鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好和耐高溫的顯著特點(diǎn)，在20世紀(jì)50年代開始，首先由于航空航天技術(shù)的迫切需要，鈦工業(yè)得到了迅速的發(fā)展， 目前，鈦合金已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、武器、化工、汽車、體育、醫(yī)療等領(lǐng)域。根據(jù)鈦合金的性能特點(diǎn)與用途，鈦合金大致可分為三種主要類別：結(jié)構(gòu)合金、耐蝕合金以及生物合金。航空領(lǐng)域中，結(jié)構(gòu)材料要保證飛機(jī)機(jī)體和發(fā)動(dòng)機(jī)零件在復(fù)雜條件下具有良好的工作能力，在．250～600℃之間，鈦的比強(qiáng)度居于常用金屬材料之首，與密度更輕的鋁合金相比，尤其具有更好的高溫 強(qiáng)度，因此鈦合金作為結(jié)構(gòu)材料，很適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件以及其它航空構(gòu)架的結(jié)構(gòu)材料，航空材料已成為鈦合金最主要的應(yīng)用之一。近年來，隨著航空技術(shù)的發(fā)展，軍用及民用飛機(jī)不斷換代，鈦棒、鈦板等航空鈦合金的發(fā)展呈現(xiàn)兩個(gè)特點(diǎn)：高用量和高性能。如美國F22戰(zhàn)斗機(jī)的鈦用量達(dá)到42％ ，V2500發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦用量達(dá)到31％，民用飛機(jī)用量也在不斷增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2020年，民用飛機(jī)的鈦市場(chǎng)將達(dá)到2.8萬噸，對(duì)于高性能鈦合金，新型飛機(jī)逐漸追求輕量化，要求鈦材具有更高的強(qiáng)度，先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)需要更高的推重比，也要求鈦材具有更 好的高溫強(qiáng)度和阻燃性?？梢哉f，鈦合金的應(yīng)用與發(fā)展已成為航空技術(shù)發(fā)展的重要因素之一。

1、鈦合金在航空領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 鈦合金在飛機(jī)機(jī)身構(gòu)架中的應(yīng)用

鈦合金在機(jī)身構(gòu)架中主要用于防火壁、蒙皮、隔框、大梁、艙門、起落架、翼肋、緊固件、導(dǎo)管、拉桿等部件。鈦合金在使用初期，鈦合金主要應(yīng)用于受力不大的結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)支座、接頭、框架、隔熱板、減速板等，其中不乏鑄件，其中最早應(yīng)用的鈦合金鑄件之一是襟翼滑軌。經(jīng)過早期的這些相對(duì)簡(jiǎn)單的非關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)件在飛機(jī)上的應(yīng)用證明：鈦合金在飛機(jī)上應(yīng)用是可靠的。從20世紀(jì)80年代開始，隨著鈦合金部件成型技術(shù)和本身質(zhì)量的大幅提升，不少受力結(jié)構(gòu)件也開始選用鈦合金，如波音飛機(jī)上吊裝CF6-80發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝吊架，是受力條件非常嚴(yán)峻的結(jié)構(gòu) ”。近年來，美國、俄羅斯等發(fā)達(dá)國家對(duì)飛機(jī)機(jī)身上鈦合金的用量不斷增加。在軍用飛機(jī)領(lǐng)域，鈦合金的用量發(fā)展是非常迅速的，俄羅斯的伊爾76運(yùn)輸機(jī)的鈦用量達(dá)到12％，法國幻影2000和俄羅斯CY一27CK戰(zhàn)斗機(jī)的鈦用量分別達(dá)到23％和18%。表1為美國主要軍用飛機(jī)上鈦合金的用量引，其中F-22和F-35戰(zhàn)斗機(jī)、B1和B2轟炸機(jī)的鈦合金用量達(dá)到了20％以上。民用飛機(jī)的鈦用量也在不斷擴(kuò)大，目前國外主流民航機(jī)中機(jī)體用鈦材量占機(jī)身總重達(dá)到6％以上。表2為美國及歐洲民航飛機(jī)的鈦用 量，其中美國波音787飛機(jī)在研制過程中，為了達(dá)到大幅減重以達(dá)到降低20％的油耗，投人3億美元研發(fā)經(jīng)費(fèi)，大量采用鈦合金替代鋁合金，最終整個(gè)飛機(jī)機(jī)體鈦合金用量達(dá)到11％，在民用飛機(jī)領(lǐng)域已達(dá)到了很高的比重。俄羅斯正在研制的新一代客機(jī)MS-21的鈦合金用量達(dá)到了25％ ，計(jì)劃在2016年向市場(chǎng)推出，將成為世界上鈦合金用量最高的民用飛機(jī)。

為了降低成本，鈦合金鑄件的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。在20世紀(jì)90年代中期，美國研制的高性能第四代殲擊機(jī)F-22上已采用了大量的鈦合金鑄件，總重達(dá)到600kg，其中有些是非常重要的關(guān)鍵件，如機(jī)身壁肋鑄件和方向舵?zhèn)鲃?dòng)裝置支架。軍用運(yùn)輸機(jī)C一17的吊掛頭錐帽為鈦合金整體薄壁精鑄件，最薄壁厚1.25 mm，最大壁厚差近9 mm[4]。美國波音757、767、777及787也都采用了大量的鈦合金鑄件，其中波音777使用了兩種典型的鈦合金鑄件，一件是Apu風(fēng)導(dǎo)管，另一件是長(zhǎng)度達(dá)到3 048 mm的形狀復(fù)雜的隔熱屏。歐盟國家制造的A330／A340空中客車上也選用了大量鈦合金鑄件，其中典型的是內(nèi)著陸襟翼系統(tǒng)上的耳軸和飛機(jī)支撐架，A380客機(jī)的鈦合金剎車扭力管由英國Doncasters

公司采用離心熔模精鑄鑄造技術(shù)研制，首次取代了鍛件。我國在軍用飛機(jī)上鈦合金的應(yīng)用起步較晚，我國在20世紀(jì)80年代研發(fā)的殲八戰(zhàn)斗機(jī)鈦合金的用量?jī)H為2％，重量為93 ，殲十戰(zhàn)斗機(jī)鈦合金的用量提高到3％，但與國外第三代、第四代軍用飛機(jī)的鈦用量相比，仍然存在很大差距。近年來，我國加大了鈦合金在軍用航空領(lǐng)域的應(yīng)用，預(yù)計(jì)我國新一代高性能戰(zhàn)斗機(jī)的鈦用量將達(dá)到25％～30％在民用飛機(jī)領(lǐng)域，我國商用支線客機(jī)ARJ21的鈦合金用量為4.8％ ，我國自主研發(fā)的C919大型客機(jī)的鈦合金用量達(dá)到了9.3％，超過了美國波音777飛機(jī)，2014年9月，C919客機(jī)首架機(jī)在中國商飛公司新落成的總裝制造中心正式開始機(jī)體對(duì)接，這標(biāo)志著C919大型客機(jī)研制項(xiàng)目全面進(jìn)入結(jié)構(gòu)總裝攻堅(jiān)階段，項(xiàng)目力爭(zhēng)年底完成首架機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)對(duì)接，2015年底實(shí)現(xiàn)首飛。

1.2 鈦合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟，其部件承受著高溫、高壓環(huán)境的考驗(yàn)，要求合金在650℃ 以下有著良好的抗高溫強(qiáng)度、抗蠕變性和抗氧化性。因鋁合金使用溫度過低，鋼的密度太大，所以鈦合金成為了最佳選擇。目前，鈦合金以其優(yōu)異的特性在飛機(jī)上的應(yīng)用日趨擴(kuò)大，在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中可用于壓氣盤、靜葉片、動(dòng)葉片、機(jī)殼、燃燒室外殼、排氣機(jī)構(gòu)外殼、中心體、噴氣管、機(jī)匣等。其中，葉片、機(jī)匣等部件目前已采用鈦合金鑄件，Rolls—Royce(Trent900)和GE／Pratt&WhitneyEngine Alliance(GP7200)兩家公司生產(chǎn)的A380空中 客車新型發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇直徑為3 m左右，并采用中空鈦風(fēng)扇葉片。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)推重比和剛度要求的提高，要求一些關(guān)鍵鈦合金結(jié)構(gòu)件做成大型復(fù)雜薄壁的整體精鑄件，因此目前大型復(fù)雜薄壁鈦合金整體結(jié)構(gòu)精鑄技術(shù)已得到了充分發(fā)展。表3為歐美國家一些航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦用量 ?？梢钥闯?，國外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦用量一般在25％以上。我國早期研制的航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦用量很低，1978年研制的渦噴13系列發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦用量達(dá)到13％，2002年設(shè)計(jì)的昆侖渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦用量達(dá)到15%，預(yù)計(jì)我國新一代航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦用量 將達(dá)30％以上。

2、航空用高性能鈦合金的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 高強(qiáng)度鈦合金

高強(qiáng)度鈦合金是為了滿足機(jī)身減重和高負(fù)載部件的使用而提出的，在飛機(jī)上用于機(jī)身的承力隔梁、起落架的扭力臂、支柱等。目前高強(qiáng)度鈦合金的研究主要以β鈦合金為主，也包括 α+β兩相合金，合金化的主要特點(diǎn)是加入較多的β穩(wěn)定元素，如v、Cr、Mn、Fe等元素，嚴(yán)格控制N、H、O等氣體元素含量，并在高溫下的固溶時(shí)效處理得到穩(wěn)定的B相組織。目前，具有代表性的高強(qiáng)度鈦合金主要有Ti1023、Ti153、21S、Ti6-22.22S和BT22等，合金時(shí)效后的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 000 MPa以上。美國研制的Ti一1023(Ti．IOV一2Fe．3A1) 是目前應(yīng)用最為廣泛的高強(qiáng)韌近β鈦合金，已成功應(yīng)用于C-17大型運(yùn)輸機(jī)的起落架、波音777客機(jī)的起落架以及大型客機(jī)A380的主起落架支柱。Ti153(Ti-15V-3Cr-3A1-3Sn)具有良好的冷變形性，已應(yīng)用于波音777上的控制系統(tǒng)管道和滅火罐，替代了低強(qiáng)度普通鈦合金[9]。β21S (Ti-15Mo一3A1．2．7Nb．0．2Si)除了具有較高的強(qiáng)度外，還具有良好的抗蠕變性能，被用于波音777飛機(jī)的引擎P&W4084、GE90和Trent800中的噴嘴、蒙皮和各種縱梁結(jié)構(gòu)[ 。Ti6-22-22S (Ti-6A1-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si)是美國RMI公司研制的α+β型合金，具有良好的強(qiáng)韌性匹配，熱處理后具有深淬透性(斷面直徑達(dá)100 mm)和極好的超塑性成型能力，用于F22戰(zhàn)斗機(jī)下部龍骨的翼弦 。俄羅斯研制的BT22(Ti-5V-5Mo-1Cr-1Fe-5A1)退火狀態(tài)下為α+β結(jié)構(gòu)，該合金塑性和焊接性能優(yōu)異，已用于IL一86和IL一96—300的機(jī)身、機(jī)翼、起落架等高負(fù)載航空部件，為了進(jìn)一步提高強(qiáng)度，研發(fā)人員對(duì)BT22進(jìn)行了改進(jìn)，在其中加入sn、zr等元素， 即BT22M合金，其室溫強(qiáng)度達(dá)到1 200 MPa以上，用于生產(chǎn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)盤和葉片。

我國上世紀(jì)60年代開始自主開發(fā)了TB6、TB10、TC21等高強(qiáng)度鈦合金，其中TC21和TB10最為典型，TC21強(qiáng)度達(dá)到l 100 MPa，韌性好，具有優(yōu)異的高損傷容限性能和疲勞性能，是目前我國綜合力學(xué)性能最佳的高強(qiáng)度鈦合金，適用于制造飛機(jī)大型整體框梁類重要承力構(gòu)件，TB10比強(qiáng)度高，斷裂韌度好，淬透性高，已在我國航空領(lǐng)域獲得了實(shí)際應(yīng)用。

2.2 高溫鈦合金

高溫鈦合金是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要材料，主要用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤、機(jī)匣和葉片等部件，以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)更高的工作溫度，提高推重比。常規(guī)鈦合金工作溫度較低，一般小于500℃，目前，美、英等國已研制出了使用溫度550～600℃的高溫鈦合金，如美國Ti6242S、Til100，英國IMI829、IMI834，俄羅斯BT 1 8Y、BT36等。Ti6242S (Ti-6A1-2Sn-4Zr-2Mo-0.1si)是美國早期研制的一種高溫鈦合金，屬于近α型結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度達(dá)N93o MPa，最高使用溫度為540℃ ，研發(fā)人員通過對(duì)Ti6242S的合金元素含 量進(jìn)行調(diào)整，研制出了Til 100(Ti-6A1-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si)，使其使用溫度提高到600℃ ，該合金已應(yīng)用于T55-712發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)輪盤和低壓渦輪葉片等部件。IM1834 (Ti-5.8A1-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si)是IMI829的改進(jìn)型，合金中Nb的加入在保證熱穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，最大限度提高了合金的強(qiáng)度，室溫強(qiáng)度達(dá)到1070 MPa，該合金焊接性能優(yōu)異，已應(yīng)用于波音777飛機(jī)的Trent 700發(fā)動(dòng)機(jī)上。BT36 (Ti-6-2A1-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-0.1Y-5.0W-0.15Si)是俄羅斯在上世紀(jì)90年代研制的一種重要的高溫合金，使用溫度達(dá)到600～650℃，合金中加入Y達(dá)到細(xì)化晶粒改善塑性的效果，加入w提高了合金的熱強(qiáng)性。美國惠普公司最近研制出的Ti-1270高溫鈦合金，試驗(yàn)過程中使用溫度可達(dá)700℃ ，計(jì)劃用于x-33演示機(jī)及聯(lián)合戰(zhàn)斗機(jī)。我國研制了Ti-55、Ti-60、Ti-600、Ti-5331lS及7715等高溫合金。Ti-53311s使用溫度在550℃左右，其成分與IMI829類似，但Mo含量更高，高溫瞬時(shí)強(qiáng)度大，高溫下具有良好的承載能力，在航空領(lǐng)域已獲得應(yīng)用 。Ti60 (Ti-5.8A1-4.8Sn-2Zr-1Mo-0.35Si-0.85Nd)屬于Ti55的改型，其使用溫度達(dá)到1600℃ ，室溫強(qiáng)度達(dá)到1100MPa，合金元素Nd改善了合金的熱穩(wěn)定性。Ti600合金的600℃強(qiáng)度達(dá)到740MPa以上，同時(shí)保持良好的伸長(zhǎng)率和斷面收縮率 。

由于未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比將達(dá)到10以上，因此要求材料的使用溫度更高。近年來，鈦鋁合金開始受到關(guān)注，主要以Ti3A1和TiA1為基礎(chǔ)，最高使用溫度達(dá)到800℃以上，抗氧化能力強(qiáng)，抗蠕變性能好，且質(zhì)量更輕。以Ti3Al為基的Ti-21Nb-14A1和Ti-24A1-14Nb3V-0.5Mo在美國已開始批量生產(chǎn) 。但目前研制的鈦鋁合金塑性較差，使其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用受到了限制。

2.3 阻燃鈦合金

用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的某些鈦合金部件工作溫度較高，易發(fā)生燃燒，因此，美、俄等國從上世紀(jì)70年代開始，開展了阻燃鈦合金的研究。美國研制出了AlloyC(Ti-35V-15Cr)阻燃鈦合金，屬于β型合金，該合金具有良好的高溫強(qiáng)度和抗氧化能力，但在高溫(特別足482℃ 以上時(shí))工作時(shí)，合金易發(fā)生脆化，該合金已應(yīng)用于Fll9發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)機(jī)匣、導(dǎo)向葉片和矢量尾噴管 。俄羅斯研制出Ti-Cu-A1系BTT-1、BTT-3阻燃鈦合金，BTT-1合金具有良好的熱加工性，被用于發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)機(jī)匣和葉片 ，BTT-3合金與BTT-1相比，塑性更高，阻燃性更好，可用于制備更加復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)零件，但這兩種合金的整體力學(xué)性能和鑄造性能較差，至今未能工程化。

我國對(duì)于阻燃鈦合金的研究起步較晚，西北有色研究院研制出了Ti-40(Ti-25V-15Cr-0.4Si)阻燃鈦合金，該合金V含量較低，具有良好的機(jī)械性能，阻燃性能與AlloyC性能相當(dāng)，在500℃可長(zhǎng)期使用，該合金已進(jìn)入工業(yè)規(guī)模的研究階段。北京航空材料研究院~AlloyC合金為基礎(chǔ)，進(jìn)一步優(yōu)化si和C的含量，研發(fā)出TF550合金，該合金在550℃具有很好的蠕變和持久性能。

3、我國航空用鈦合金的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 繼續(xù)開展高性能航空鈦合金材料的研究與應(yīng)用

現(xiàn)有鈦合金的強(qiáng)度仍不能完全滿足航空領(lǐng)域的應(yīng)用，其強(qiáng)韌性仍不如超高強(qiáng)韌合金鋼(1500MPa以上)，需要研制抗拉強(qiáng)度大于1350MPa并且韌性良好的高強(qiáng)鈦合金。繼續(xù)擴(kuò)大高溫鈦合金的使用溫度，使其達(dá)到650℃ 以上，通過多元素合金化提高合金的高溫性能，繼續(xù)探究稀土元素對(duì)于高溫性能的影響。對(duì)于阻燃鈦合金，我國發(fā)展相對(duì)緩慢，需要制定評(píng)價(jià)鈦合金阻燃性能的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 積極拓寬航空鈦合金精密鑄件的應(yīng)用范圍

與鈦合金鍛件相比，鈦合金精密鑄件可極大降低產(chǎn)品的生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本，并適用于批量生產(chǎn)。我國鈦合金精密鑄造技術(shù)近年來發(fā)展較快，已廣泛應(yīng)用于航天、軍工等領(lǐng)域，但由于航空鈦合金鑄件的內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量要求很高，關(guān)鍵航空鈦合金部件還很難采用鈦合金鑄件，并且目前航空鈦合金鑄件的成品率還不是很高，因此仍需要提升我國航空鈦合金部件的精密鑄造技術(shù)，如造型技術(shù)、熔煉成形工藝等。

3.3 開展低成本航空鈦合金的研制

航空鈦合金產(chǎn)品的研制與生產(chǎn)目前已經(jīng)成熟化、商業(yè)化，低成本航空鈦合金將受到極大關(guān)注，除了對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制、提高成品率之外，還需要對(duì)材料本身進(jìn)行改進(jìn)，如在合金化方面，用便宜的Fe元素替代昂貴的V、Mo等元素，在保證強(qiáng)度和韌性的同時(shí)，降低金屬材料成本，在鑄造成形方面，可以通過研制低成本高穩(wěn)定性的氧化物鑄型材料，降低鑄造的成本。

通過降低成本，鈦產(chǎn)品在航空領(lǐng)域的應(yīng)用將得到進(jìn)一步推廣。

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