鈦在地殼中含量豐富的元素中居第9位，鈦合金具有比重小、焊接性能好、無磁性等優點，廣泛應用于船舶海洋工程等各領域。隨著經濟的高速發展，鈦合金應用研究領域不斷(duan)深入。

目前國際上消費量最大的是航空航天領域使用鈦合金，航空工業的發展促進鈦合金的發展，鈦合金可以減輕飛機重量，提高飛機推重比，鈦合金被稱為航空工業的脊柱。目前 各國鈦合金研究者參與高溫鈦合金的研發，我(wo)國研制出服役溫度達600℃的具(ju)有良(liang)好抗蠕變性(xing)能的高溫鈦(tai)合(he)金(jin)Ti-60，鈦(tai)基復合(he)材料(liao)使用溫度達到更(geng)高水平。但(dan)鈦(tai)合(he)金(jin)熱穩(wen)定(ding)性(xing)未 找(zhao)到有效解決方法，是目前急(ji)需解決的問題。

1、高溫鈦合金概述

鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)被稱為現代金(jin)屬，由(you)于(yu)鈦(tai)(tai)廣泛用于(yu)國(guo)(guo)防科技領域，美國(guo)(guo)等軍事強(qiang)國(guo)(guo)高(gao)度重視鈦(tai)(tai)的開發(fa)利用，一些學者(zhe)不斷對(dui)鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)進行(xing)研究[1] 。國(guo)(guo)外(wai)高(gao)溫鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)研究活躍，由(you)于(yu)高(gao)溫 鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)主(zhu)要(yao)(yao)用于(yu)飛(fei)機發(fa)動機壓氣盤等，發(fa)動機要(yao)(yao)求(qiu)高(gao)溫鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)材料(liao)(liao)具(ju)有良(liang)好(hao)室溫性能，熱穩定性等，對(dui)材料(liao)(liao)成分與(yu)組(zu)織要(yao)(yao)求(qiu)矛(mao)盾(dun)。

50年代后鈦(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)使(shi)用溫度(du)逐步(bu)提高(gao)(gao)，21世紀初高(gao)(gao)溫鈦(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)應用溫度(du)達到600℃。目前(qian)成(cheng)功用于(yu)軍民用飛機發動機新(xin)型高(gao)(gao)溫鈦(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)有英國(guo)的(de)(de)IMI834合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)等(deng)。我國(guo)研制出Ti55，Ti53311S，Ti60等(deng)高(gao)(gao)溫鈦(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)[2] 。當前(qian)我國(guo)研制高(gao)(gao)溫鈦(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)在(zai)航(hang)空中(zhong)未實現有效應用。目前(qian)鈦(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)在(zai)航(hang)空發動機上(shang)用量成(cheng)為衡量其先進度(du)的(de)(de)重要指標。如(ru)第四代戰斗機F-22裝配F119發動機用鈦(tai)量達35%。高(gao)(gao)溫鈦(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)材料在(zai)航(hang)空發動機上(shang)用于(yu)制造(zao)相(xiang)應機閘組件(jian)等(deng)。目前(qian)世界上(shang)使(shi)用溫度(du)最高(gao)(gao)的(de)(de)工(gong)程化鈦(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)為MI934鈦(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)。

航(hang)空(kong)發(fa)動機(ji)風(feng)扇處于發(fa)動機(ji)前端部分，通常(chang)使用工(gong)作(zuo)溫度(du)(du)較低的(de)(de)(de)(de)Ti-6Al-4V鈦合金(jin)制(zhi)造(zao)葉片等(deng)部件。航(hang)空(kong)發(fa)動機(ji)高壓壓氣機(ji)靠近燃燒(shao)室，目前由于鈦合金(jin)受到最高工(gong)作(zuo)溫度(du)(du)限制(zhi)，大部分發(fa)動機(ji)壓氣機(ji)轉動組件采用鎳基高溫合金(jin)制(zhi)造(zao)，大大增(zeng)加航(hang)空(kong)發(fa)動機(ji)的(de)(de)(de)(de)自重。50年代研(yan)發(fa)的(de)(de)(de)(de)Ti-6Al-4V鈦合金(jin)長期最高工(gong)作(zuo)溫度(du)(du)為350℃[3] 。目前世界上長期工(gong)作(zuo)溫度(du)(du)達500℃以上的(de)(de)(de)(de)工(gong)程化鈦合金(jin)有美國研(yan)發(fa)的(de)(de)(de)(de)Ti-1100鈦合金(jin)，我國研(yan)發(fa)的(de)(de)(de)(de)Ti-60鈦合金(jin)等(deng)。

表1 飛機結(jie)構用材比例%

2、國外高溫鈦合金的應用

近期(qi)國(guo)外科學(xue)家主要研(yan)究方向是(shi)采用(yong)(yong)(yong)快(kuai)速凝固技(ji)術(shu)，利用(yong)(yong)(yong)顆粒(li)物增強(qiang)(qiang)復合材料性能研(yan)制(zhi)新(xin)型鈦合金，美國(guo)麥道公司采用(yong)(yong)(yong)新(xin)型技(ji)術(shu)研(yan)制(zhi)出純度(du)高的鈦合金，鈦合金在760℃下(xia)強(qiang)(qiang)度(du)不(bu)弱于(yu)室溫。

美(mei)國鈦(tai)(tai)工業(ye)起步較早，鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)(jin)基礎研究處(chu)于領先地位。20世紀60年(nian)(nian)代美(mei)國開發(fa)在450℃下使(shi)用(yong)(yong)(yong)的(de)Ti-6246高(gao)溫鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)(jin)，廣(guang)(guang)泛用(yong)(yong)(yong)于大型運輸渦輪噴氣(qi)(qi)發(fa)動機(ji)。70年(nian)(nian)代開發(fa)在500℃以上(shang)適(shi)用(yong)(yong)(yong)的(de)Ti-6242S合(he)(he)金(jin)(jin)，目(mu)前廣(guang)(guang)泛用(yong)(yong)(yong)于渦輪發(fa)動機(ji)部件。近幾年(nian)(nian)美(mei)國麥道(dao)公司采用(yong)(yong)(yong)粉(fen)末冶(ye)金(jin)(jin)技術研制(zhi)在760℃使(shi)用(yong)(yong)(yong)的(de)高(gao)致密性高(gao)溫鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)(jin)，可量產高(gao)溫鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)(jin)Ti-21Nb-14Al，目(mu)前得到高(gao)壓壓氣(qi)(qi)機(ji)閘等部位的(de)應用(yong)(yong)(yong)。

3、中國高溫鈦合金的發展

我國鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)發(fa)展繼承主(zhu)要鈦(tai)研(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)生(sheng)產國家的(de)(de)做(zuo)法(fa)，始于北京有色(se)金(jin)(jin)屬(shu)研(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)院(yuan)，中科(ke)院(yuan)金(jin)(jin)屬(shu)研(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)所，洛陽船舶材料(liao)研(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)所等科(ke)研(yan)(yan)(yan)(yan)單(dan)位(wei)及上海武鋼(gang)等企(qi)業成為研(yan)(yan)(yan)(yan)發(fa)高溫鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)的(de)(de)主(zhu)力。20世(shi)紀80年代前(qian)我國航(hang)空鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)研(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)走仿制(zhi)(zhi)路(lu)線，如(ru)使(shi)用溫度在500℃的(de)(de)TC11華金(jin)(jin)對(dui)應蘇聯(lian)的(de)(de)BT9合(he)金(jin)(jin)。歐美(mei)國家航(hang)空發(fa)動機進入(ru)中國市場，我國紡織英(ying)美(mei)國家高溫鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)，如(ru)TC17對(dui)應美(mei)國牌(pai)號Ti-17。我國鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)自主(zhu)研(yan)(yan)(yan)(yan)發(fa)不斷加快，Ti-55是(shi)我國自主(zhu)研(yan)(yan)(yan)(yan)制(zhi)(zhi)的(de)(de)在550℃使(shi)用的(de)(de)高溫鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)，通過(guo)添加矢量稀土(tu)元素Nd，凈化(hua)合(he)金(jin)(jin)基體，使(shi)合(he)金(jin)(jin)設(she)計(ji)具有優良(liang)熱(re)強性(xing)。寶雞(ji)鈦(tai)業股份公司(si)參(can)與研(yan)(yan)(yan)(yan)制(zhi)(zhi)用于600℃的(de)(de)Ti-60合(he)金(jin)(jin)，Ti600是(shi)西北有色(se)金(jin)(jin)屬(shu)研(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)院(yuan)研(yan)(yan)(yan)(yan)制(zhi)(zhi)的(de)(de)近α鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)，特點是(shi)加入(ru)適量稀土(tu)元素Y，與英(ying)國IMI834合(he)金(jin)(jin)性(xing)能相當。

我國研(yan)(yan)制的(de)在(zai)600℃工作(zuo)的(de)鈦合(he)(he)金(jin)(jin)有Ti600鈦合(he)(he)金(jin)(jin)，Ti600 合(he)(he) 金(jin)(jin) 名 義 成 分 為 Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.5Mo-0.4Si-0.1Y,研(yan)(yan)制600℃高(gao)溫(wen)鈦合(he)(he)金(jin)(jin)難點是高(gao)溫(wen)蠕變性(xing)能對各種因素(su)敏感，如間隙元素(su)含量等。航(hang)空航(hang)天等發動(dong)機更新(xin)加速，對高(gao)溫(wen)結構材料(liao)性(xing)能提(ti)出新(xin)的(de)要(yao)求。Ti 3 Al基金(jin)(jin)屬化合(he)(he)物滿足更剛強耐熱(re)的(de)要(yao)求，北京航(hang)空材料(liao)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)院(yuan)系(xi)統研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)Tl 3 Al基合(he)(he)金(jin)(jin)，西(xi)北有色金(jin)(jin)屬研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)院(yuan)研(yan)(yan)制用于650℃的(de)TP-650TiC顆(ke)粒增強鈦基復合(he)(he)材料(liao)。目前我國對Ti 3 Al基金(jin)(jin)屬化合(he)(he)物研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)相比國外存(cun)在(zai)較大(da)差(cha)距，有必要(yao)推(tui)動(dong)我國相關科(ke)研(yan)(yan)水平提(ti)升(sheng)。

4、高溫鈦合金典型組織與性能關系

鈦(tai)合(he)金具有α-Ti與(yu)β-Ti同素異構體，α相與(yu)β相尺寸(cun)及分(fen)布影響鈦(tai)合(he)金機械性能(neng)(neng)，鈦(tai)合(he)金微(wei)觀組(zu)織(zhi)形態取(qu)決于合(he)金化學成分(fen)，熱(re)處理規范等，要想(xiang)得(de)(de)到期望的微(wei)觀組(zu)織(zhi)可通(tong)過(guo)報(bao)考固溶處理、再結晶等熱(re)加(jia)工處理獲得(de)(de)。鈦(tai)合(he)金可根據(ju)要求力(li)學性能(neng)(neng)選擇(ze)顯(xian)微(wei)組(zu)織(zhi)類型(xing)，通(tong)常分(fen)為魏氏組(zu)織(zhi)、雙態組(zu)織(zhi)等。轉變β基體分(fen)布有不連續初生α顆粒，α相包括轉變β組(zu)織(zhi)中片狀α相。生成等軸組(zu)織(zhi)條件是(shi)低于雙態組(zu)織(zhi)行(xing)車溫度(du)兩相區(qu)變形。

鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)不(bu)同微觀組(zu)織形(xing)態對應(ying)不(bu)同的力學性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)，α合(he)金(jin)具(ju)(ju)有(you)較好(hao)的康蠕(ru)變性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)。魏氏組(zu)織在原始晶粒不(bu)粗大下室(shi)溫(wen)(wen)抗拉(la)強(qiang)(qiang)度(du)，持(chi)久(jiu)強(qiang)(qiang)度(du)較好(hao)，但疲勞(lao)強(qiang)(qiang)度(du)較差(cha)(cha)，魏氏組(zu)織應(ying)用(yong)不(bu)如其(qi)(qi)他類型廣泛。網籃組(zu)織塑性(xing)(xing)(xing)(xing)較高，高溫(wen)(wen)持(chi)久(jiu)強(qiang)(qiang)度(du)較好(hao)。雙態組(zu)織性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)與魏氏組(zu)織特(te)點(dian)相反(fan)，初生α顆粒為15%~45%時兩相鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)綜合(he)力學性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)最(zui)佳，在兩相曲邊形(xing)抗力相對較大。等軸(zhou)組(zu)織對其(qi)(qi)他組(zu)織具(ju)(ju)有(you)較好(hao)室(shi)溫(wen)(wen)塑性(xing)(xing)(xing)(xing)，疲勞(lao)極限，但其(qi)(qi)斷裂(lie)韌性(xing)(xing)(xing)(xing)較差(cha)(cha)。高溫(wen)(wen)鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)抗氧(yang)(yang)化性(xing)(xing)(xing)(xing)是抵(di)抗氧(yang)(yang)化性(xing)(xing)(xing)(xing)氣氛腐蝕(shi)作用(yong)能(neng)(neng)力，鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)與氧(yang)(yang)反(fan)應(ying)導致(zhi)塑性(xing)(xing)(xing)(xing)降低，高溫(wen)(wen)鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)中含有(you)Al元素，合(he)金(jin)材料化學組(zu)成多樣，高溫(wen)(wen)鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)氧(yang)(yang)化行為通常采(cai)用(yong)Wagner氧(yang)(yang)化理論關系式表示。

高(gao)溫鈦合(he)(he)(he)(he)金高(gao)溫下使用組(zu)成合(he)(he)(he)(he)金組(zu)分(fen)發(fa)生擴(kuo)散，不(bu)同溫度下使用高(gao)溫鈦合(he)(he)(he)(he)金表(biao)(biao)現不(bu)同的氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)特性。研(yan)究對Ti60合(he)(he)(he)(he)金進行高(gao)溫連續氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)行為(wei)分(fen)析，發(fa)現720℃時(shi)(shi)Ti60合(he)(he)(he)(he)金有(you)較(jiao)厚表(biao)(biao)面(mian)富氧(yang)(yang)(yang)(yang)層(ceng)(ceng)。800℃時(shi)(shi)內氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)現象沒有(you)720℃嚴重，由于次表(biao)(biao)層(ceng)(ceng)較(jiao)寬貧(pin)鋁區生成TiO 2 膜對基體保(bao)護(hu)作用不(bu)同。Ti60合(he)(he)(he)(he)金在(zai)高(gao)溫下氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)后次表(biao)(biao)面(mian)貧(pin)鋁保(bao)破壞保(bao)護(hu)性氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)膜生成條件，鈦合(he)(he)(he)(he)金在(zai)500℃ ~900℃下氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)行為(wei)在(zai)文獻中(zhong)較(jiao)為(wei)常見。研(yan)究表(biao)(biao)明1000℃氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)時(shi)(shi)，氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)膜粘(zhan)附性較(jiao)好。1100℃氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)時(shi)(shi)出現開裂，1300℃時(shi)(shi)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)層(ceng)(ceng)脫(tuo)落。由于氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)層(ceng)(ceng)中(zhong)CuO揮發(fa)使得氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)層(ceng)(ceng)與基體分(fen)離。研(yan)究發(fa)現Ti1100合(he)(he)(he)(he)金在(zai)500℃暴露(lu)時(shi)(shi)，隨熱暴露(lu)時(shi)(shi)間延(yan)長，壓力差作用下使得生成氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)膜致密性下降。高(gao)溫鈦合(he)(he)(he)(he)金氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)機理(li)不(bu)同，隨著氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)時(shi)(shi)間延(yan)長，抗(kang)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)能(neng)力降低。

5、高溫鈦合金的發展方向

高(gao)溫(wen)(wen)(wen)鈦(tai)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)研(yan)究水平制約航(hang)天事業的(de)(de)發(fa)(fa)(fa)(fa)展，各國加大(da)對高(gao)溫(wen)(wen)(wen)鈦(tai)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)研(yan)發(fa)(fa)(fa)(fa)投入(ru)，但使用(yong)中出(chu)現蠕(ru)變抗力隨溫(wen)(wen)(wen)度升(sheng)高(gao)下(xia)降(jiang)制約高(gao)溫(wen)(wen)(wen)鈦(tai)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)(de)發(fa)(fa)(fa)(fa)展。目前高(gao)溫(wen)(wen)(wen)鈦(tai)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)發(fa)(fa)(fa)(fa)展路徑包(bao)括(kuo)以 含2.25%-6%Al進行補(bu)充強(qiang)化(hua)(hua)的(de)(de)Ti-Al系(xi)(xi)為(wei)基的(de)(de)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)鈦(tai)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)，以Ti-Al系(xi)(xi)高(gao)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)化(hua)(hua)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)為(wei)基的(de)(de)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)鈦(tai)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)，針對高(gao)溫(wen)(wen)(wen)鈦(tai)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)發(fa)(fa)(fa)(fa)展瓶頸提出(chu)未(wei)來發(fa)(fa)(fa)(fa)展方向。

高(gao)(gao)溫鈦合(he)金(jin)未來發(fa)展趨勢(shi)是加(jia)大對(dui)(dui)Ti-Al基合(he)金(jin)的(de)(de)研制力度，合(he)金(jin)元素(su)(su)(su)設計又少元到(dao)多元，重視稀土(tu)元素(su)(su)(su)在高(gao)(gao)溫鈦合(he)金(jin)中的(de)(de)作用。以Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α鈦合(he)金(jin)為主導，合(he)金(jin)化(hua)是獲得力學(xue)性能的(de)(de)重要(yao)手(shou)段(duan)，進行針(zhen)對(dui)(dui)性合(he)金(jin)化(hua)設計能充分發(fa)揮合(he)金(jin)元素(su)(su)(su)功(gong)效。加(jia)入Al等元素(su)(su)(su)可(ke)形成(cheng)穩(wen)定(ding)的(de)(de)α固(gu)溶體，擴大α穩(wen)定(ding)相溫度。加(jia)入Cr等合(he)金(jin)元素(su)(su)(su)可(ke)形成(cheng)穩(wen)定(ding)β固(gu)液體。Ti 3 Al金(jin)屬(shu)化(hua)合(he)物(wu)使(shi)(shi)用溫度接近鎳基高(gao)(gao)溫合(he)金(jin)，顆粒增強(qiang)鈦基復合(he)材料具有優勢(shi)，可(ke)能提高(gao)(gao)鈦合(he)金(jin)溫度使(shi)(shi)用范圍。嚴(yan)格控制必要(yao)的(de)(de)合(he)金(jin)元素(su)(su)(su)含量，O,C,H等隨塑性影響限制合(he)金(jin)的(de)(de)使(shi)(shi)用。

6、結語

高溫鈦合金未來(lai)發(fa)展趨勢是(shi)研(yan)發(fa)具有特殊用途的高(gao)溫鈦合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)，合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)向(xiang)多(duo)元強化(hua)方(fang)向(xiang)發(fa)展 ；目前金(jin)(jin)(jin)屬(shu)件化(hua)合(he)(he)物耐熱鈦合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)成為(wei)研(yan)究熱點，研(yan)發(fa)Ti-Al系(xi)金(jin)(jin)(jin)屬(shu)間化(hua)合(he)(he)物為(wei)基的合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)。稀(xi)土元素(su)是(shi)高(gao)溫鈦合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)具有應用前景的重要元素(su)，稀(xi)土元素(su)在(zai)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)中的機制作用有待研(yan)究。

【參考文獻】

[1] 郭舉樂,田永武.600℃高溫鈦合金的研究進展[J].鑄造技術,2020,41(09):894-896.

[2] 郭鯉,何偉霞,周鵬,劉(liu)標.我國鈦及(ji)鈦合金產(chan)品的(de)研究現狀及(ji)發展(zhan)前景[J].熱加工(gong)工(gong)藝,2020,49(22):22-28.

[3] 劉(liu)世鋒,宋(song)璽,薛(xue)彤,馬寧(ning),王巖,王立(li)強.鈦合金(jin)及鈦基復合材料在航(hang)空航(hang)天(tian)的應用(yong)和發展[J].航(hang)空材料學報,2020,40(03):77-94.