)要(yao)的(de)(de)研(yan)究(jiu)前(qian)景。

（3）國內 Ti-Cr-V 系和 Ti-Cu 系鈦(tai)合(he)金(jin)的(de)阻(zu)燃(ran)機(ji)理研究有(you)一定進展，但在工程化應用(yong)上，阻(zu)燃(ran)鈦(tai)合(he)金(jin)的(de)加工性能(neng)以及阻(zu)燃(ran)性能(neng)評價方法還需進一步的(de)研究和探(tan)索。

（4）現(xian)有的 α 及含少量 β 相低溫(wen)鈦(tai)(tai)合金強(qiang)度(du)低且加工性差，已不能滿(man)足先進航天火箭(jian)發(fa)展的需要。由此(ci)，對(dui)高強(qiang)韌富(fu) β 型鈦(tai)(tai)合金的研發(fa)是未(wei)來(lai)低溫(wen)鈦(tai)(tai)合金發(fa)展的必然趨勢。

（5）針對非連續增強的(de)鈦基(ji)(ji)復(fu)合材料，應在(zai)現有 TiB、TiC 和石(shi)墨烯等(deng)增強體的(de)基(ji)(ji)礎上，嘗(chang)試加入稀土元(yuan)素(su)，或對材料進(jin)行分層和多尺度架構(gou)的(de)設計。此(ci)外，可以(yi)采用例如增材制造等(deng)新型(xing)制備方(fang)式。最后，可以(yi)在(zai)實(shi)(shi)驗(yan)中引入分析模(mo)型(xing)，第一(yi)性原理和有限(xian)元(yuan)方(fang)法的(de)基(ji)(ji)礎研究，以(yi)預測變形，解釋機制并有效地(di)指導實(shi)(shi)驗(yan)。

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