引言

由于鈦合金(jin)具有(you)(you)高比強度(du)、較寬的(de)工作溫(wen)度(du)范圍(wei)和優異的(de)腐蝕抗力，因(yin)而(er)在(zai)航(hang)(hang)空及宇航(hang)(hang)工業得以廣泛應(ying)用(yong)。20世(shi)紀50年代，軍(jun)用(yong)飛機進入了(le)超(chao)音速時代，航(hang)(hang)空發動機相應(ying)地(di)進人噴氣發動機時代，要求使用(yong)在(zai)室溫(wen)、中溫(wen)下(xia)具有(you)(you)更高比強度(du)的(de)新(xin)(xin)材料，原有(you)(you)的(de)鋁、鋼結構已不能滿足新(xin)(xin)的(de)需(xu)求，而(er)鈦合金(jin)恰(qia)恰(qia)在(zai)這一時期(qi)剛剛具備了(le)工業生產能力，正適應(ying)了(le)超(chao)音速軍(jun)機發展的(de)需(xu)要。

世界鈦市場中最大的用戶始終屬于航空，當今世界航空工業的興衰仍對鈦合金的研究、生產和應用起舉足輕重的作用。相應地，衡量一個國家航空工業發展水平的一個重要標志就是航空用鈦的需求量占鈦總需求量的百分比。世界范圍內航空鈦加工材需求占鈦材總需求量的50%左右，其中美國1990年至1997年期間航空航天工業的鈦材需求量約占美國鈦材總需求量的70%，在航空航天工業中民用量又為軍 用量的2倍多，而我國鈦加工材應用于航空工業的份額不足20%，還有極大的發展空間。隨著國民經濟的發展和大飛機計劃的啟動，先進大飛機及其發動機對高性能、低成本、高效率、低污染提出了極高要求，是先進航空鈦合金材料和熱工藝發展的強大驅(qu)動力(li)。

1、鈦及鈦合金在航空工業中的應用

由(you)于碳(tan)復合材(cai)料和(he)鈦(tai)合金都具(ju)有(you)密度(du)小、比強度(du)高等優異性(xing)能，特別(bie)是鈦(tai)合金與碳(tan)復合材(cai)料有(you)很(hen)好的(de)(de)(de)(de)相容性(xing)，因(yin)此(ci)，鈦(tai)是一種較理想的(de)(de)(de)(de)航空結構(gou)材(cai)料。就目(mu)前的(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢來(lai)看，越是先進的(de)(de)(de)(de)新型飛機(ji)(ji)，越是寬體飛機(ji)(ji)，用鈦(tai)量(liang)越大(da)(見(jian)圖1)。

由于(yu)寬體(ti)A350客機(ji)碳復合材(cai)料用(yong)(yong)量大，所以用(yong)(yong)鈦量約100t，高(gao)(gao)于(yu)A380客機(ji)的(de)(de)(de)90t。圖2給出(chu)了A350客機(ji)用(yong)(yong)鈦的(de)(de)(de)主(zhu)要部位和部件(jian)，主(zhu)要有起落架(jia)、機(ji)翼(yi)結構、發(fa)動機(ji)懸架(jia)、機(ji)翼(yi)高(gao)(gao)壓油管氣管、緊固件(jian)、艙(cang)門、機(ji)艙(cang)面(mian)板或隔板、座椅導軌、尾錐和輔(fu)助動力艙(cang)的(de)(de)(de)隔熱屏等。不僅是機(ji)身，目前大飛(fei)機(ji)用(yong)(yong)主(zhu)流的(de)(de)(de)高(gao)(gao)涵(han)道比渦輪風扇發(fa)動機(ji)也大量用(yong)(yong)鈦。軍(jun)機(ji)與民用(yong)(yong)飛(fei)機(ji)的(de)(de)(de)用(yong)(yong)材(cai)趨勢(shi)相(xiang)同，而且用(yong)(yong)鈦的(de)(de)(de)比例更(geng)高(gao)(gao)。在20世紀80年代以后美(mei)國沒計(ji)的(de)(de)(de)先(xian)進軍(jun)用(yong)(yong)戰斗(dou)機(ji)和轟炸機(ji)中，鈦合金用(yong)(yong)量已穩(wen)定在20%以上。

1.1 飛機機體的鈦用量

在軍機(ji)方面，使(shi)用(yong)新材料的(de)(de)(de)(de)比例遠(yuan)遠(yuan)高于(yu)民(min)用(yong)飛(fei)機(ji)。此(ci)外美國(guo)1970年開(kai)始(shi)(shi)服(fu)(fu)役(yi)(yi)的(de)(de)(de)(de)C-5上鈦(tai)(tai)合金的(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)為(wei)6%，而1992年開(kai)始(shi)(shi)服(fu)(fu)役(yi)(yi)的(de)(de)(de)(de)C-17已增至(zhi)10.3%，鈦(tai)(tai)零件(jian)(jian)總質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)達6.8t/架(jia)。俄羅(luo)斯的(de)(de)(de)(de)伊(yi)爾(er)76運輸機(ji)的(de)(de)(de)(de)鈦(tai)(tai)合金用(yong)量(liang)達12%。此(ci)外，美B-2轟炸機(ji)、法(fa)幻影2000及俄Cy-27CK戰(zhan)斗機(ji)的(de)(de)(de)(de)鈦(tai)(tai)用(yong)量(liang)分(fen)別為(wei)26%、23%、18%，美國(guo)2006年以后服(fu)(fu)役(yi)(yi)的(de)(de)(de)(de)世界(jie)最先(xian)進第四(si)代(dai)戰(zhan)斗機(ji)F22的(de)(de)(de)(de)用(yong)鈦(tai)(tai)量(liang)高達39%～41%。我(wo)國(guo)20世紀60年代(dai)投(tou)產(chan)的(de)(de)(de)(de)殲(jian)(jian)七飛(fei)機(ji)的(de)(de)(de)(de)鈦(tai)(tai)零件(jian)(jian)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)只有9kg，70年代(dai)殲(jian)(jian)八(ba)白天型(xing)飛(fei)機(ji)的(de)(de)(de)(de)鈦(tai)(tai)零件(jian)(jian)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)增至(zhi)60kg，80年代(dai)抓住殲(jian)(jian)八(ba)Ⅱ研制的(de)(de)(de)(de)機(ji)遇，使(shi)飛(fei)機(ji)的(de)(de)(de)(de)鈦(tai)(tai)用(yong)量(liang)達到(dao)總結構質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)的(de)(de)(de)(de)2%，鈦(tai)(tai)零件(jian)(jian)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)達到(dao)93kg，殲(jian)(jian)十的(de)(de)(de)(de)鈦(tai)(tai)用(yong)量(liang)進一步增至(zhi)3%。這些進步雖然得之(zhi)不(bu)易，但與國(guo)外第三代(dai)、第四(si)代(dai)飛(fei)機(ji)的(de)(de)(de)(de)鈦(tai)(tai)用(yong)量(liang)相比，仍然存(cun)在很大差距。

表1中(zhong)列出的(de)(de)(de)F/A18E/F、F/A22、F-35、三大戰(zhan)斗/攻擊(ji)機(ji)和2轟炸機(ji)是美國在(zai)2015年(nian)前保持(chi)空中(zhong)優勢的(de)(de)(de)4塊(kuai)“王牌(pai)”。由表1可知(zhi)，總(zong)的(de)(de)(de)發展趨勢是鈦(tai)在(zai)飛機(ji)機(ji)體上的(de)(de)(de)用量不斷(duan)增大，F/A-18在(zai)不斷(duan)改(gai)型的(de)(de)(de)過程(cheng)中(zhong)其鈦(tai)用量也不斷(duan)增多。

民用(yong)(yong)(yong)(yong)飛(fei)機的(de)(de)(de)(de)(de)鈦(tai)用(yong)(yong)(yong)(yong)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)也(ye)在(zai)不斷(duan)增大(da)(da)，見表2。在(zai)民用(yong)(yong)(yong)(yong)客機方面，雙(shuang)通(tong)道飛(fei)機的(de)(de)(de)(de)(de)用(yong)(yong)(yong)(yong)鈦(tai)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)大(da)(da)大(da)(da)高于單(dan)通(tong)道飛(fei)機的(de)(de)(de)(de)(de)。如(ru)波(bo)音公司的(de)(de)(de)(de)(de)一架(jia)(jia)波(bo)音737、747、777鈦(tai)用(yong)(yong)(yong)(yong)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)分(fen)別(bie)為18t、45t和(he)59t，而(er)一架(jia)(jia)波(bo)音787飛(fei)機用(yong)(yong)(yong)(yong)鈦(tai)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)達到(dao)(dao)136t，占全(quan)機質量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)15%，用(yong)(yong)(yong)(yong)鈦(tai)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)比(bi)(bi)例增加(jia)(jia)十分(fen)顯(xian)著(zhu)。空客公司亦(yi)是如(ru)此(ci)，一架(jia)(jia)A320、A330和(he)A340的(de)(de)(de)(de)(de)用(yong)(yong)(yong)(yong)鈦(tai)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)分(fen)別(bie)為12t、18t和(he)25t，而(er)一架(jia)(jia)A380采用(yong)(yong)(yong)(yong)了全(quan)鈦(tai)掛架(jia)(jia)，用(yong)(yong)(yong)(yong)鈦(tai)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)達到(dao)(dao)146t，占全(quan)機質量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)10％，較之A350的(de)(de)(de)(de)(de)9%有顯(xian)著(zhu)進步(bu)。2008下半年(nian)空客A380和(he)波(bo)音787試飛(fei)后其(qi)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)產期推后了一年(nian)半至2010年(nian)，預計2011年(nian)這兩(liang)(liang)種(zhong)型號(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)飛(fei)機將(jiang)(jiang)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)產，從而(er)帶動世(shi)界(jie)航(hang)空用(yong)(yong)(yong)(yong)鈦(tai)材(cai)的(de)(de)(de)(de)(de)需(xu)求。未來(lai)大(da)(da)型飛(fei)機取代(dai)(dai)支線，寬體取代(dai)(dai)窄體將(jiang)(jiang)成為趨勢。據國際航(hang)空權威(wei)組織Theairlinemonitor預測，2008年(nian)2010年(nian)僅雙(shuang)通(tong)道飛(fei)機一個單(dan)項的(de)(de)(de)(de)(de)用(yong)(yong)(yong)(yong)鈦(tai)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)就將(jiang)(jiang)達到(dao)(dao)近7萬(wan)t，而(er)鈦(tai)加(jia)(jia)工(gong)材(cai)產量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)居于世(shi)界(jie)第二的(de)(de)(de)(de)(de)中國14家企業(ye)2009年(nian)的(de)(de)(de)(de)(de)鈦(tai)材(cai)總(zong)產量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)只有2.77萬(wan)t，市場潛力巨大(da)(da)。但(dan)是由于民用(yong)(yong)(yong)(yong)飛(fei)機更強調經(jing)濟(ji)性(xing)和(he)安全(quan)性(xing)，因而(er)不能像新型戰(zhan)(zhan)斗機一樣(yang)達到(dao)(dao)單(dan)架(jia)(jia)用(yong)(yong)(yong)(yong)鈦(tai)比(bi)(bi)例很高的(de)(de)(de)(de)(de)狀態。我國戰(zhan)(zhan)斗機的(de)(de)(de)(de)(de)鈦(tai)用(yong)(yong)(yong)(yong)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)也(ye)在(zai)不斷(duan)增大(da)(da)。20世(shi)紀880年(nian)代(dai)(dai)開始(shi)服役的(de)(de)(de)(de)(de)殲八系列(lie)的(de)(de)(de)(de)(de)鈦(tai)用(yong)(yong)(yong)(yong)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)為2％，兩(liang)(liang)種(zhong)新一代(dai)(dai)戰(zhan)(zhan)斗機的(de)(de)(de)(de)(de)鈦(tai)用(yong)(yong)(yong)(yong)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)分(fen)別(bie)為4%和(he)15%，更新一代(dai)(dai)的(de)(de)(de)(de)(de)高性(xing)能新型戰(zhan)(zhan)斗機的(de)(de)(de)(de)(de)鈦(tai)用(yong)(yong)(yong)(yong)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)將(jiang)(jiang)達到(dao)(dao)25%～30%。

1.2 航空發(fa)動機(ji)的鈦用(yong)量

表3統計了一(yi)(yi)些(xie)西方國(guo)家(jia)航(hang)空發(fa)(fa)動(dong)(dong)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)鈦(tai)用(yong)(yong)量。從表3可知(zhi)(zhi)，國(guo)外先進發(fa)(fa)動(dong)(dong)機(ji)(ji)上的(de)(de)(de)鈦(tai)用(yong)(yong)量通常保(bao)持在20%～35%。我國(guo)早期(qi)生產的(de)(de)(de)渦噴發(fa)(fa)動(dong)(dong)機(ji)(ji)均不用(yong)(yong)鈦(tai),1978年(nian)開(kai)始研制并于1988年(nian)初(chu)設計定(ding)型(xing)的(de)(de)(de)渦噴13發(fa)(fa)動(dong)(dong)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)鈦(tai)用(yong)(yong)量達到13%，2002年(nian)設計定(ding)型(xing)的(de)(de)(de)昆侖(lun)渦噴發(fa)(fa)動(dong)(dong)機(ji)(ji)是(shi)我同(tong)笫一(yi)(yi)個(ge)擁有(you)完全自(zi)(zi)主知(zhi)(zhi)識產權的(de)(de)(de)航(hang)空發(fa)(fa)動(dong)(dong)機(ji)(ji)，鈦(tai)用(yong)(yong)量提高至15%，即將設計定(ding)型(xing)的(de)(de)(de)我國(guo)第一(yi)(yi)臺擁有(you)自(zi)(zi)主知(zhi)(zhi)識產權的(de)(de)(de)渦扇發(fa)(fa)動(dong)(dong)機(ji)(ji)又進一(yi)(yi)步把鈦(tai)用(yong)(yong)量提高到25%。

在飛機或發動機的設計中，主要根據零件的工作溫度和應力水平選擇合金牌號，同時結合零件的制造工藝方案考慮相應的成型和焊接等丁藝性能。不同類型的鈦合金的(de)特(te)點不(bu)(bu)(bu)同，使用的(de)具體(ti)部位也有(you)差別：α型(xing)(xing)合(he)(he)金(jin)不(bu)(bu)(bu)能(neng)熱(re)處(chu)理強(qiang)化(hua)，只有(you)中等水平的(de)室溫(wen)強(qiang)度(du)，但(dan)組織穩定(ding)(ding)，抗蠕變性(xing)能(neng)好(hao)，可(ke)(ke)在較(jiao)高(gao)溫(wen)度(du)下長(chang)期穩定(ding)(ding)工(gong)作，是創制新型(xing)(xing)耐熱(re)鈦合(he)(he)金(jin)的(de)基礎，一般(ban)用作承力較(jiao)大(da)的(de)鈑金(jin)件和(he)鍛件；β型(xing)(xing)合(he)(he)金(jin)在固(gu)溶狀(zhuang)態有(you)良好(hao)的(de)工(gong)藝塑性(xing)，便于加工(gong)成(cheng)形，時效處(chu)理后可(ke)(ke)獲(huo)得很高(gao)的(de)強(qiang)度(du)性(xing)能(neng)，但(dan)對雜質元素敏感性(xing)高(gao)，組織不(bu)(bu)(bu)夠穩定(ding)(ding)，耐熱(re)性(xing)較(jiao)低，不(bu)(bu)(bu)宜(yi)在高(gao)溫(wen)下使用，一般(ban)用作緊固(gu)件和(he)飛機結構件；α+β型(xing)(xing)合(he)(he)金(jin)具有(you)良好(hao)的(de)熱(re)強(qiang)性(xing)和(he)冷(leng)成(cheng)型(xing)(xing)性(xing)，綜合(he)(he)性(xing)能(neng)好(hao)，并且可(ke)(ke)淬火和(he)時效強(qiang)化(hua)，一般(ban)用作渦輪發動機機身構件。

表4足部分典型(xing)鈦(tai)合金在航(hang)空(kong)工(gong)業中(zhong)的(de)應用情況。

1.3 航空用鈦合金分類

鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)作為(wei)(wei)(wei)(wei)當代飛(fei)機(ji)(ji)和發動機(ji)(ji)的(de)主要結構(gou)材料之一，可以減輕(qing)飛(fei)機(ji)(ji)的(de)質(zhi)量，提高(gao)結構(gou)效率。在飛(fei)機(ji)(ji)用(yong)(yong)材中鈦(tai)(tai)的(de)比(bi)例，客機(ji)(ji)波音777為(wei)(wei)(wei)(wei)7%，運輸機(ji)(ji)C-17為(wei)(wei)(wei)(wei)10.3，戰斗機(ji)(ji)F-4為(wei)(wei)(wei)(wei)8%，F-15為(wei)(wei)(wei)(wei)25.8%，F-22為(wei)(wei)(wei)(wei)39%。幾十年來，國內外針對航(hang)空應(ying)用(yong)(yong)所研究的(de)鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)等均取(qu)得了(le)很大進步，許多合(he)(he)金(jin)也得到廣泛(fan)應(ying)用(yong)(yong)。根據航(hang)空用(yong)(yong)鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)的(de)強(qiang)度及服役(yi)環境特點，可將其分為(wei)(wei)(wei)(wei)高(gao)溫鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)、高(gao)強(qiang)鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)、損傷容限型鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)和阻(zu)燃(ran)鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)等。

1.3.1 高(gao)溫(wen)鈦合金

20世紀50年代(dai)以(yi)Ti一6Al—4V合金為代(dai)表(biao)，其使(shi)用溫(wen)度(du)為350℃，經(jing)過研究者的(de)(de)(de)努力，最終得到了以(yi)IMI834合金為代(dai)表(biao)的(de)(de)(de)使(shi)用溫(wen)度(du)600℃高(gao)(gao)溫(wen)鈦合金。目前，國(guo)(guo)(guo)(guo)際先進的(de)(de)(de)高(gao)(gao)溫(wen)鈦合金主要有美國(guo)(guo)(guo)(guo)的(de)(de)(de)Ti-6242S、Ti-1100，英國(guo)(guo)(guo)(guo)的(de)(de)(de)IMI834，俄(e)羅斯(si)的(de)(de)(de)BT36以(yi)及中國(guo)(guo)(guo)(guo)的(de)(de)(de)Ti-60，表(biao)5為600℃部分高(gao)(gao)溫(wen)鈦合金的(de)(de)(de)特點。

Ti-6242S(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si)鈦合金是美國于20世紀60年代為了滿足噴氣發動機使用要求而研制的一種近α型鈦合金。該合金的最高使用溫度為540℃，室溫的σ_b=930MPa，特點是(shi)具(ju)有強度(du)、蠕變(bian)強度(du)、韌性和熱(re)穩定性的(de)良好(hao)結合，并具(ju)有良好(hao)的(de)焊接性能，主要應用于(yu)燃氣渦輪發(fa)動(dong)機(ji)(ji)(ji)零(ling)件(jian)、發(fa)動(dong)機(ji)(ji)(ji)結構板材零(ling)件(jian)、飛(fei)機(ji)(ji)(ji)機(ji)(ji)(ji)體熱(re)端零(ling)件(jian)。

Ti-1100(Ti-6Al-2.75Sn4Zr-0.4Mo-0.45Si)合金是近α型鈦合金，使用溫度達到600℃，特點是具有較低的韌性和較大的疲勞裂紋擴展速率。該合金已用于制造萊康明公司T55-712改型發動機的高壓壓氣機輪盤和低壓渦輪葉片等零件。IMI834(Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si)合金是英國在1984年研制成功的一種近α型鈦合金。該合金在β兩相區固溶時效處理后，室溫的σ_b≥930MPa，具有(you)高蠕變強度(du)(du)和良(liang)好的疲勞強度(du)(du)和變形能力(li)，可適用于鈦的各種方式(shi)進行(xing)焊接，現已(yi)用于波(bo)音777機(ji)的大型發動機(ji)Trent700上。

BT36(Ti-6.2Al-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-0.1Y5.0W-0.15Si)合(he)金是俄羅斯于1992年研(yan)制(zhi)成功的一(yi)種使用溫度(du)在600～650℃的鈦合(he)金。

Ti-60(Ti-5.8Al-4.8Sn-2.0Zr-1.0Mo-0.35Si-0.85Nd)合金是由中(zhong)國科(ke)學院金屬研(yan)(yan)究所、寶雞有(you)色金屬加工廠共同研(yan)(yan)帶的(de)一種(zhong)使用溫度(du)為6OO℃的(de)高(gao)溫鈦合金。該合金已進行了(le)半(ban)工業性中(zhong)試試驗(包括壓氣(qi)機盤模鍛)和全面性能測定。

目前，在航空發(fa)動機上應用的(de)(de)傳統高(gao)溫鈦(tai)合(he)金(jin)的(de)(de)最高(gao)使(shi)用溫度仍(reng)為600℃。高(gao)于(yu)600℃時，蠕變抗力和高(gao)溫抗氧化性急(ji)劇下降，成為限制鈦(tai)合(he)金(jin)向更(geng)高(gao)溫度發(fa)展的(de)(de)兩大主要障礙，因此研制600℃的(de)(de)新型高(gao)性能的(de)(de)高(gao)溫鈦(tai)合(he)金(jin)迫(po)在眉睫。

1.3.2 高(gao)強鈦合金(jin)

高強鈦合金一般指(zhi)抗(kang)拉強度(du)在(zai)1000MPa以(yi)上(shang)的(de)合(he)金(jin)。目前，代表國(guo)際(ji)先(xian)進水平(ping)并在(zai)飛(fei)機上(shang)獲得實際(ji)應用(yong)的(de)高(gao)強度(du)鈦(tai)合(he)金(jin)主(zhu)要有β型鈦(tai)合(he)金(jin)Ti-10-2-3、Ti-15-3、β-21S、α+β型兩相(xiang)鈦(tai)合(he)金(jin)BT22以(yi)及中(zhong)國(guo)的(de)TB10等。

Ti-1023(Ti-10V-2Fe-3Al)合(he)金(jin)是迄為止(zhi)應用最廣泛(fan)的一(yi)種(zhong)高(gao)強韌的近(jin)β鈦(tai)合(he)金(jin)。它是一(yi)種(zhong)為適應損傷容限性(xing)設(she)計原則而產(chan)生的高(gao)結構效(xiao)益、高(gao)可靠性(xing)和低制(zhi)造(zao)成本(ben)的鍛(duan)造(zao)鈦(tai)合(he)金(jin)。其(qi)拉伸強度(du)、斷裂(lie)韌性(xing)和疲勞性(xing)能明(ming)顯(xian)優于(yu)Ti-6Al-4V，并(bing)與飛機結構中常用的30CrMnSiA高(gao)強度(du)結構鋼相當。該合(he)金(jin)具有優異的鍛(duan)造(zao)性(xing)能，在760℃可進行等(deng)(deng)溫鍛(duan)造(zao)，提供(gong)各種(zhong)近(jin)凈型加工鍛(duan)件(jian)，現已應用于(yu)波音(yin)777客機、 A380客機等(deng)(deng)。

Ti15-3(Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al)合金是一種近β型的高強抗腐蝕合金。熱處理強化板材的σ_b≥1310MPa，δ₅≥5%，顯微組織為β基體(ti)和(he)彌散(san)的(de)α相。合(he)金具有優良的(de)冷變形性、時效硬化性能和(he)可焊接性能等特點。已應用到波音777上(shang)的(de)應用控制系統(tong)管道和(he)滅(mie)火罐。

β-21S(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si)合金是Fimet公司在1989年為麥道公司提供一種用(yong)于航(hang)天飛機的(de)鈦金屬(shu)基(ji)復(fu)合材料中(zhong)所需的(de)抗氧化箔材而(er)開發的(de)。由(you)于合金具有優異的(de)高溫強(qiang)度和抗蠕(ru)變性能，適(shi)用(yong)于發動機襯套和噴(pen)管等，現已被(bei)美(mei)國同(tong)家宇航(hang)局確定用(yong)作(zuo)碳(tan)化硅鈦基(ji)復(fu)合材料的(de)基(ji)體(ti)材料。

BT22(Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr)合(he)金是前蘇聯在20世(shi)紀70年代研制(zhi)成(cheng)(cheng)功的一種高(gao)合(he)金化、高(gao)強度的近β型鈦合(he)金。其(qi)拉(la)伸強度大于等于1105MPa，已成(cheng)(cheng)功用作機身、機翼(yi)、起落(luo)架和其(qi)它高(gao)承(cheng)載部(bu)件。

北京有(you)色金屬研(yan)究總院自(zi)主研(yan)制的TB10(Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al)合金具有(you)比強度高(gao)、斷裂韌度好、淬透性高(gao)等優(you)點，現已在我國航(hang)空領(ling)域得到了實際應用。

現有鈦合金(jin)(jin)的強(qiang)(qiang)(qiang)度，尤其(qi)是強(qiang)(qiang)(qiang)韌性匹配不能滿(man)足航(hang)空要(yao)求，而且合金(jin)(jin)成本太高，合金(jin)(jin)性能對(dui)工藝參數敏感等問題使其(qi)應(ying)用受(shou)到了一定限制。因此(ci)，研制強(qiang)(qiang)(qiang)韌匹配、開發低(di)成本的高強(qiang)(qiang)(qiang)鈦合金(jin)(jin)得尤為重要(yao)。

1.3.3 損(sun)傷(shang)容限鈦(tai)合金

具有很島斷(duan)裂韌(ren)性(xing)和(he)很慢裂紋擴展(zhan)速(su)率的中強(qiang)或高強(qiang)鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)(jin)，即損傷容限型鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)(jin)的開發受到了各國的重視。目前，高斷(duan)裂韌(ren)度、低裂紋擴展(zhan)速(su)率的損傷容限鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)(jin)主要有Ti-6Al-4V(β-ELI)、Ti-62222S合(he)金(jin)(jin)和(he)新型兩相高強(qiang)高韌(ren)TC21合(he)金(jin)(jin)。

Ti-6Al-4V(β-ELI)屬于900MPa強度級別的高損傷容限型鈦合金。其鍛件主要性能可達到：σ_b≥895MPa，σ_0.2≥795MPa，δ₅≥8%，φ≥15%，KR≥75MPa.m1/2。Ti-6Al-4V(β-EiI)合金(jin)已應用(yong)于波音(yin)777客機的安(an)定面連接接頭和FA-22飛機的機體。

Ti-6-22-22S(Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si)合金是由美國RMI公司研制的一種航空用α-β型鈦合金。該合金的主要優點為：具有良好的強韌性匹配，經熱處理后合金的σ_b≥1035MPa，KIC≥77MPa·m1/2；深淬透性(斷面直(zhi)徑可達100mm)；極(ji)好(hao)的超塑(su)性成型(xing)性能。該合(he)金已作為F-22戰(zhan)斗機(ji)、教練機(ji)及(ji)聯合(he)攻(gong)擊戰(zhan)斗機(ji)用(yong)材(cai)料。

TC21(Ti-Al-Mo-Sn-Zr-Cr-Si-X系)是西北有色金屬研究院研制的一種新型兩相高強、高韌、高損傷容限型鈦合會L1，具有優良的強度、塑性、韌性和低的裂紋擴展速率匹配。該合金已經過實驗室、中試及工業規模3個周期的深入研究。實驗表明，該合金的φ20mm棒材經過(Tβ=20～50℃)×1hAC+600℃×4hAC的固溶、時效處理后，其組織是由等軸α和網籃組織共同構成的雙態組織，σ_b≥l105MPa、σ_0.2≥1000MPa、δ≥15%、φ≥43%，具有(you)良好的綜合性能。

隨著我國航空(kong)系統損傷容限設計(ji)技術(shu)的(de)迅(xun)速普及，對(dui)高損傷容限鈦合金的(de)需(xu)求將(jiang)日益迫切(qie)。同(tong)時，需(xu)深入研(yan)究鈦合金損傷容限性能機理以及完善對(dui)損傷容限性能的(de)表(biao)征與(yu)評價技術(shu)。

1.3.4 阻(zu)燃鈦(tai)合金

為了(le)避免(mian)鈦燃燒(shao)并滿足高推重比航空發(fa)動(dong)機(ji)的需要，各國(guo)開展了(le)對阻燃鈦合(he)金(jin)(jin)的研制。阻燃鈦合(he)金(jin)(jin)主要有兩(liang)個合(he)金(jin)(jin)系(xi)(xi)：Ti-V-Cr系(xi)(xi)，如美國(guo)的AlloyC；Ti-Al-Cu系(xi)(xi)，如俄羅斯的BTT-1、我國(guo)的Ti-40。表6為兩(liang)種典型阻燃鈦合(he)金(jin)(jin)的性能。

AlloyC(Ti-35V-15Cr)是美國(guo)研(yan)制(zhi)的一種β型鈦合(he)金，是目前工業用β鈦合(he)金鉬當(dang)量(liang)最(zui)高的合(he)金。該(gai)合(he)金產品已(yi)應用于F119的尾噴管和加力(li)燃燒(shao)室。

BTT-1和(he)BTT-3為俄羅(luo)斯研制(zhi)(zhi)的阻燃鈦合(he)金，均為Ti-Cu-Al系(xi)合(he)金(具體(ti)成(cheng)(cheng)分(fen)未見公布(bu))。BTT-1合(he)金具有良好的熱(re)加工性(xing)能(neng)，可制(zhi)(zhi)成(cheng)(cheng)形狀(zhuang)復(fu)雜(za)的發動機零件(jian)，如壓氣(qi)機機匣和(he)葉片(pian)等，工作(zuo)溫度可達450℃，其典(dian)型(xing)零件(jian)已在試(shi)(shi)車臺上通過(guo)試(shi)(shi)驗。BTT-3合(he)金的工藝(yi)塑(su)性(xing)優于(yu)BTT-1的，阻燃性(xing)能(neng)也得(de)到了顯著提高，適合(he)于(yu)軋制(zhi)(zhi)板材(cai)和(he)箔材(cai)。

Ti-40(Ti-25V-15Cr-0.4Si)合(he)(he)(he)金(jin)是(shi)西北有色金(jin)屬(shu)研(yan)究(jiu)院研(yan)制的(de)(de)一(yi)種新(xin)型全β型阻燃鈦合(he)(he)(he)金(jin)，室溫下只有β相存在(zai)。該合(he)(he)(he)金(jin)具有良好(hao)的(de)(de)機械(xie)性能(neng)(neng)和優良的(de)(de)阻燃性能(neng)(neng)，其阻燃性能(neng)(neng)與美國的(de)(de)AlloyC合(he)(he)(he)金(jin)相當。該合(he)(he)(he)金(jin)的(de)(de)主要缺(que)點是(shi)熱加工(gong)困難，不能(neng)(neng)像常規鈦合(he)(he)(he)金(jin)一(yi)樣(yang)自由鍛造，否則將極易開裂。

目前，除美國和俄羅(luo)斯的部分典型阻(zu)燃(ran)鈦(tai)合(he)(he)金得到了實際應用外(wai)，其他各(ge)國對阻(zu)燃(ran)鈦(tai)合(he)(he)金的研(yan)究仍處于(yu)研(yan)究階段。

阻(zu)燃(ran)鈦(tai)合金(jin)的(de)類型較少、成(cheng)本較高以及對阻(zu)燃(ran)性(xing)能(neng)評價(jia)方法的(de)不統(tong)一都阻(zu)礙了阻(zu)燃(ran)鈦(tai)合金(jin)的(de)發(fa)展。與(yu)Ti-V-Cr系(xi)阻(zu)燃(ran)鈦(tai)合金(jin)相比，Ti-Cu-Al系(xi)阻(zu)燃(ran)鈦(tai)合金(jin)的(de)綜合力(li)(li)學性(xing)能(neng)較差，工作溫度也(ye)較低。對如何進一步(bu)提高該系(xi)合金(jin)的(de)力(li)(li)學性(xing)能(neng)需進行更深(shen)入的(de)研究。Ti-V-Cr系(xi)阻(zu)燃(ran)鈦(tai)合金(jin)含有大(da)量貴(gui)金(jin)屬元素V，導致(zhi)成(cheng)本較高，限制(zhi)了其應用。國內(nei)已有學者采用價(jia)格較低的(de)Mo部分替代(dai)V進行了一定(ding)嘗試的(de)研究。

2、鈦加工材在我國航空工業中的應用

2.1應用現狀

我國(guo)(guo)航(hang)(hang)(hang)空(kong)領(ling)域的(de)(de)(de)鈦(tai)材(cai)(cai)(cai)需(xu)求(qiu)量(liang)在世界航(hang)(hang)(hang)空(kong)領(ling)域的(de)(de)(de)鈦(tai)材(cai)(cai)(cai)需(xu)求(qiu)量(liang)中(zhong)(zhong)所(suo)占(zhan)(zhan)(zhan)的(de)(de)(de)比(bi)例(li)很(hen)小(xiao)(xiao)，在我國(guo)(guo)鈦(tai)材(cai)(cai)(cai)總需(xu)求(qiu)量(liang)中(zhong)(zhong)所(suo)占(zhan)(zhan)(zhan)的(de)(de)(de)比(bi)例(li)也一(yi)(yi)直處于低位(wei)。2006年(nian)航(hang)(hang)(hang)空(kong)領(ling)域鈦(tai)材(cai)(cai)(cai)需(xu)70%。我國(guo)(guo)航(hang)(hang)(hang)空(kong)領(ling)域鈦(tai)材(cai)(cai)(cai)需(xu)求(qiu)量(liang)在總需(xu)求(qiu)量(liang)所(suo)占(zhan)(zhan)(zhan)比(bi)例(li)偏(pian)低的(de)(de)(de)主要原因有3條(tiao)：其(qi)一(yi)(yi)，我國(guo)(guo)的(de)(de)(de)民用干線(xian)飛(fei)機(ji)(ji)都(dou)是從國(guo)(guo)外購(gou)買；其(qi)二，一(yi)(yi)些新型軍用飛(fei)機(ji)(ji)尚未批量(liang)生產(chan)；其(qi)三，已批量(liang)生產(chan)的(de)(de)(de)軍用飛(fei)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)鈦(tai)用量(liang)不高，一(yi)(yi)般情況(kuang)下(xia)，機(ji)(ji)體小(xiao)(xiao)于等(deng)于5，發動機(ji)(ji)小(xiao)(xiao)于等(deng)于20%(所(suo)占(zhan)(zhan)(zhan)結構的(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)分數(shu))。

中(zhong)國(guo)(guo)大(da)飛機(ji)、航(hang)天空(kong)間站、嫦娥計劃都會(hui)大(da)量使用鈦(tai)材(cai)。尤其是大(da)飛機(ji)項目(mu)，鈦(tai)材(cai)的應用量將逐步增(zeng)大(da)。盡管(guan)我國(guo)(guo)鈦(tai)工(gong)業在近幾年里取(qu)得了長足(zu)發展，基本上(shang)滿足(zu)了國(guo)(guo)內各項建(jian)設的需要，但客觀地說，我國(guo)(guo)鈦(tai)工(gong)業還(huan)不能立即完全滿足(zu)航(hang)空(kong)工(gong)業大(da)發展對(dui)鈦(tai)材(cai)的各種需求。因此，我國(guo)(guo)大(da)飛機(ji)項目(mu)的啟動對(dui)我國(guo)(guo)鈦(tai)工(gong)業來說既(ji)是機(ji)遇，更是挑(tiao)戰。

從20世紀50年代至(zhi)80年代，國(guo)際上發(fa)展鈦(tai)合金(jin)的(de)主(zhu)要方(fang)向是不斷提高(gao)性能(neng)(neng)以滿足工業發(fa)展需要，特別是軍用飛機(ji)(ji)及(ji)其發(fa)動機(ji)(ji)減(jian)輕結構質量的(de)需要，即所謂的(de)“斤(jin)斤(jin)計(ji)較”甚至(zhi)“克克計(ji)較”。雖然(ran)我國(guo)在(zai)(zai)高(gao)性能(neng)(neng)鈦(tai)合金(jin)的(de)研究方(fang)面取得了一些(xie)成就(jiu)，但是與國(guo)外相(xiang)比，在(zai)(zai)高(gao)阻(zu)燃(ran)性能(neng)(neng)鈦(tai)合金(jin)、高(gao)耐(nai)熱性能(neng)(neng)鈦(tai)合金(jin)和高(gao)強(qiang)度的(de)β和β型鈦(tai)合金(jin)等方(fang)面仍存在(zai)(zai)較大(da)差距(ju)。而20世紀90年代蘇聯(lian)解體后(hou)，雖然(ran)美(mei)英發(fa)展高(gao)性能(neng)(neng)鈦(tai)合金(jin)的(de)努(nu)力(li)仍在(zai)(zai)繼續，但是勢(shi)頭(tou)已有所減(jian)緩，降低成本的(de)呼聲(sheng)越(yue)來越(yue)高(gao)，從“斤(jin)斤(jin)計(ji)較”轉為(wei)“元(yuan)元(yuan)計(ji)較”的(de)氣氛越(yue)來越(yue)濃。

2.2我國航空鈦(tai)合金(jin)新(xin)世紀面臨的(de)挑(tiao)戰

高(gao)用(yong)(yong)量(liang)：與(yu)國外相(xiang)比，我國航空發動(dong)機(ji)鈦用(yong)(yong)量(liang)存在(zai)的差距比飛(fei)機(ji)機(ji)體的要小得多，但要把航空發動(dong)機(ji)的鈦用(yong)(yong)量(liang)進一步提高(gao)至30%左右，其難度仍相(xiang)當大。

高(gao)性(xing)(xing)能(neng)(neng)：與其它航空結構材料一樣，高(gao)性(xing)(xing)能(neng)(neng)是要求其具有高(gao)性(xing)(xing)能(neng)(neng)的(de)同時(shi)又具有良(liang)好的(de)性(xing)(xing)能(neng)(neng)匹配，即必須綜合(he)考慮其力學性(xing)(xing)能(neng)(neng)、物理性(xing)(xing)能(neng)(neng)、化學性(xing)(xing)能(neng)(neng)、工藝性(xing)(xing)能(neng)(neng)和缺陷的(de)可控性(xing)(xing)。我國(guo)在航空用高(gao)性(xing)(xing)能(neng)(neng)鈦(tai)合(he)金方面(mian)(mian)的(de)研究(jiu)與國(guo)外鈦(tai)合(he)金高(gao)性(xing)(xing)能(neng)(neng)方面(mian)(mian)的(de)發展(zhan)水平相比還存在一定的(de)差距。

低(di)成(cheng)(cheng)本：國(guo)(guo)外在(zai)(zai)降(jiang)低(di)成(cheng)(cheng)本方面(mian)(mian)雖然(ran)(ran)取得了一(yi)些成(cheng)(cheng)就，但仍有(you)許多領域有(you)待研(yan)究和(he)開發(fa)(fa)。以阻(zu)燃(ran)鈦合金為例，美(mei)國(guo)(guo)發(fa)(fa)明的(de)(de)(de)AlloyC雖然(ran)(ran)具有(you)優良的(de)(de)(de)阻(zu)燃(ran)特性(xing)和(he)高溫力(li)學性(xing)能，但由(you)于(yu)它需要添加大(da)量昂貴的(de)(de)(de)V和(he)較差的(de)(de)(de)可鍛性(xing)而(er)導致價(jia)(jia)格(ge)很高，因此只有(you)在(zai)(zai)F119發(fa)(fa)動機中(zhong)正式應(ying)用，其他(ta)發(fa)(fa)動機均望(wang)而(er)卻步(bu)。至于(yu)圍內鈦合金產(chan)品(pin)在(zai)(zai)成(cheng)(cheng)本方面(mian)(mian)的(de)(de)(de)問(wen)題(ti)就更多了，由(you)于(yu)管理和(he)技術落后等原岡(gang)，產(chan)品(pin)價(jia)(jia)格(ge)在(zai)(zai)國(guo)(guo)際上競(jing)爭(zheng)力(li)差，在(zai)(zai)國(guo)(guo)內則不(bu)利(li)于(yu)進一(yi)步(bu)擴(kuo)大(da)應(ying)朋(peng)。因此，必須認真研(yan)討降(jiang)低(di)鈦產(chan)品(pin)成(cheng)(cheng)本的(de)(de)(de)途(tu)徑，確定(ding)近、中(zhong)、長(chang)期發(fa)(fa)展規劃(hua)，確立可降(jiang)低(di)成(cheng)(cheng)本的(de)(de)(de)科研(yan)、開發(fa)(fa)和(he)技改(gai)項(xiang)目，從而(er)促進我國(guo)(guo)鈦資源的(de)(de)(de)充分利(li)用，推動我國(guo)(guo)鈦產(chan)品(pin)的(de)(de)(de)推廣(guang)應(ying)用。

3、結語

對(dui)現有高(gao)溫(wen)用(yong)(yong)鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)進(jin)行成(cheng)分(fen)調(diao)整或研(yan)制具(ju)有自主知識(shi)產權的(de)(de)新型(xing)高(gao)強韌鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)，研(yan)發新的(de)(de)使用(yong)(yong)溫(wen)度(du)突破600℃的(de)(de)高(gao)溫(wen)鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)，降低(di)鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)成(cheng)本(ben)等(deng)將成(cheng)為航空(kong)用(yong)(yong)鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)的(de)(de)研(yan)究及發展方(fang)向。大力開展計算機模擬(ni)和控(kong)制鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)工藝、組織、性能(neng)(neng)的(de)(de)研(yan)究是我(wo)同鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)領域提高(gao)質量(liang)和降低(di)成(cheng)本(ben)的(de)(de)根本(ben)措施。此外，嘗試用(yong)(yong)價格較低(di)的(de)(de)合(he)(he)金(jin)元素取(qu)代較昂貴的(de)(de)金(jin)屬元素或改(gai)善加(jia)工工藝以降低(di)鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)成(cheng)本(ben)，進(jin)一(yi)步擴大其使用(yong)(yong)范(fan)圍。一(yi)方(fang)面(mian)我(wo)們要奮起(qi)趕超國(guo)(guo)際高(gao)性能(neng)(neng)鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)的(de)(de)先進(jin)水平，另一(yi)方(fang)面(mian)應(ying)認真研(yan)討降低(di)鈦(tai)(tai)產品成(cheng)本(ben)的(de)(de)途徑，確立相應(ying)的(de)(de)科研(yan)、開發和技改(gai)項(xiang)目，從而促進(jin)我(wo)國(guo)(guo)鈦(tai)(tai)資源的(de)(de)充分(fen)利用(yong)(yong)，推(tui)動我(wo)國(guo)(guo)鈦(tai)(tai)產品的(de)(de)推(tui)廣應(ying)用(yong)(yong)。