全球航空業(yè)將保持強勁增長的勢頭，據(jù)空客預(yù)測，到2035 年航空市場對新增飛機的需求將帶來超過5 萬億美元的投資。而為了降低燃料消耗和減少碳排放，減重成為飛機制造商關(guān)注的核心問題。鈦合金材料由于具有獨特的高強度- 重量比性能，最早應(yīng)用于航空工業(yè)部門，用在航空器的多個部件，如起落架、發(fā)動機部件、彈簧、襟翼導(dǎo)軌、氣動系統(tǒng)管道和機身部件等。航空工業(yè)對鈦合金材料的性能提出了越來越高的要求，如高強度- 重量比，高抗氧化性能，斷裂韌性、耐腐蝕性能、疲勞強度和抗蠕變性能[1]。

航空業(yè)已成為鈦合金最大用戶，美國的鈦材主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，約占使用總量的60%。在美國戰(zhàn)斗機的更新?lián)Q代中，鈦合金和復(fù)合材料的使用比例不斷上升，第五代戰(zhàn)斗機F-35 用鈦量達到27%,F-22 戰(zhàn)機用鈦量則高達41%，其中發(fā)動機的葉輪、盤、葉片、機匣、燃燒室筒體和尾噴管等均為鈦合金材料制造[2，3]。

本文按材料顯微組織類型，對國外開發(fā)的航空航天領(lǐng)域鈦及鈦合金主要牌號、應(yīng)用及發(fā)展趨勢進行了介紹和分析。

1 、α型鈦合金及應(yīng)用

α 合金包括工業(yè)純鈦（Commercially Pure, 簡稱CP）及只含α 穩(wěn)定元素和/ 或中性元素的鈦合金[1,4]。

1.1 工業(yè)純鈦

工業(yè)純鈦主要由密排六方晶體(HCP)α 相構(gòu)成，同時由于源自海綿鈦原料殘存雜質(zhì)或人為添加帶來的Fe 元素，工業(yè)純鈦中還含有少量的（<5%）的β 相，按拉伸強度按240-550MPa 分4 個牌號(ASTM 標準中G1、G2、G3 和G4)，牌號越高其中可以發(fā)揮間歇固溶強化的氧濃度越高，因此強度也越高[5]。

CP 鈦主要用于要求具有良好的耐腐蝕性和焊接性能，但對強度要求不高的領(lǐng)域。在航空領(lǐng)域，CP 鈦主要用于機翼前緣除冰系統(tǒng)的空氣加熱管，機艙環(huán)境控制系統(tǒng)管道，液壓管道以及各種夾持和支架裝置。

1.2 鈦合金Ti-5Al-2.5SnELI

另一類α 型鈦合金含有α 穩(wěn)定元素Al 和中性合金元素Sn，目的是獲得比CP 更高的強度。航空領(lǐng)域最常見的α 型鈦合金包括Ti-5Al-2.5Sn ELI（Extra low interstitial，超低間歇），由俄羅斯和美國開發(fā)，俄羅斯牌號為BT5-1。該合金是在普通鈦合金Ti-5Al-2.5Sn基礎(chǔ)上，通過降低間歇元素含量,顯著提升其在極低溫下的強度和韌性，在20K（-250℃）低溫條件下仍具有良好的韌性和較低的熱導(dǎo)率[6]，主要用于低溫容器、低溫管道以及液體火箭發(fā)動機渦輪油泵葉輪，如圖1 所示。

圖1 航天飛機主發(fā)動機使用的Ti-5Al-2.5Sn 油泵葉輪[5]

2 、近α型鈦合金及應(yīng)用

這類合金主要含Al、Sn 和Zr 以及少量（不超過重量2%）低擴散率β 穩(wěn)定元素，如Mo 或Nb、V 及Si( 不超過0.5%)。加入Mo 或Nb 可在室溫下穩(wěn)定少量被保留的β 相，以起到某種強化作用。有優(yōu)越的抗高溫蠕變性能，由于在高溫下仍可保持足夠強度，這一點對于高溫應(yīng)用尤為重要。

航空業(yè)最常見的近α 型鈦合金主要牌號包括Ti-3-2.5、Ti-6-2-4-2S、Ti-1100、IMI834 以及BT-36。

（1）Ti-3Al-2.5V(Ti-3-2.5)。Ti-3Al-2.5V 是美國開發(fā)的一種近α 型鈦合金，在室溫和高溫下強度比純鈦高出20%~50%, 適用于飛機和發(fā)動機液壓和燃油等管路系統(tǒng)。在波音，除驅(qū)動主起落架的起落架艙液壓管道外，飛機的所有液壓管道均采用Ti-3-2.5。航天飛機上的大量油壓管路采用Ti-3Al-2.5V 合金無縫管做配管，能使管路減重40%[7,8]。

（2）Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si(Ti-6-2-4-2S)。由于近α 型鈦合金抗高溫蠕變強度優(yōu)于α+β 合金，在現(xiàn)代發(fā)動機中，壓氣機葉片使用兩種材質(zhì)，前級葉片燃氣溫度低于300℃，材質(zhì)為Ti-6-4，其余末級材質(zhì)采用高蠕變強度合金Ti-6-2-4-2S，可以在高達540℃下使用。70 年代, 美國RMI（Reactive Metals Inc）通過添加Si 元素, 開發(fā)了使用溫度超過500℃的Ti-6242S 合金，采用細化β 晶粒控制針狀組織的方法, 實現(xiàn)了合金疲勞強度和蠕變強度兼顧, 使之在565℃下具有高強度、高剛度、抗蠕變和好的熱穩(wěn)定性, 廣泛應(yīng)用于渦輪發(fā)動機部件[4]。圖2 為3-9 級鈦合金壓氣機轉(zhuǎn)子。

圖2 波音747 發(fā)動機7 級單體壓氣機轉(zhuǎn)子，前5 級為Ti-6-4 合金，后兩級Ti-6-2-4-2S[5]

（3）Ti-1100（ Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si-0.7O2-0.2Fe）。Ti-1100近α高溫鈦合金是Timet為滿足新型航空發(fā)動機對高溫鈦合金高抗蠕變性能和高斷裂韌性的需求, 而在20 世紀80 年代研制的, 該合金實際上是Ti-6242Si的發(fā)展型, 其使用溫度達可593℃ , 目前已用于美國萊康明發(fā)動機公司(LYCOMING) 的T55-712 型發(fā)動機[9,10]。

（4）Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.5Mo-0.7Nb-0.35Si-0.06C（IMI834）。IMI834 是英國勞斯萊斯公司(Rolls-Royce，歐洲最大的航空發(fā)動機企業(yè)) 研制的發(fā)動機用高溫合金，工作溫度可達600℃。目前，一般認為它是已投入工業(yè)生產(chǎn)的最高溫近α 鈦合金。834 合金主要用于航空發(fā)動機環(huán)件、壓氣機輪盤及葉片。

（5）Ti-6.2Al-2Sn-3.6Zr-0.7 Mo-0.1Y-5.0W-0.15Si(BT36)。BT36 是俄羅斯于1992 年研制成功的一種使用溫度在600-650℃的鈦合金, 該合金在BT18Y 的基礎(chǔ)上用5% 的高熔點W 代替1%Nb，W 的加入對合金的室溫強度、蠕變和持久性有明顯的改善，提高了合金的熱穩(wěn)定性[11]。

3、 α+β合金及應(yīng)用

α+β 合金是迄今為止應(yīng)用最廣泛的鈦合金。其具有更高含量的（4-6%）β 元素，因此與近α 型鈦合金相比，其β 相含量更高，可以通過熱處理獲得更高的強度。主要強化機制包括在室溫下保留亞穩(wěn)β 相，通過淬火到室溫從原始β 相生成馬氏體。通過對含有亞穩(wěn)β 相的合金進行時效處理，可以在該區(qū)域生成片狀α，這樣可以在盡可能減少塑性損失的情況下提高強度。

最常用的α+β 合金是Ti-6Al-4V（Ti-6-4），其他航空用α+β 合金包括Ti-6Al-6V-2Sn(Ti-662)，Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si（6-2-2-2-2S），IMI550(Ti-4Al-2Sn-4Mo-0.5Si)。

（1）Ti-6Al-4V（Ti-6-4）。Ti-6-4 是應(yīng)用最廣泛的鈦合金材料，具有良好的綜合性能，常在退火態(tài)下使用，最低拉伸強度896MPa(130ksi)。

Ti-6-4 屬于可熱處理強化鈦合金，具有較好的焊接性能、成形性和鍛造性能, 是機身結(jié)構(gòu)件使用的主要鈦合金，同時用于制造噴氣發(fā)動機壓縮機葉片、葉輪以及起落架和結(jié)構(gòu)件，緊固件，支架，飛機附件，框架，桁條結(jié)構(gòu)、管道。

（2）Ti-6Al-6V-2Sn(Ti-662)。Ti-662 拉伸強度1030MPa, 屈服強度970MPa，強度高于Ti-6-4，耐腐蝕性能優(yōu)異，焊接和加工性能中等，用于飛機機身、火箭發(fā)動機、核反應(yīng)堆部件，近年在石油鉆井上應(yīng)用增多[12,13]。

（3）Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si（6-2-2-2-2S）。6-2-2-2-2S 由RMI 在1970 年代開發(fā)，具有優(yōu)異的強度、斷裂韌性、高溫性能，以及良好的加工性能和焊接性能，適用于厚型結(jié)構(gòu)件。用于機身、機翼、發(fā)動機結(jié)構(gòu)件[14]。該合金強度高，在退火態(tài)的強度1068MPa，經(jīng)固溶強化和時效，可達到最大強度1241MPa，并具有較大的損傷容限，廣泛用于戰(zhàn)斗機結(jié)構(gòu)件，如美國空軍F-22 Raptor 戰(zhàn)斗機[15,16]。

（4）Ti-4Al-2Sn-4Mo-0.5Si（ IMI550）。IMI550 由英國帝國金屬公司（IMI）研制，拉伸強度達1100MPa，屈服強度達940MPa，使用溫度達到400℃，用于機身和發(fā)動機結(jié)構(gòu)件[17]。最早作為抗蠕變合金用于勞斯萊斯飛馬和奧林匹斯（Rolls Royce Pegasus and Olympus）發(fā)動機，后來又用于歐洲民用和軍用飛機機身，如美洲虎（Jaguar）、狂風(fēng)（Tornado）和空客(Airbus)。

4 、β合金及應(yīng)用

β 合金是強度最高的鈦合金，拉伸強度可達1240MPa。

在經(jīng)過快速冷卻后仍可在室溫下保留100% 的亞穩(wěn)β 相。通過運用不同的時效溫度和時間，可以控制某個合金β 相基體中α 相析出的大小和比例，從而獲得比α+β 合金更高的強 度，選定適宜的時效溫度和時間可以獲得不同的性能。

除了少數(shù)例外，β 合金不用于高溫應(yīng)用，因為一般情況下，隨著溫度的升高，β 合金的強度會比近α 和α+β 合金下降更快，并且不如近α 型鈦合金那樣具有抗蠕變性能。

β 合金主要用于強度要求較高的結(jié)構(gòu)件，如飛機起落架，從波音777 開始，已在多款新型大型商用飛機上應(yīng)用。波音777 和787 采用β 合金的其他構(gòu)件包括襟翼滑軌、彈簧、輔助 動力單元支柱（APU Strut）、滅火罐、夾子和托架以及排氣管。

用于航空的β 合金包括Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr、Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr、Ti-35V-15Cr和Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si。

（1）Ti-10V-2Fe-3Al(Ti-10-2-3)。Ti-10V-2Fe-3Al(Ti-10-2-3) 合金是由美國Timet 公司、Boeing 公司、Wyman-Gordon 于20 世紀70 年代共同研制的高強近β合金，成功應(yīng)用于飛機起落架主承重梁、機翼和轉(zhuǎn)軸等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件[18]。該合金經(jīng)過在波音757 上試用后，獲批正式用在波音777 的起落架上，如圖3 所示。此后，空客也使用Ti10-2-3 用作A380 飛機的起落架。

圖3 波音777 起落架結(jié)構(gòu)，該機型是首次使用鈦合金起落架的商用飛機[5]

（2）Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr (Ti-5553)。Ti-5553 合金是由俄羅斯上薩爾達（VSMPO）與歐洲空客公司聯(lián)合研制的一種新型高強高韌近β 鈦合金，其名義成分為Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr，比Ti-10-2-3 合金強度稍高（大約1240MPa），經(jīng)熱處理后，抗拉強度可超過1500MPa，有一定加工性能優(yōu)勢，淬透性更佳。特別適用于制造大規(guī)格承力構(gòu)件，如機翼/ 吊掛接頭、起落架/ 機翼接頭以及起落架等零件。波音新型787 飛機起落架大部分部件使用Ti-5553合金，空客A350-1000 的起落架部件也使用該合金[19,20]。

（3）Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al(Ti-15-3-3-3)。Ti-15-3-3-3 是美國70 年代研制成功的亞穩(wěn)定β 型鈦合金。經(jīng)800℃ 30minAC+540℃ 8hAC 處理, 室溫拉伸強度達1100MPa, 延伸率仍在9% 以上。該合金具有優(yōu)良的壓延性、冷成形性和焊接性能，是一種理想的航空構(gòu)件材料[21]。

主要用作機身結(jié)構(gòu)件和航空緊固件，還可用來制作彈簧，如圖4 所示。用β 鈦合金代替鋼質(zhì)彈簧可以獲得70% 的減重。

圖4 鈦制飛機彈簧[5]

注：彈簧A 是用Ti-15-3-3-3 鈦帶制作的艙門平衡時鐘彈簧。彈簧B 是用β-C 鈦絲制作的螺旋彈簧，用作T-45 教練機啟動桿動力單元彈簧。

（4）Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo （Ti-6-2-4-6）。Ti-6-2-4-6 是美國Timet 公司在20 世紀60 年代開發(fā)的一種高Mo 含量的高溫鈦合金，具有耐高溫性能（使用溫度在420℃）、良好的強度、耐腐蝕、焊接及加工性能。該合金在固溶時效或雙重退火后的低周疲勞強度明顯高于相應(yīng)的Ti-6Al-4V 合金，同時具有較高的高溫蠕變強度和瞬時強度，可制造渦輪發(fā)動機壓氣機盤件和葉片[22]。

（5）Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr（Ti-17）。Ti-17 是美國通用電氣公司在70 年代初期開始研究與開發(fā)的β 型合金，強度高、韌性好, 室溫下屈服強度為1137~1166MPa，抗拉強度為1196~1235MPa，延伸率為8% 以上。同時具有良好的抗裂紋生長/ 疲勞性能和斷裂韌性。主要用作一些新研制強度要求較高的大型飛機發(fā)動機風(fēng)扇盤和氣壓機盤。美國通用電氣公司和Wyman Gordon 公司采用Ti-17 合金制造了發(fā)動機用盤件和直升飛機轉(zhuǎn)子卡軸。日本神戶制鋼所也開始研制該合金并用于制造發(fā)動機盤件[23]。

（6）Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr(β-C)。β-C 是1969 年美國RMI 公司開發(fā)的亞穩(wěn)β 鈦合金。該合金含有更多的固溶體，拉伸強度可達到1240 MPa，由于強度高，其塑性和容損性能（斷裂韌性和疲勞裂紋生長速率）低于α+β 合金，因此不常用于關(guān)鍵承重部件，通常用作飛機彈簧、緊固件、連接件及導(dǎo)彈部件。

研究表明，將少量C(0.1%) 加入β-C，在時效前進行一定的冷變形，可以加快時效期間α 相析出，同時減少晶界α（GBα）形成，并促使晶粒細化, 可以在獲得高達1500MPa 強度的同時，保持較好的延性[24]。

（7）Ti-35V-15Cr（Alloy C）。只有一種真正的（ 穩(wěn)定）β 合金具有有限的商業(yè)應(yīng)用價值，這就是Alloy C,名義成分為Ti-35V-15Cr-0.05C，由普· 惠（Pratt andWhitney 公司，美國最大的兩家航空發(fā)動機制造公司之一）開發(fā)。由于β 穩(wěn)定合金含量相當高，因此Alloy C 在服役溫度下β 相不會像普通β 合金那樣分解成α+β 相。該合金室溫拉伸性能1071MPa，屈服強度1023 MPa，延伸率14.7，蠕變溫度540℃，由于具有防火（不燃燒）性能，而被普·惠用作軍用發(fā)動機的排氣系統(tǒng)[25]。而其他鈦合金在高質(zhì)量流速下（比如噴氣發(fā)動機氣流），會發(fā)生燃燒，供燃燒的“燃料”就是幾乎所有鈦合金中都必不可少的鈦和鋁。

（ 8 ）T i - 1 5 M o - 2 . 7 N b - 3 A l - 0 . 2 S i（ β - 2 1 S ）。β-21S(Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si) 是TIMET 開發(fā)的一種超高強度新型β 合金。該合金強度高，塑性好，通過熱

處理，時效到很高的強度水平（抗拉強度>1450MPa），塑性仍保持在Ti-1023 的水平。β-21S 在加工和使用期間具有顯著的抗氧化性能，更適合加工成薄板。β-21S 比其它β 合金能承受更高的溫度，長時間工作溫度可達540℃ [26]。

由于具有更好的耐高溫性能，這種合金可以用作航空發(fā)動機尾椎，如圖5 所示，此處噴口暴露于發(fā)動機尾氣。用β-21S 代替鎳基合金可以大幅度減輕噴口和尾椎的重量。

圖5 裝配波音-777 發(fā)動機β-21S 尾椎[5]

5、鈦鋁合金及應(yīng)用

鈦鋁合金，比近α 型鈦合金具有更好的耐高溫性能。鈦鋁合金有多種金屬間化合物，主要有Al 含量較少的Ti3Al（α2）和Al 含量較多的TiAl（?）兩種。其中? 合金耐高溫能力達到725℃，高于常規(guī)鈦合金的工作溫度。目前已有?合金用于發(fā)動機制造，在商用飛機發(fā)動機中用作低壓渦輪葉片，如圖6 所示。

圖6 用? 合金制作747 發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片[5]

目前波音787 的GEnx 發(fā)動機以及空客A-320NEO和波音737MAX 的CFM LEAP 發(fā)動機最后兩級低壓渦輪（LPT）工作葉片均釆用? 合金Ti-48Al-2Nb-2Cr 制造。

使用這種合金使GEnx 發(fā)動機每級葉片減重約90kg。2006年美國GE 公司使用Ti-48Al-2Nb-2Cr 合金作為在GEnx發(fā)動機中第6、7 級低壓渦輪葉片。這是鈦鋁合金首次大規(guī)模進入實際關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用[27]。圖7 為用? 合金制造的GEnx 發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子。

圖7 用? 合金制造的GEnx 發(fā)動機最后兩級低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片[5]

6 、結(jié)語

對美歐航空航天用鈦鍛件、鈦棒等鈦及鈦合金牌號的梳理分析表明，近年來國外開發(fā)的高溫鈦合金、低溫鈦合金、高強高韌β 型鈦合金、阻燃鈦合金和損傷容限型鈦合金在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，代表了航空航天高性能鈦合金材料的發(fā)展方向。

（1）高溫鈦合金。20 世紀50 年代開發(fā)的高溫鈦合金以美國開發(fā)的Ti-6Al-4V 合金為代表，其適應(yīng)溫度為300-350℃ [28]。后來開發(fā)的高溫鈦合金以近α 型為主，以美國開發(fā)的Ti-6-2-4-2S、Ti-1100，英國開發(fā)的IMI834 以及俄羅斯開發(fā)的BT-36 為代表，使用溫度高達600℃。高溫鈦合金以其優(yōu)良的熱強性和高的比強度，在航空發(fā)動機中獲得了廣泛的應(yīng)用。高溫鈦合金的另一個發(fā)展趨勢是鈦鋁合金，即以鈦鋁為基礎(chǔ)的Ti3Al（α2）和TiAl（?）金屬間化合物，其中? 合金耐高溫能力達到725℃。鈦鋁合金成為未來航空發(fā)動機及飛機結(jié)構(gòu)件最具競爭力的材料。

（2）低溫鈦合金。一些鈦和鈦合金在低溫和超低溫下仍能保持其原有的機械性能。美國對于低溫鈦合金的研究主要集中于α 型Ti-5Al-2.5Sn ELI 以及α+β 型鈦合金Ti-6Al-4V ELI[6]，通過降低間歇元素含量, 兩種鈦合金在20K 極低溫度下保持良好的強度和韌性，用于低溫容器、低溫管道以及液體火箭發(fā)動機葉輪。

（3）高強鈦合金。高強度鈦合金一般指抗拉強度在1,000MPa 以上的鈦合金，國外高強鈦合金研發(fā)主要以美國和俄羅斯為主。β 合金是強度最高的鈦合金，目前代表國際先進水平并在航空領(lǐng)域獲得實際應(yīng)用的高強度鈦合金主要為β 型鈦合金，如美國Ti-10-2-3、Ti-15-3-3-3 和β-21S，俄羅斯Ti-5-5-5-3-1 等，主要用于強度要求較高的結(jié)構(gòu)件，如飛機起落架以及機身等部件。

（4）阻燃鈦合金。為解決航空發(fā)動機用鈦合金材料的“鈦燃燒”問題，以滿足高推重比發(fā)動機的需要，美國和俄羅斯從20 世紀70 年代開始就開展阻燃鈦合金的研制。阻燃鈦合金主要包括兩個合金系：美國的Ti-V-Cr 系A(chǔ)lloy C（T-35V-15Cr）；俄羅斯的Ti-Cu-Al 系BTT-1、BTT-3[3]。其中Alloy C 是一種穩(wěn)定β 型阻燃鈦合金，具有較高的室溫和高溫強度，良好的蠕變強度，優(yōu)異的疲勞強度和冷成形性，已成功應(yīng)用于F119 發(fā)動機的高壓壓氣機機匣、導(dǎo)向葉片和矢量尾噴管。

（5）損傷容限鈦合金。為了滿足新型飛機對材料比強度、抗疲勞性能、裂紋擴展性能、斷裂韌性、壽命期成本等綜合性能的要求，國外已研制出高斷裂韌性和低裂紋擴展速率的    損傷容限型鈦合金，以美國開發(fā)的α+β 型合金Ti-6Al-4V ELI 及Ti-6-2-2-2-2S 為代表。Ti-6Al-4V ELI 為中強損傷容限鈦合金，Ti-6-2-2-2-2S 為高強損傷容限鈦合金，在美國F-22 戰(zhàn)斗機得到大量應(yīng)用[29]。

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