钛合金具有比强度高、耐蚀性好和耐高温的显著特点，在20世纪50年代开始，首先由于航空航天技术的迫切需要，钛工业得到了迅速的发展， 目前，钛合金已经广泛应用于航空、航天、武器、化工、汽车、体育、医疗等领域。根据钛合金的性能特点与用途，钛合金大致可分为三种主要类别：结构合金、耐蚀合金以及生物合金。航空领域中，结构材料要保证飞机机体和发动机零件在复杂条件下具有良好的工作能力，在．250～600℃之间，钛的比强度居于常用金属材料之首，与密度更轻的铝合金相比，尤其具有更好的高温 强度，因此钛合金作为结构材料，很适用于航空发动机部件以及其它航空构架的结构材料，航空材料已成为钛合金最主要的应用之一。近年来，随着航空技术的发展，军用及民用飞机不断换代，钛棒、钛板等航空钛合金的发展呈现两个特点：高用量和高性能。如美国F22战斗机的钛用量达到42％ ，V2500发动机的钛用量达到31％，民用飞机用量也在不断增长，预计到2020年，民用飞机的钛市场将达到2.8万吨，对于高性能钛合金，新型飞机逐渐追求轻量化，要求钛材具有更高的强度，先进航空发动机需要更高的推重比，也要求钛材具有更 好的高温强度和阻燃性。可以说，钛合金的应用与发展已成为航空技术发展的重要因素之一。

1、钛合金在航空领域的应用现状

1.1 钛合金在飞机机身构架中的应用

钛合金在机身构架中主要用于防火壁、蒙皮、隔框、大梁、舱门、起落架、翼肋、紧固件、导管、拉杆等部件。钛合金在使用初期，钛合金主要应用于受力不大的结构件，如飞机支座、接头、框架、隔热板、减速板等，其中不乏铸件，其中最早应用的钛合金铸件之一是襟翼滑轨。经过早期的这些相对简单的非关键性结构件在飞机上的应用证明：钛合金在飞机上应用是可靠的。从20世纪80年代开始，随着钛合金部件成型技术和本身质量的大幅提升，不少受力结构件也开始选用钛合金，如波音飞机上吊装CF6-80发动机的安装吊架，是受力条件非常严峻的结构 ”。近年来，美国、俄罗斯等发达国家对飞机机身上钛合金的用量不断增加。在军用飞机领域，钛合金的用量发展是非常迅速的，俄罗斯的伊尔76运输机的钛用量达到12％，法国幻影2000和俄罗斯CY一27CK战斗机的钛用量分别达到23％和18%。表1为美国主要军用飞机上钛合金的用量引，其中F-22和F-35战斗机、B1和B2轰炸机的钛合金用量达到了20％以上。民用飞机的钛用量也在不断扩大，目前国外主流民航机中机体用钛材量占机身总重达到6％以上。表2为美国及欧洲民航飞机的钛用 量，其中美国波音787飞机在研制过程中，为了达到大幅减重以达到降低20％的油耗，投人3亿美元研发经费，大量采用钛合金替代铝合金，最终整个飞机机体钛合金用量达到11％，在民用飞机领域已达到了很高的比重。俄罗斯正在研制的新一代客机MS-21的钛合金用量达到了25％ ，计划在2016年向市场推出，将成为世界上钛合金用量最高的民用飞机。

为了降低成本，钛合金铸件的应用范围也在不断扩大。在20世纪90年代中期，美国研制的高性能第四代歼击机F-22上已采用了大量的钛合金铸件，总重达到600kg，其中有些是非常重要的关键件，如机身壁肋铸件和方向舵传动装置支架。军用运输机C一17的吊挂头锥帽为钛合金整体薄壁精铸件，最薄壁厚1.25 mm，最大壁厚差近9 mm[4]。美国波音757、767、777及787也都采用了大量的钛合金铸件，其中波音777使用了两种典型的钛合金铸件，一件是Apu风导管，另一件是长度达到3 048 mm的形状复杂的隔热屏。欧盟国家制造的A330／A340空中客车上也选用了大量钛合金铸件，其中典型的是内着陆襟翼系统上的耳轴和飞机支撑架，A380客机的钛合金刹车扭力管由英国Doncasters

公司采用离心熔模精铸铸造技术研制，首次取代了锻件。我国在军用飞机上钛合金的应用起步较晚，我国在20世纪80年代研发的歼八战斗机钛合金的用量仅为2％，重量为93 ，歼十战斗机钛合金的用量提高到3％，但与国外第三代、第四代军用飞机的钛用量相比，仍然存在很大差距。近年来，我国加大了钛合金在军用航空领域的应用，预计我国新一代高性能战斗机的钛用量将达到25％～30％在民用飞机领域，我国商用支线客机ARJ21的钛合金用量为4.8％ ，我国自主研发的C919大型客机的钛合金用量达到了9.3％，超过了美国波音777飞机，2014年9月，C919客机首架机在中国商飞公司新落成的总装制造中心正式开始机体对接，这标志着C919大型客机研制项目全面进入结构总装攻坚阶段，项目力争年底完成首架机机体结构对接，2015年底实现首飞。

1.2 钛合金在航空发动机中的应用

喷气发动机是飞机的心脏，其部件承受着高温、高压环境的考验，要求合金在650℃ 以下有着良好的抗高温强度、抗蠕变性和抗氧化性。因铝合金使用温度过低，钢的密度太大，所以钛合金成为了最佳选择。目前，钛合金以其优异的特性在飞机上的应用日趋扩大，在喷气发动机中可用于压气盘、静叶片、动叶片、机壳、燃烧室外壳、排气机构外壳、中心体、喷气管、机匣等。其中，叶片、机匣等部件目前已采用钛合金铸件，Rolls—Royce(Trent900)和GE／Pratt&WhitneyEngine Alliance(GP7200)两家公司生产的A380空中 客车新型发动机的风扇直径为3 m左右，并采用中空钛风扇叶片。随着航空发动机对推重比和刚度要求的提高，要求一些关键钛合金结构件做成大型复杂薄壁的整体精铸件，因此目前大型复杂薄壁钛合金整体结构精铸技术已得到了充分发展。表3为欧美国家一些航空发动机的钛用量 。可以看出，国外先进航空发动机的钛用量一般在25％以上。我国早期研制的航空发动机钛用量很低，1978年研制的涡喷13系列发动机的钛用量达到13％，2002年设计的昆仑涡喷发动机的钛用量达到15%，预计我国新一代航空涡扇发动机的钛用量 将达30％以上。

2、航空用高性能钛合金的发展现状

2.1 高强度钛合金

高强度钛合金是为了满足机身减重和高负载部件的使用而提出的，在飞机上用于机身的承力隔梁、起落架的扭力臂、支柱等。目前高强度钛合金的研究主要以β钛合金为主，也包括 α+β两相合金，合金化的主要特点是加入较多的β稳定元素，如v、Cr、Mn、Fe等元素，严格控制N、H、O等气体元素含量，并在高温下的固溶时效处理得到稳定的B相组织。目前，具有代表性的高强度钛合金主要有Ti1023、Ti153、21S、Ti6-22.22S和BT22等，合金时效后的抗拉强度达到1 000 MPa以上。美国研制的Ti一1023(Ti．IOV一2Fe．3A1) 是目前应用最为广泛的高强韧近β钛合金，已成功应用于C-17大型运输机的起落架、波音777客机的起落架以及大型客机A380的主起落架支柱。Ti153(Ti-15V-3Cr-3A1-3Sn)具有良好的冷变形性，已应用于波音777上的控制系统管道和灭火罐，替代了低强度普通钛合金[9]。β21S (Ti-15Mo一3A1．2．7Nb．0．2Si)除了具有较高的强度外，还具有良好的抗蠕变性能，被用于波音777飞机的引擎P&W4084、GE90和Trent800中的喷嘴、蒙皮和各种纵梁结构[ 。Ti6-22-22S (Ti-6A1-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si)是美国RMI公司研制的α+β型合金，具有良好的强韧性匹配，热处理后具有深淬透性(断面直径达100 mm)和极好的超塑性成型能力，用于F22战斗机下部龙骨的翼弦 。俄罗斯研制的BT22(Ti-5V-5Mo-1Cr-1Fe-5A1)退火状态下为α+β结构，该合金塑性和焊接性能优异，已用于IL一86和IL一96—300的机身、机翼、起落架等高负载航空部件，为了进一步提高强度，研发人员对BT22进行了改进，在其中加入sn、zr等元素， 即BT22M合金，其室温强度达到1 200 MPa以上，用于生产飞机发动机盘和叶片。

我国上世纪60年代开始自主开发了TB6、TB10、TC21等高强度钛合金，其中TC21和TB10最为典型，TC21强度达到l 100 MPa，韧性好，具有优异的高损伤容限性能和疲劳性能，是目前我国综合力学性能最佳的高强度钛合金，适用于制造飞机大型整体框梁类重要承力构件，TB10比强度高，断裂韧度好，淬透性高，已在我国航空领域获得了实际应用。

2.2 高温钛合金

高温钛合金是现代航空发动机的重要材料，主要用于飞机发动机的压气机盘、机匣和叶片等部件，以减轻发动机重量，满足发动机更高的工作温度，提高推重比。常规钛合金工作温度较低，一般小于500℃，目前，美、英等国已研制出了使用温度550～600℃的高温钛合金，如美国Ti6242S、Til100，英国IMI829、IMI834，俄罗斯BT 1 8Y、BT36等。Ti6242S (Ti-6A1-2Sn-4Zr-2Mo-0.1si)是美国早期研制的一种高温钛合金，属于近α型结构，强度达N93o MPa，最高使用温度为540℃ ，研发人员通过对Ti6242S的合金元素含 量进行调整，研制出了Til 100(Ti-6A1-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si)，使其使用温度提高到600℃ ，该合金已应用于T55-712发动机的高压压气机轮盘和低压涡轮叶片等部件。IM1834 (Ti-5.8A1-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si)是IMI829的改进型，合金中Nb的加入在保证热稳定性的基础上，最大限度提高了合金的强度，室温强度达到1070 MPa，该合金焊接性能优异，已应用于波音777飞机的Trent 700发动机上。BT36 (Ti-6-2A1-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-0.1Y-5.0W-0.15Si)是俄罗斯在上世纪90年代研制的一种重要的高温合金，使用温度达到600～650℃，合金中加入Y达到细化晶粒改善塑性的效果，加入w提高了合金的热强性。美国惠普公司最近研制出的Ti-1270高温钛合金，试验过程中使用温度可达700℃ ，计划用于x-33演示机及联合战斗机。我国研制了Ti-55、Ti-60、Ti-600、Ti-5331lS及7715等高温合金。Ti-53311s使用温度在550℃左右，其成分与IMI829类似，但Mo含量更高，高温瞬时强度大，高温下具有良好的承载能力，在航空领域已获得应用 。Ti60 (Ti-5.8A1-4.8Sn-2Zr-1Mo-0.35Si-0.85Nd)属于Ti55的改型，其使用温度达到1600℃ ，室温强度达到1100MPa，合金元素Nd改善了合金的热稳定性。Ti600合金的600℃强度达到740MPa以上，同时保持良好的伸长率和断面收缩率 。

由于未来航空发动机推重比将达到10以上，因此要求材料的使用温度更高。近年来，钛铝合金开始受到关注，主要以Ti3A1和TiA1为基础，最高使用温度达到800℃以上，抗氧化能力强，抗蠕变性能好，且质量更轻。以Ti3Al为基的Ti-21Nb-14A1和Ti-24A1-14Nb3V-0.5Mo在美国已开始批量生产 。但目前研制的钛铝合金塑性较差，使其在航空发动机上的应用受到了限制。

2.3 阻燃钛合金

用于航空发动机的某些钛合金部件工作温度较高，易发生燃烧，因此，美、俄等国从上世纪70年代开始，开展了阻燃钛合金的研究。美国研制出了AlloyC(Ti-35V-15Cr)阻燃钛合金，属于β型合金，该合金具有良好的高温强度和抗氧化能力，但在高温(特别足482℃ 以上时)工作时，合金易发生脆化，该合金已应用于Fll9发动机的高压压气机机匣、导向叶片和矢量尾喷管 。俄罗斯研制出Ti-Cu-A1系BTT-1、BTT-3阻燃钛合金，BTT-1合金具有良好的热加工性，被用于发动机压气机机匣和叶片 ，BTT-3合金与BTT-1相比，塑性更高，阻燃性更好，可用于制备更加复杂的发动机零件，但这两种合金的整体力学性能和铸造性能较差，至今未能工程化。

我国对于阻燃钛合金的研究起步较晚，西北有色研究院研制出了Ti-40(Ti-25V-15Cr-0.4Si)阻燃钛合金，该合金V含量较低，具有良好的机械性能，阻燃性能与AlloyC性能相当，在500℃可长期使用，该合金已进入工业规模的研究阶段。北京航空材料研究院~AlloyC合金为基础，进一步优化si和C的含量，研发出TF550合金，该合金在550℃具有很好的蠕变和持久性能。

3、我国航空用钛合金的发展趋势

3.1 继续开展高性能航空钛合金材料的研究与应用

现有钛合金的强度仍不能完全满足航空领域的应用，其强韧性仍不如超高强韧合金钢(1500MPa以上)，需要研制抗拉强度大于1350MPa并且韧性良好的高强钛合金。继续扩大高温钛合金的使用温度，使其达到650℃ 以上，通过多元素合金化提高合金的高温性能，继续探究稀土元素对于高温性能的影响。对于阻燃钛合金，我国发展相对缓慢，需要制定评价钛合金阻燃性能的统一标准。

3.2 积极拓宽航空钛合金精密铸件的应用范围

与钛合金锻件相比，钛合金精密铸件可极大降低产品的生产周期和生产成本，并适用于批量生产。我国钛合金精密铸造技术近年来发展较快，已广泛应用于航天、军工等领域，但由于航空钛合金铸件的内部质量和表面质量要求很高，关键航空钛合金部件还很难采用钛合金铸件，并且目前航空钛合金铸件的成品率还不是很高，因此仍需要提升我国航空钛合金部件的精密铸造技术，如造型技术、熔炼成形工艺等。

3.3 开展低成本航空钛合金的研制

航空钛合金产品的研制与生产目前已经成熟化、商业化，低成本航空钛合金将受到极大关注，除了对生产过程进行控制、提高成品率之外，还需要对材料本身进行改进，如在合金化方面，用便宜的Fe元素替代昂贵的V、Mo等元素，在保证强度和韧性的同时，降低金属材料成本，在铸造成形方面，可以通过研制低成本高稳定性的氧化物铸型材料，降低铸造的成本。

通过降低成本，钛产品在航空领域的应用将得到进一步推广。

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