鈦合金具有比強度高、耐蝕性好和耐高溫的顯著特點，在20世紀50年代開始，首先由于航空航天技術的迫切需要，鈦工業得到了迅速的發展， 目前，鈦合金已經廣泛應用于航空、航天、武器、化工、汽車、體育、醫療等領域。根據鈦合金的性能特點與用途，鈦合金大致可分為三種主要類別：結構合金、耐蝕合金以及生物合金。航空領域中，結構材料要保證飛機機體和發動機零件在復雜條件下具有良好的工作能力，在．250～600℃之間，鈦的比強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 強度，因此鈦合金作為結構材料，很適用于航空發動機部件以及其它航空構架的結構材料，航空材料已成為鈦合金最主要的應用之一。近年來，隨著航空技術的發展，軍用及民用飛機不斷換代，鈦棒、鈦板等航空鈦合金的發展呈現兩個特點：高用量和高性能。如美國F22戰斗機的鈦用量達到42％ ，V2500發動機的鈦用量達到31％，民用飛機用量也在不斷增長，預計到2020年，民用飛機的鈦市場將達到2.8萬噸，對于高性能鈦合金，新型飛機逐漸追求輕量化，要求鈦材具有更高的強度，先進航空發動機需要更高的推重比，也要求鈦材具有更 好的高溫強度和阻燃性。可以說，鈦合金的應用與發展已成為航空技術發展的重要因素之一。

1、鈦合金在航空領域的應用現狀

1.1 鈦合金在飛機機身構架中的應用

鈦合金在機身構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、導管、拉桿等部件。鈦合金在使用初期，鈦合金主要應用于受力不大的結構件，如飛機支座、接頭、框架、隔熱板、減速板等，其中不乏鑄件，其中最早應用的鈦合金鑄件之一是襟翼滑軌。經過早期的這些相對簡單的非關鍵性結構件在飛機上的應用證明：鈦合金在飛機上應用是可靠的。從20世紀80年代開始，隨著鈦合金部件成型技術和本身質量的大幅提升，不少受力結構件也開始選用鈦合金，如波音飛機上吊裝CF6-80發動機的安裝吊架，是受力條件非常嚴峻的結構 ”。近年來，美國、俄羅斯等發達國家對飛機機身上鈦合金的用量不斷增加。在軍用飛機領域，鈦合金的用量發展是非常迅速的，俄羅斯的伊爾76運輸機的鈦用量達到12％，法國幻影2000和俄羅斯CY一27CK戰斗機的鈦用量分別達到23％和18%。表1為美國主要軍用飛機上鈦合金的用量引，其中F-22和F-35戰斗機、B1和B2轟炸機的鈦合金用量達到了20％以上。民用飛機的鈦用量也在不斷擴大，目前國外主流民航機中機體用鈦材量占機身總重達到6％以上。表2為美國及歐洲民航飛機的鈦用 量，其中美國波音787飛機在研制過程中，為了達到大幅減重以達到降低20％的油耗，投人3億美元研發經費，大量采用鈦合金替代鋁合金，最終整個飛機機體鈦合金用量達到11％，在民用飛機領域已達到了很高的比重。俄羅斯正在研制的新一代客機MS-21的鈦合金用量達到了25％ ，計劃在2016年向市場推出，將成為世界上鈦合金用量最高的民用飛機。

為了降低成本，鈦合金鑄件的應用范圍也在不斷擴大。在20世紀90年代中期，美國研制的高性能第四代殲擊機F-22上已采用了大量的鈦合金鑄件，總重達到600kg，其中有些是非常重要的關鍵件，如機身壁肋鑄件和方向舵傳動裝置支架。軍用運輸機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風導管，另一件是長度達到3 048 mm的形狀復雜的隔熱屏。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，其中典型的是內著陸襟翼系統上的耳軸和飛機支撐架，A380客機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研制，首次取代了鍛件。我國在軍用飛機上鈦合金的應用起步較晚，我國在20世紀80年代研發的殲八戰斗機鈦合金的用量僅為2％，重量為93 ，殲十戰斗機鈦合金的用量提高到3％，但與國外第三代、第四代軍用飛機的鈦用量相比，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域的應用，預計我國新一代高性能戰斗機的鈦用量將達到25％～30％在民用飛機領域，我國商用支線客機ARJ21的鈦合金用量為4.8％ ，我國自主研發的C919大型客機的鈦合金用量達到了9.3％，超過了美國波音777飛機，2014年9月，C919客機首架機在中國商飛公司新落成的總裝制造中心正式開始機體對接，這標志著C919大型客機研制項目全面進入結構總裝攻堅階段，項目力爭年底完成首架機機體結構對接，2015年底實現首飛。

1.2 鈦合金在航空發動機中的應用

噴氣發動機是飛機的心臟，其部件承受著高溫、高壓環境的考驗，要求合金在650℃ 以下有著良好的抗高溫強度、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，鈦合金以其優異的特性在飛機上的應用日趨擴大，在噴氣發動機中可用于壓氣盤、靜葉片、動葉片、機殼、燃燒室外殼、排氣機構外殼、中心體、噴氣管、機匣等。其中，葉片、機匣等部件目前已采用鈦合金鑄件，Rolls—Royce(Trent900)和GE／Pratt&WhitneyEngine Alliance(GP7200)兩家公司生產的A380空中 客車新型發動機的風扇直徑為3 m左右，并采用中空鈦風扇葉片。隨著航空發動機對推重比和剛度要求的提高，要求一些關鍵鈦合金結構件做成大型復雜薄壁的整體精鑄件，因此目前大型復雜薄壁鈦合金整體結構精鑄技術已得到了充分發展。表3為歐美國家一些航空發動機的鈦用量 。可以看出，國外先進航空發動機的鈦用量一般在25％以上。我國早期研制的航空發動機鈦用量很低，1978年研制的渦噴13系列發動機的鈦用量達到13％，2002年設計的昆侖渦噴發動機的鈦用量達到15%，預計我國新一代航空渦扇發動機的鈦用量 將達30％以上。

2、航空用高性能鈦合金的發展現狀

2.1 高強度鈦合金

高強度鈦合金是為了滿足機身減重和高負載部件的使用而提出的，在飛機上用于機身的承力隔梁、起落架的扭力臂、支柱等。目前高強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，合金化的主要特點是加入較多的β穩定元素，如v、Cr、Mn、Fe等元素，嚴格控制N、H、O等氣體元素含量，并在高溫下的固溶時效處理得到穩定的B相組織。目前，具有代表性的高強度鈦合金主要有Ti1023、Ti153、21S、Ti6-22.22S和BT22等，合金時效后的抗拉強度達到1 000 MPa以上。美國研制的Ti一1023(Ti．IOV一2Fe．3A1) 是目前應用最為廣泛的高強韌近β鈦合金，已成功應用于C-17大型運輸機的起落架、波音777客機的起落架以及大型客機A380的主起落架支柱。Ti153(Ti-15V-3Cr-3A1-3Sn)具有良好的冷變形性，已應用于波音777上的控制系統管道和滅火罐，替代了低強度普通鈦合金[9]。β21S (Ti-15Mo一3A1．2．7Nb．0．2Si)除了具有較高的強度外，還具有良好的抗蠕變性能，被用于波音777飛機的引擎P&W4084、GE90和Trent800中的噴嘴、蒙皮和各種縱梁結構[ 。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，具有良好的強韌性匹配，熱處理后具有深淬透性(斷面直徑達100 mm)和極好的超塑性成型能力，用于F22戰斗機下部龍骨的翼弦 。俄羅斯研制的BT22(Ti-5V-5Mo-1Cr-1Fe-5A1)退火狀態下為α+β結構，該合金塑性和焊接性能優異，已用于IL一86和IL一96—300的機身、機翼、起落架等高負載航空部件，為了進一步提高強度，研發人員對BT22進行了改進，在其中加入sn、zr等元素， 即BT22M合金，其室溫強度達到1 200 MPa以上，用于生產飛機發動機盤和葉片。

我國上世紀60年代開始自主開發了TB6、TB10、TC21等高強度鈦合金，其中TC21和TB10最為典型，TC21強度達到l 100 MPa，韌性好，具有優異的高損傷容限性能和疲勞性能，是目前我國綜合力學性能最佳的高強度鈦合金，適用于制造飛機大型整體框梁類重要承力構件，TB10比強度高，斷裂韌度好，淬透性高，已在我國航空領域獲得了實際應用。

2.2 高溫鈦合金

高溫鈦合金是現代航空發動機的重要材料，主要用于飛機發動機的壓氣機盤、機匣和葉片等部件，以減輕發動機重量，滿足發動機更高的工作溫度，提高推重比。常規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型結構，強度達N93o MPa，最高使用溫度為540℃ ，研發人員通過對Ti6242S的合金元素含 量進行調整，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℃ ，該合金已應用于T55-712發動機的高壓壓氣機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的改進型，合金中Nb的加入在保證熱穩定性的基礎上，最大限度提高了合金的強度，室溫強度達到1070 MPa，該合金焊接性能優異，已應用于波音777飛機的Trent 700發動機上。BT36 (Ti-6-2A1-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-0.1Y-5.0W-0.15Si)是俄羅斯在上世紀90年代研制的一種重要的高溫合金，使用溫度達到600～650℃，合金中加入Y達到細化晶粒改善塑性的效果，加入w提高了合金的熱強性。美國惠普公司最近研制出的Ti-1270高溫鈦合金，試驗過程中使用溫度可達700℃ ，計劃用于x-33演示機及聯合戰斗機。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，高溫瞬時強度大，高溫下具有良好的承載能力，在航空領域已獲得應用 。Ti60 (Ti-5.8A1-4.8Sn-2Zr-1Mo-0.35Si-0.85Nd)屬于Ti55的改型，其使用溫度達到1600℃ ，室溫強度達到1100MPa，合金元素Nd改善了合金的熱穩定性。Ti600合金的600℃強度達到740MPa以上，同時保持良好的伸長率和斷面收縮率 。

由于未來航空發動機推重比將達到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注，主要以Ti3A1和TiA1為基礎，最高使用溫度達到800℃以上，抗氧化能力強，抗蠕變性能好，且質量更輕。以Ti3Al為基的Ti-21Nb-14A1和Ti-24A1-14Nb3V-0.5Mo在美國已開始批量生產 。但目前研制的鈦鋁合金塑性較差，使其在航空發動機上的應用受到了限制。

2.3 阻燃鈦合金

用于航空發動機的某些鈦合金部件工作溫度較高，易發生燃燒，因此，美、俄等國從上世紀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度和抗氧化能力，但在高溫(特別足482℃ 以上時)工作時，合金易發生脆化，該合金已應用于Fll9發動機的高壓壓氣機機匣、導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，被用于發動機壓氣機機匣和葉片 ，BTT-3合金與BTT-1相比，塑性更高，阻燃性更好，可用于制備更加復雜的發動機零件，但這兩種合金的整體力學性能和鑄造性能較差，至今未能工程化。

我國對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，具有良好的機械性能，阻燃性能與AlloyC性能相當，在500℃可長期使用，該合金已進入工業規模的研究階段。北京航空材料研究院~AlloyC合金為基礎，進一步優化si和C的含量，研發出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展趨勢

3.1 繼續開展高性能航空鈦合金材料的研究與應用

現有鈦合金的強度仍不能完全滿足航空領域的應用，其強韌性仍不如超高強韌合金鋼(1500MPa以上)，需要研制抗拉強度大于1350MPa并且韌性良好的高強鈦合金。繼續擴大高溫鈦合金的使用溫度，使其達到650℃ 以上，通過多元素合金化提高合金的高溫性能，繼續探究稀土元素對于高溫性能的影響。對于阻燃鈦合金，我國發展相對緩慢，需要制定評價鈦合金阻燃性能的統一標準。

3.2 積極拓寬航空鈦合金精密鑄件的應用范圍

與鈦合金鍛件相比，鈦合金精密鑄件可極大降低產品的生產周期和生產成本，并適用于批量生產。我國鈦合金精密鑄造技術近年來發展較快，已廣泛應用于航天、軍工等領域，但由于航空鈦合金鑄件的內部質量和表面質量要求很高，關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，如造型技術、熔煉成形工藝等。

3.3 開展低成本航空鈦合金的研制

航空鈦合金產品的研制與生產目前已經成熟化、商業化，低成本航空鈦合金將受到極大關注，除了對生產過程進行控制、提高成品率之外，還需要對材料本身進行改進，如在合金化方面，用便宜的Fe元素替代昂貴的V、Mo等元素，在保證強度和韌性的同時，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，鈦產品在航空領域的應用將得到進一步推廣。

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