文章编号：1004-0609(2015)02-0280-13

航空用钛合金研究进展

金和喜^{1, 2}，魏克湘²，李建明²，周建宇²，彭文静²

(1. 中南大学 轻合金研究院，长沙 410076；

2. 湖南工程学院，湘潭 411104)

摘  要：对航空用钛合金的研究应用情况进行综述。从合金基体相组成角度，将钛合金分为α型钛合金、α+β型钛合金和β型钛合金。着重介绍钛合金在航空发动机、飞机机身、航空紧固件等方面的应用；讨论航空用钛合金研究目前存在的问题，结果表明：提高高温热稳定性、增强蠕变抗力和降低成本是航空用钛合金今后的发展方向。

关键词：钛合金；航空应用；航空发动机；飞机机身合金；航空紧固件

中图分类号：TG146       　   　     文献标志码：A

Research development of titanium alloy in aerospace industry

JIN He-xi^{1, 2}, WEI Ke-xiang², LI Jian-ming², ZHOU Jian-yu², PENG Wen-jing²

(1. Light Alloy Research Institute, Central South University, Changsha 410076, China;

2. Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China)

Abstract: The researches and prospects of titanium alloys for aircraft were reviewed. Titanium alloys can be divided into α titanium alloy, α+β and β titanium alloy from the perspective of alloy matrix phase composition. The recent development and application of titanium alloys in the aircraft engine, aircraft and aerospace fasteners were introduced. The problems of titanium alloys applied to the aerospace industry were also discussed. It shows that improving the thermal stability under high temperature, strengthening the creep resistance and lowering the cost reduction are the future development directions of titanium alloys for aircraft.

Key words: titanium alloy; aerospace application; aircraft engine; airframe alloy; aerospace fastener

钛元素分布比较广泛，其含量超过地壳质量的0.4%，全球探明储量约34亿吨，在所有元素中含量居第10位(氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢、钛)^[1-3]。美国科学家在1910年采用“钠法”(钠还原TiCl₄)最早获得金属钛，但是钛工业并没有随着钛的发现立即得以发展。直到第二次世界大战后的1948年，卢森堡科学家发明的“镁法”(镁还原TiCl₄)在美国用于生产之后钛工业才开始起步^[4-6]。

钛比钢密度小40%^[1]，而钛的强度和钢的相当，这可以提高结构效率。同时，钛的耐热性、耐蚀性、弹性、抗弹性和成形加工性良好。由于钛具备上述特性，从一出现钛合金就应用于航空工业^[2-3]。1953年，美国道格拉斯公司出产的DC-T机发动机防火壁和短舱上首次使用钛材，开始钛合金应用于航空的历史。航天飞机是最主要的、应用范围最广的航空器。钛是飞机的主要结构材料，也是航空发动机风扇、压气机轮盘和叶片等重要构件的首选材料^[4]，被誉为“太空金属”^[5]。飞机越先进，钛用量越多，如美国F22第四代机用钛含量为41%(质量分数)，其F119发动机用钛含量为39%^[2]，是目前用钛含量最高的飞机。钛合金研究起源于航空，航空工业的发展也促进了钛合金的发展。航空用钛合金的研究一直是钛合金领域中最重要、最活跃的一个分支，但其发展也极其艰辛，如人们花费十几年的精力克服航空发动机用钛合金的“热障”问题^[6]。

本文作者从合金基体相组成角度对钛合金进行归类。以飞机为航空器的代表，着重介绍钛合金在航空发动机、飞机机身、航空紧固件等方面的应用研究情况。最后，分析航空用钛合金发展过程中存在的问题。

1  钛合金的分类

美、英、俄、法、日等国钛合金的分类多为厂家自定^[6]，名目繁多。某些公司直接采用元素的化学符号和数字代替所加合金元素及其含量命名，如Ti-6Al-4V(相当于我国的TC4)，各国牌号对照及化学成分如表1所列^[1]。按相组成钛合金可分为：密排六方结构(HCP)的α型钛合金(包括近α型合金)—即国内牌号TA、两相混合的α+β型钛合金—即国内牌号TC和体心立方结构(BCC)的β型钛合金(包括近β型合金)—即国内牌号为TB^[7]。

1.1  α型钛合金

退火状态以α钛为基体的单相固溶体合金为α型钛合金，它主要含Al、Sn等元素。Al能增加合金的抗拉和蠕变强度，减小钛合金的密度，提高比强度，是钛合金中重要的合金元素^[8-10]。为了最大限度地发挥铝的固溶强化作用，避免因过量Al引起合金脆化，高温钛合金的合金化工作应遵循ROSENBERG^[11]提出的当量经验公式，只有这样才能保证合金在提高耐热强度的同时保持良好的热稳定性。α钛合金中的这些元素通过在相变温度下抑制相变或者提高相变温度而起到稳定作用。与β型钛合金相比，α型合金具有良好的抗蠕变性能，强度、可焊性以及韧性，是高温下使用的首选合金^[12]。同时，α型合金不存在冷脆性，它也适合在低温环境中使用，扩大了其应用范围。α型合金锻造性较差，容易产生锻造缺陷，可通过减少每道次加工率和频繁热处理来控制锻造缺陷。α基体为稳定相，对于给定成分合金而言，其性能变化主要是晶粒大小的变化^[8]，因为屈服强度和抗蠕变强度均与晶粒大小、变形时储存的能量有关。α型钛合金不能通过热处理来提高强度^[13]，退火后强度基本无变化或少有变化。有些合金含有较多的Al、Sn、Zr及少量的β稳定元素(一般小于2%)^[13]。尽管这些合金中含有β相，但基体主要由α相组成，在热处理敏感性和加工性能上都与α型合金很接近，被称为近α型钛合金^[10]。近α型合金是在人们认识到采用固溶合金元素强化α基体可以得到高的蠕变强度基础上开发的，大多数近α型合金因具有较好的热稳定性，现在已成为高温钛合金的重要合金种类^[10]。它的强化机制是β相中原子扩散快，易于发生蠕变^[13]，β稳定元素还有抑制α相脆化的作用(即延缓α中形成有序相的过程)^[14]。

表1  各国钛合金牌号对照^[1]

Table 1  Titanium grades comparison of different countries^[1]

常见的α型钛合金(包括近α型合金)有Ti811 (Ti-8Al-1Mo-1V)^[15-18]、Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V^[19-21]、Ti-679 (Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.25Si)^[22-23]、BT18(Ti-7.7Al- 11Zr-0.6Mo-1Nb-0.3Si)^[20]和Ti6242S (Ti-6Al-2Sn-4Zr- 2Mo-0.1Si)^[21]等，其成分和性能如表2所列。

1.2  α+β型钛合金

为提高钛合金的强度和韧性，人们研制出α+β型钛合金。与其他钛合金相比，α+β合金中同时加入α稳定元素和β稳定元素，使α和β相得到强化。α+β合金具有优良的综合性能，如其室温强度高于α合金的，热加工工艺性能良好，可以进行热处理强化，因此适用于航空结构件。α+β型钛合金退火组织为α+β相^[24]，β相含量一般为5%~40%^[25]。但其组织不够稳定，使用温度最高只能到500 ℃，焊接性能和耐热性低于α型钛合金。

α+β型钛合金主要有TC4(Ti-6Al-4V)^[26]、TC6 (Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si)^[27-30]、TC11(Ti-6.5Al- 3.5Mo-1.5Zr-0.3Si)^[30-33]、TC17(Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo- 4Cr)^[34-37]、TC19(Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo)^[38-40]和TC21 (Ti-6.2Al-2.8Mo-2Nb-2Sn-2.1Zr-1.3Cr)^[41-45]等。其中TC11合金也被称为近β合金。ZHOU^[31]提出了一种TC11合金加工工艺，先将合金在低于β-转变温度15°下进行热处理，随后快速水冷，再经过高温和低温增韧强化热处理，获得一种新的显微组织。这种新组织基体由15%等轴α晶粒、50%~60%层状α晶粒和已转变完成的β晶粒组成。其研究结果显示该合金表现出较高的抗疲劳性能，较长的蠕变疲劳寿命，高韧性和优良的高温服役性能，并且不降低塑性和热稳定性。并且对该新工艺和强韧化机理的实验原理进行了讨论。该加工工艺实际应用的关键问题就是对温度的准确控制。这种TC11钛合金加工工艺已应用于生产可靠的航空发动机压气机盘、旋转子和其他部件^[32-33]。

1.3  β型钛合金

β稳定元素含量足够高，且固溶处理后快速冷却β相保留至室温得到的合金称为β型钛合金^[46-48]。按照稳定状态组织类型分类，β钛合金可分为稳定型β钛合金，亚稳型β钛合金，如图1所示。在图1中，M_S为马氏体相变温度线，β_C为亚稳型合金的β稳定元素最低含量，β_S为稳定型合金β稳定元素最低含量^[49]。β钛合金在固溶状态下冷成形性能良好，而且淬透性和热处理响应性也优良。常用的热处理方法是先固溶处理，然后在450~650 ℃时效，合金原β基体上会析出细小的α相，形成弥散分布的第二相，这就是β合金的强化机理^[10]。由于β钛合金比其他类型钛合金在时效时析出更多的α相，含有更多的α-β相界面阻碍位错运动^[50]，因此β钛合金的室温强度最高。

表2  几种α型钛合金的性能

Table 2  Performances of several near α titanium alloys

图1  β稳定剂含量和钛合金相组成的关系^[46]

Fig. 1  Relationship between titanium alloy phase composition and β stabilizer^[46]

金属材料在变形和断裂过程中吸收能量的能力称为韧性，材料吸收的能量越多，韧性也就越好。断裂韧性是表示材料韧性的指标，反映材料对裂纹和其他尖锐缺陷扩展的抵抗能力。通常来说，钛合金的断裂韧性和强度呈反比趋势，即强度提高的同时断裂韧性下降。研究β钛合金在航空航天工业的应用，需要设计同时具备良好强度和断裂韧性的显微组织以及加工工艺和热处理制度。合金成分和显微组织是决定β钛合金断裂韧性的两个主要因素^[49]。合金成分决定合金中β相的数量，也决定合金的类型和断裂韧性。显微组织的形态、数量、体积同样影响合金断裂韧性的高低。付艳艳等^[50]认为β钛合金的β稳定元素和中型元素Zr可以提高合金的强度，降低断裂韧性。细小的β晶粒并不能有效提高时效态β钛合金的强度，会降低Ti-15-3合金的断裂韧性，但对β-C和Ti-1023合金的断裂韧性无明显影响。时效态β钛合金的强度主要取决于时效析出的次生α相的含量和尺寸，在含有同样初生α相的情况下，细小的次生α相可以显著提高合金的强度。初生α相的粗化以及初生相从球状转变为片状会导致β钛合金塑性降低，断裂韧性提高。β钛合金的双态组织具有良好的强度、塑性和韧性的匹配。β钛合金之所以得到广泛的应用，也是因为其时效后具有其他类型的钛合金无法比拟的高强度和高塑性优势。同时，β钛合金所具有的可热处理强化性和深淬透能力使得它逐渐代替α+β两相钛合金成为用于飞机机身和机翼的首选结构材料^[51]，在航空航天工业中发挥着越来越重要的作用。

2  航空用钛合金的发展及应用

20世纪50年代，军用飞机进入超音速时代，原有的铝、钢结构已经不能满足新的需求，钛合金恰恰在这个时候进入了工业性发展阶段。钛合金因密度小、比强度高、耐蚀、耐高温、无磁、可焊、使用温度范围宽(-269~600 ℃)等优异性能，而且能够进行各种零件成形、焊接和机械加工，在航空领域很快得到广泛应用。20世纪50年代初期的军用飞机上开始使用工业纯钛制造后机身的隔热板、机尾罩、减速板等受力较小的结构件^[52]。20世纪60年代，钛合金进一步应用到飞机襟翼滑轧、承力隔框、中翼盒形梁、起落架梁等主要受力结构件中。到20世纪70年代，钛合金在飞机结构上的应用，又从战斗机扩大到军用大型轰炸机和运输机，而且在民用飞机上也开始大量采用钛合金结构。进入20世纪80年代后，民用飞机用钛逐步增加，并已超过军用飞机用钛。飞机越先进，钛用量越多。表3~5所列分别为美国第3代、第4代战斗机及先进轰炸机、运输机用钛材的质量分数^[53]、一般飞机使用的钛合金种类^[53]和空客飞机钛合金和复合材料的用量^[54]。由表5可知，空客A380飞机上的钛材使用量已达10%，钛材已经成为现代飞机不可缺少的结构材料。根据用途不同，可将航空用钛合金分为飞机发动机用钛合金、飞机机身用钛合金和航空紧固件用钛合金。近年来，人们对航空用钛合金在上述3个方面的应用进行了深入研究。

表3  美国第三代、第四代战斗机及先进轰炸机、运输机用材的质量分数^[53]

Table 3  Mass fraction of materials used in American battle plane advanced, bombing plane and aerotransport^[53]

表4  一般飞机使用的钛合金^[53]

Table 4  Titanium alloys use in aircraft^[53]

表5  空客飞机钛合金和复合材料的用量^[54]

Table 5  Titanium alloys and composite materials used in aerial plane^[54]

2.1  航空发动机用钛合金

发动机是飞机的心脏。发动机的风扇、高压压气机盘件和叶片等转动部件，不仅要承受很大的应力，而且要有一定的耐热性。这样的工况条件对铝来说温度太高；对钢来说密度太大。钛是最佳的选择，钛在300~650 ℃温度下具有良好的抗高温强度、抗蠕变性和抗氧化性能。同时，发动机的一个重要性能指标是推重比^[55]，即发动机产生的推力与其质量之比。最早发动机的推重比为2~3，现在能够达到10^[8]。推重比越高，发动机性能越好。使用钛合金替代原镍基高温合金可使发动机的质量降低^[7]，大大提高飞机发动机的推重比。钛在飞机发动机上的用量越来越多。在国外先进航空发动机中，高温钛合金用量已占发动机总质量的25%~40%，如第3代发动机F100的钛合金用量为25%，第4代发动机F119的钛合金用量为40%^[56]。

航空发动机部件要求钛合金在室温至较高的温度范围内具有很好的瞬时强度、耐热性能、持久强度、高温蠕变抗力、组织稳定性。β型和近β型钛合金尽管在室温至300 ℃左右具有高的拉伸强度，但在更高的温度下，合金的蠕变抗力和耐热稳定性急剧下降^[56]，所以β型钛合金很少用于飞机发动机。α型和近α型钛合金具有良好的蠕变、持久性能和焊接性，适合于在高温环境下使用。α+β型钛合金不仅具有良好的热加工性能，而且在中高温环境下还具有良好的综合性能。因此，α型、近α型和α+β型钛合金被广泛应用于航空发动机。表6所列为世界各国研制的飞机发动机用钛合金^[57]。

表6  各国飞机发动机用钛合金^[57]

Table 6  Titanium alloys used for aircraft engines from different countries^[57]

目前，航空发动机用高温钛合金的最高工作温度已由350 ℃提高到600 ℃^[57]，能够满足先进发动机对材料的需求。经过世界各国钛合金研究者半个世纪的努力，研制出Ti811(Ti-8Al-1Mo-1V)^[17]、Ti-6Al-2Zr-1Mo- 1V^[21]、Ti-679(Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.25Si)^[18]、TC6 (Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si)^[29]、TC17(Ti-5Al-4Mo- 4Cr-2Sn-2Zr)^[33-36]、TC19(Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo)^[38-40]、TC21(Ti-6.2Al-2.8Mo-2Nb-2Sn-2.1Zr-1.3Cr)^[41-45]、Ti1100 (Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-4Mo-0.45Si)^[58]、IMI834(Ti-5.8Al- 4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si-0.06C)^[59]等合金。

Ti811(Ti-8Al-1Mo-1V)合金具有密度低、弹性模量高、振动阻尼性能优良、热稳定性好、焊接性能和成型性能好等诸多优点^[17]，其比刚度是所有工业钛合金中最高的。赵永庆等^[15]对Ti811合金热稳定性^{[15, 23]}和高温疲劳性能等问题进行深入研究，研究显微组织和试样表面状态对 Ti811合金热稳定性能的影响。结果表明：具有等轴组织和双态组织的Ti811合金有很好的热稳定性能；针状组织的存在使 Ti811合金热稳定性能恶化。此外，研究认为Ti811合金在425 ℃热暴露下，表面氧化层及暴露时间对合金的热稳定性能没有明显影响。高广睿等^[17]利用高频疲劳实验机和自制高温微动疲劳装置研究温度、位移幅度、接触压力等因素对Ti811钛合金高温微动疲劳(FF)行为的影响。结果表明：在350 ℃和500 ℃的高温下，Ti811合金微动疲劳敏感性随着温度的升高微动疲劳的敏感性增强，蠕变是高温下Ti811合金FF失效的重要影响因素，位移幅度变化影响疲劳应力因素和磨损在FF过程中所起作用和机制。

Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V是前苏联20世纪60年代研制成功的一种通用性合金，该合金能够在300~500 ℃温度下工作，主要用于生产飞机发动机匣。OUYANG等^[21]在研究Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V钛合金不同温度和应变速率下的再结晶行为方面做了大量工作。研究结果表明：在变形温度高于1050 ℃、应变速率低于0.01 s^-1时，合金的动态再结晶机制以不连续动态再结晶为主；在变形温度低于1050 ℃、应变速率高于0.01s^-1时，合金的动态再结晶机制以连续动态再结晶为主，同时存在少量的不连续动态再结晶。此外，Ti-6Al-2Zr- 1Mo-1V合金相变时的位向关系与其他钛合金有所不同，HE等^[19]对影响该合金相变位向关系的因素进行研究。结果表明：外部因素(如变形应力、应变速率和冷却速率)在β→α阶段转换遵守Burgers位向转换规则。然而，应变速率和冷却速率能显著影响α沉淀相的形态。

Ti-679合金为低铝高锡，再添加锆、钼、硅等合金元素而得到的，可用作发动机高压压气机叶片和盘。在它的合金元素中，铝的作用是提高合金强度，但易导致塑形变差，用低铝高锡配合，可以获得较好的塑形和强度；钼的作用是避免形成过多的β相，使蠕变强度下降；而锆的作用是补充强化α相^[18]。Ti-679合金的抗蠕变性能和热稳定性都比较好，其工作温度可达450 ℃。

TC6钛合金的热强性和热稳定性良好，它在高温下的力学行为与微结构的变化引起全世界研究者的广泛关注。白新房等^[32]对TC6钛合金进行990 ℃保温热处理，研究保温过程中氧原子、合金元素分布变化对内表层组织及硬度的影响。结果表明：在990 ℃热处理后试样内表层富氧α层从边部到基体内部显微硬度呈现低-高-低的变化规律，在距边部约55 μm处达到最大值449 HV1。内表层显微硬度的变化是由于氧化作用而导致内表层合金元素分布变化和氧原子的富集引起的。孙坤等^[29]研究4种典型组织TC6钛合金试样在高应变率加载条件(1×10³ s^-1) 下的动态力学行为。结果表明：不同组织TC6钛合金的流变应力随应变增加快速增加。

TC17 钛合金是一种富β稳定元素的过渡型两相钛合金，该合金在中温(300~450 ℃)具有抗蠕变性能高，淬透性好、断裂韧度高等优点，广泛用于制造航空发动机风扇盘、压气机盘。作为两相钛合金，TC17可以通过热处理调整其显微组织，进而提高综合力学性能^[33-35]，其标准热处理工艺为^[36]：(840 ℃，1 h AC)+ (800 ℃，4 h WQ)+(630 ℃，8 h ACTC4)。孙晓敏等^[37]研究激光熔化沉积 TC17钛合金原态及固溶时效后的显微组织。结果表明：当固溶温度从800 ℃升高到 835 ℃时，初生α相体积分数由53%减少到34%，时效后相片层显著增粗，宽0.7~0.8 μm，次生α相含量伴随固溶温度升高逐渐增多。TC19钛合金是20世纪美国开发的一种富β的α+β型钛合金，是在Ti-6242合金(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo)基础上发展而来，是一种高强度高韧性钛合金。与Ti-6242合金相比，TC19钛合金提高Mo含量，使室温和高温拉伸性能得到改善^[38]。而Sn和Zr的加入，使该合金的相变行为变得非常缓慢^[39]。朱宝辉等^[37]研究不同锻造工艺制备的TC19钛合金棒材。结果表明：常规锻造工艺和高-低-高锻造工艺均可用来锻造TCl9合金棒材，但采用高-低-高锻造工艺得到的棒材的力学性能优于常规锻造工艺。

TC21合金是我国自行研制的具有独立知识产权的新型两相高强韧钛合金^[41]，在航空、航天领域作为重要的结构材料使用。人们对该合金的冷却速度、热处理和组织性能的关系先后展开了较多研究^[42-45]。王义红等^[42]提出：当冷却速率大于122 e/s时，β相转变形成正交马氏体，冷却速率介于122~3 ℃/s之间时，发生块状转变，冷却速率继续降低，相变由扩散控制，形成两种不同形貌的魏氏体片层。宋颖刚等^[43]的研究结果表明：TC21钛合金表面经喷丸强化后，在表层形成一个弹塑性变形层。强化过程中由于密排六方晶体的基面、柱面和锥面滑移系的开动造成位错密度升高，A相中位错形貌呈现网状；强化前纳米压痕硬度为 3.2 GPa，强化后为6.7 GPa，提高1倍以上。在强化层内形成很高的宏观残余压应力，并且表现为由表面向里逐渐减少的梯度变化。强化层深度达到370 μm。宫旭辉等^[44]研究TC21钛合金的高温动态拉伸力学行为。结果表明：当应变速率为0.001和0.05 s^-1的屈服应力-温度曲线存在转折点，且转折点温度随应变速率的增大而升高；当温度低于转折点温度时，相同氧含量的TC21钛合金和多晶纯钛的屈服应力具有相似的温度相关性。曲恒磊等^[45]对TC21钛合金进行应变速率为0.01~50 s^-1、温度为973~1373 K的压缩试验后得出结论，在试样的不同部位存在变形组织的不均匀现象，该合金在不同温度区域变形时分别发生重结晶和动态再结晶。重结晶导致晶粒粗化(尺寸约100~200 μm)。而动态再结晶导致晶粒细化(最小尺寸为1~2 μm)。

以上几种合金为常规航空发动机用钛合金，其使用温度均在650 ℃以下。目前实用性能耐热钛合金是Ti1100和IMI834，它们已经分别应用于EJ2000和55-712改型发动机。由于“钛火”事故的出现，阻燃钛合金越来越受到人们的关注^[60-63]。美、俄等国进行了阻燃性能良好新型钛合金的研制^[60-63]。由美国普惠公司研制的高强阻燃钛合金Alloy C，已用作F119发动机的矢量喷口零件，该合金的名义成分为 Ti-35V-15Cr(质量分数，%)，合金中含大量昂贵金属钒，再加上Alloy-C合金铸锭热变形工艺要采用一些专用设备，进一步提高了材料价格^[63]。俄国对成本较低的Ti-Cu合金进行了研究，并报导了BT25和BT36合金^[57]。中国科研工作者^{[7, 26, 53, 58-59]}对前人的发动机用钛合金研究工作进行过系统总结和中肯评价。

2.2  飞机机身用钛合金

飞机发动机要求所用合金热强度、比强度好，而机身则要求合金在中等温度下具备强度好、耐腐蚀、质轻等优良特性。钛合金能很好的达到这些要求，采用钛合金做机身材料有以下5方面优势：1) 替代钢和镍基高温合金可大大降低飞机质量。高推重比让钛合金能够替代强度稍好的钢而用于飞机零部件中。2) 能够满足飞机强度要求。与铝合金相比，60%左右质量的钛合金即可达到相同的强度。在使用温度超过130 ℃时，钛合金能取代铝合金，因为这一温度是传统铝合金的极限适用温度。3) 耐腐蚀性良好。大部分飞机支撑机构在厨房、厕所下面，很容易产生腐蚀，钛合金不需要表面防腐涂层或者镀膜。4) 与聚合物复合材料电化学相容性好。5) 空间的限制，替代钢和铝合金。因空间限制而使用钛合金的典型例子是波音747的钛合金起落架梁^[64]。这种梁是最大的钛合金锻件，尽管其他合金(比如7075铝合金)成本更低，但承载需要质量时，铝合金起落架体积超出机翼范围而不符合要求。钢的强度足可以承载质量，但它会使飞机质量大大增加。图2所示是波音777飞机机身使用材料示意图^[65]。在飞机机身中应用较广泛的钛合金有β-21S(Ti-15Mo- 3Al-2.7Nb-0.2Si)^[66]、Ti-10-2-3(Ti-10V-2Fe-3Al)^[67]、Ti- 15-3(Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn)^[67]、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr^[68]等。BOYER^[67]曾就钛合金在机身的应用情况进行过总结，本文作者仅讨论前两种合金。

β-21S(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.25Si)合金是美国Timet公司为国家航天飞机开发的，可制成带材，具有抗氧化性，可作为复合材料来使用。它具有较好的高温特性，并比Ti-6-4具有更好的抗蠕变性能(一般β合金在高温环境下抗蠕变性并不好)。β-21S已被波音和P&W用在瞬时650 ℃的高温环境，它的持续工作温度是480~565 ℃^[66]。β-21S合金的突出优点在于它可以较好地抗高温液压机液体腐蚀。这种液压机液体是一种少数能在航天环境下腐蚀钛合金的物质，在超过130 ℃时会分解并形成一种含有机金属的磷酸，会腐蚀钛合金，更重要的是会使含有大量氢的发动机泵产生严重的脆裂。β-21S是唯一一种能抵抗这种腐蚀剂的金属^[69-70]，这是因为β-21S含有钼和铌，可用于引擎机舱和喷射引擎部位(原先使用钢或镍基合金)。此外，β-21S可减少质量，用于制造波音777的3种引擎(P&W4084，GE90和Trent800)中的喷嘴、塞子、蒙皮和各种纵梁结构，这些可以为每架飞机减少质量74 kg。

图2  波音777飞机机身使用材料示意图^[65]

Fig. 2  Schematic diagram of advanced materials on fuselage of Boeing777^[65]

Ti-10-2-3(Ti-10V-2Fe-3Al)是迄今为止应用最为广泛的一种高强韧近β钛合金，最早也由美国Timet公司在1971年研制而成。它是一种为适应损伤容限性设计原则而产生的高结构效益、高可靠性和低成本的锻造钛合金，V和Fe为主要的β稳定元素。为了提高合金的锻造性能和断裂韧性，Fe的含量低于2%，O的含量限制在0.13%以下。该锻件抗拉强度可达1190 MPa，为满足不同需求采取不同加工方法和热处理工艺，用Ti-10-2-3可为每架飞机减少质量270 kg。波音公司生产飞机时选择高强度合金并最大限度减少质量，该钛合金是波音777中用量最大的β钛合金^[66]，该种飞机起落架几乎全部由该合金制成，仅内、外气缸和轮轴由4340 M制成(强度为1895 MPa)。空客A380的主起落架支柱也是采用的Ti-10-2-3合金。该合金还具有很好的抗疲劳性能，还能消除用钢时产生的应力腐蚀开裂。McDonnell Douglas采用Ti-10-2-3(1105 MPa)制成货舱门、引擎机舱、尾翼以及C-17运输机的其他部分。Ti-10-2-3在疲劳强度方面的优势也使其广泛应用于直升机。Bell，Westland，Sikorsky和Eurocopter等公司都采用Ti-10-2-3合金做他们的转子系统^[9]。

2.3  航空紧固件用钛合金

不论军民用飞机还是航天器上，除了金属构件还有很多碳纤维复合材料。钛与碳纤维复合材料的电极电位相近，钛合金又成为复合材料惟一的连接材料。因此，随着先进军民用飞机钛合金和复合材料用量的不断增加，对钛合金紧固件的需求日益加大。钛合金用作航空紧固件，至少具备以下4点优势^[71-72]：1) 减重效果好。俄罗斯的一架伊尔-96飞机用紧固件14.2万件，可减少质量近600 kg。我国航空航天系统钛合金紧固件的使用也有明显的减重效果。飞机和航天器减少质量后，可以提高推力、增加射程、节省燃料、减少发射费用等。2) 钛合金优异的耐腐蚀性能，尤其是它正电位与碳纤维复合材料匹配，可以有效防止紧固件发生电偶腐蚀。3) 在飞机结构中，紧固件部位因温度较高，不能采用铝合金，只能使用钛合金。4) 钛具有良好弹性和无磁，对于防止紧固螺栓的松动和防磁场干扰至关重要。

现代飞机采用多种钛合金紧固件主要有普通钛螺栓、干涉螺栓、特种紧固件等^[70]。美国、法国等航空发达国家，95%以上的钛合金紧固件都采用Ti-6Al-4V(TC4)材料制造^[71]。除此之外，还有TB2、β_III、Ti-44.5、Ti-15-3(TB5)、TB8和TB3，其典型性能参数如表7所列^[70-74]。

表7  紧固件用钛合金的部分典型性能参数^[70-74]

Table 7  Typical performance parameters of fastener titanium alloys^[70-74]

Ti-6Al-4V(TC4)合金β稳定系数最低，为0.27。它的优点是密度最低，强度和疲劳性能良好，合金成分简单，半成品成本最低。但由于室温塑性没有达到足够高，所以加工紧固件时需要采用感应加热进行热镦成形，以及真空固溶处理和时效处理加工成本较高^[73]。TB2、TB3、TB8和TB16为亚稳型β钛合金，β稳定系数均比合金高，缺点是密度较高，强度虽与Ti-6Al-4V相当，但疲劳性能不如Ti-6Al-4V，而且成分复杂，半成品成本高。由于同样需要进行真空时效处理，所以成品紧固件的成本还要高于Ti-6Al-4V。

3  存在的问题与前景展望

钛是一种性能优异而又储量丰富的金属，有“现代金属”的美称，经过半个世纪的发展，钛合金制备技术和应用研究都取得了很大进展，在航空领域中尤其得到广泛的应用。但存在的一些问题也逐渐暴露出来，航空用钛合金进一步发展面临着不小的挑战，主要表现在以下3个方面：

1) 用量方面。不论是军民用飞机或航空器中，钛合金用量高低直接反应出一个国家的航空水平。目前航空发动机钛用量都较低，要进一步提高至50%左右，其难度仍相当大。

2) 性能方面。与其他航空结构材料一样，高性能是要求具有良好的性能匹配，即必须综合考虑其力学性能、物理性能、化学性能、工艺性能和缺陷的可控性。现有的钛合金在600℃以上，蠕变抗力和高温抗氧化性的急剧下降是限制钛合金扩大应用的两大主要障碍。本文作者认为，在整个航空钛合金技术发展和应用过程中，新的制造技术将会是开发和研究的重点，如超塑成形等近净型加工、粉末冶金成型法等。

3) 成本方面。目前人们在降低成本航空钛合金方面虽然取得了一些成就，但仍有许多领域有待研究和开发。以阻燃钛合金为例，美国发明的Alloy-C虽然具有优良的阻燃特性和高温力学性能，但由于它需要添加大量昂贵的V和较差的可锻性而导致价格很高，因此只有在F119发动机中正式应用。由于管理和技术落后等原因，国内钛合金产品价格在国际上竞争力差，在国内不利于进一步扩大应用。因此，首先必须认真研讨降低钛产品成本的途径，确定近、中、长期发展规划。其次，我国应建立自己的钛合金体系，确保每一用途有多种合金备选，逐步摆脱航空关键材料对国外的长期依赖，形成主干材料或通用材料，从根本上为实现低成本制造奠定基础。最后，用价格较低的元素取代贵的合金元素，通过工艺途径降低钛合金零部件的成本，是今后钛合金研究工作中的重要课题。

综上所述，钛合金推重比大、韧性高、强度和可焊接性好，是一种综合性能优良的航空材料。在过去几十年中，航空用钛合金的合金化理论、综合强韧化技术和热处理工艺均得到了很大发展。目前，钛合金的研究主要集中在高温下热稳定性、蠕变抗力和低成本的钛合金设计及制造工艺等方面。随着研究的深入，将以航空高端应用带动钛合金低成本加工的技术进步，从而在根本上突破制约航空用钛合金用量和应用水平提升的成本瓶颈。全钛制造的飞机也许在不远的将来即会成为现实。

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(编辑  王  超)

收稿日期：2014-05-09；修订日期：2014-12-10

通信作者：李建明，教授；电话：0731-58688970；E-mail: ljm5712@sina.com