学术干货│航空用钛合金研究进展

引言：钛合金由于其比强度高、耐腐蚀性好等优点被广泛应用于航空航天领域。本文介绍了近年来主要钛合金的研究进展，包括高强高韧型钛合金（Ti-1023、Ti-15-3、β21S和BT-22）、高温钛合金（IMI834、Ti-1100、BT36和Ti-60）、损伤容限钛合金（TC21和TC4-DT）和阻燃钛合金（Alloy C、BTT-l和BTT-3）4个方面，并展望了航空航天用钛合金的发展方向。

钛是广泛应用于航空航天领域的一种重要结构金属，其具有比强度高、耐腐蚀性能好以及使用温度范围宽（-269-600℃）的显著优点，钛材的比强度位居-253～600℃内常用金属材料之首，因此很快被用于航空工业。航空始终是50年来世界钛市场中最大的用户，图1给出了A350用钛的主要部位和部件。目前，先进飞机上的钛材重量已达飞机结构总重的30%～35%，钛材已成为现代飞机不可缺少的结构材料。近年来，由于航空工业对高强度、高弹性模量、耐高温、低密度的新型结构材料需要日益迫切，大大促进了钛制造业的迅速发展。因此，本文首先介绍了钛合金的典型组织类型及相应的性能，然后从近年所开发的新型钛合金简述其研究进展，主要分为以下四类：(1)高强高韧型钛合金；(2)高温钛合金；(3) 损伤容限钛合金；(4)阻燃钛合金。

图1  A350用钛主要部位和部件

一、钛合金的典型组织类型及相应的性能

钛和钛合金铸件的显微组织通常都是从高温β区冷却下来形成的转变的β组织，组织保持着原始的β晶界，晶界内由针状或片状以及网篮状的α相组成，经过变形加工和热处理可获得不同的组织结构。图2所示为典型的钛合金组织形貌。通常钛合金组织按形态特征可以分为：魏氏组织、双态组织、网篮组织和等轴组织。上述组织形成主要取决于热变形和热处理工艺。

(1) 魏氏组织：其特点是原始β晶粒粗大清晰完整，晶界上有非常明显的连续α相，晶内为粗大片状有规则平行排列的α相束域，片间为β相(图2a)。当合金变形的开始温度和终了温度都在β相区且变形量不大时，或将合金加热到β相区较慢冷却时，都将形成这种组织。

(2) 双态组织：其特点是在转变β组织基体上分布有一定数量的不连续的初生等轴α相晶粒，但总含量小于50%，因而组织中有等轴初生α与β转变组织中的片状α两种形态(图2b)。当合金在α+β两相区的上部温度加热和变形时可形成这种组织。这类组织具有较好的综合力学性能。

(3) 网篮组织：其特征是原始β晶粒晶界不同程度地被破坏，晶内α片变短，α相取向混杂，交错排列，形成编织网篮状结构(图2c)。当合金在β转变点附近经过较大变形，而在α+β两相区变形量不够大时形成这种组织。其特点是：塑性、冲击韧性好，且具有较好的高温持久和抗蠕变性能。

(4) 等轴组织：其特点是含有较多的(超50%)初生α晶粒，存在着一定数量的β转变组织，分布在α相边界处，均呈等轴或多边形(图2d)。片状α经变形后加热可形成等轴α，等轴化程度的大小，受变形程度、加热温度和保温时间的影响。总的趋势是随着变形程度的增大，加热温度升高，保温时间延长，等轴化程度加大。这种组织的特点是综合性能好，特别是塑性和冲击韧性较高。

图2 钛合金基本组织：(a) 魏氏组织，(b) 网篮组织，(c) 等轴组织，(d) 双态组织

二、新型钛合金

1、高强高韧β型钛合金    

  β型钛合金具有良好的加工性能，易锻造、可轧制、焊接，可通过固溶时效处理获得较高强度和断裂韧性。目前，在飞机上获得实际应用的高强高韧β型钛合金主要有以下几种：

Ti-1023(Ti-10V-2Fe-3Al)钛合金是由美国Timet公司于1971年研制的。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、高可靠性和低制造成本的锻造钛合金，该合金的Al当量为4.0，Mo当量为11.1，(α+β)/β相转变温度为790～805℃，具有较大的淬透性和显著的热处理强化效果，具有优异的锻造性能，在760℃可进行等温锻造，提供各种近净型加工锻件。经热处理后，该合金的σ_b为965～1310MPa，K_IC为99～33 MPa·m^1/2。已经用于波音777客机起落架主梁，空客A380的主起落架支柱。

Ti-l5-3 (Ti-15V-3Cr 3Al- 3Sn)高强β钛合金是20世纪70年代由美国空军部门资助下开发出来的一种近β型的高强抗腐蚀合金。该合金的Al当量为5.0，Mo当量为15.7，(α+β)/β相转变温度为750～770℃，具有优良的冷变形性、时效硬化性能和可焊接性能等特点，其冷加工性能比工业纯钛还好，可在固溶状态下进行各种复杂零件的冷成形，有较小的裂纹敏感性，时效后的σ_b≥1310MPa，该合金特别适宜制造火箭发动机推进剂贮箱和导管等部件，并且已应用到波音777上的应用控制系统管道和灭火罐。

β-21S(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si)合金是美国Timet公司于1989年研制的一种抗氧化、超高强钛合金。该合金的Al当量为4.0，Mo当量为15.8，(α+β)/β相转变温度为793～810℃，具有良好的抗氧化性能，可在540℃下长期工作；冷、热加工性能优良。热处理后，σ_b=1150～1350MPa，δ₅=6%～8%。该合金适用于发动机衬套和喷管等，已经被美国国家宇航局(NASA)用作碳化硅／钛复合材料的基体材料。

BT22(Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr)合金是俄罗斯于20世纪70年代研制成功的一种高强度近β型钛合金。该合金的Al当量为6.0，Mo当量为11.8，(α+β)/β相转变温度为860～990℃，具有良好的加工性能和焊接性能，主要用于生产模锻件，其淬透深度达200mm，其σ_b≥1105MPa。该合金既可用于制造在350～400℃下长期工作的机身、机翼受力件及操作系统等的紧固件，也可制造工作温度低于350℃的发动机的风扇盘和叶片等。且已经用于1L-86和1L-96-300的机身、机翼、起落架和其他高承载部件。

2、高温钛合金

高温钛合金是现代航空发动机的关键材料之一，高性能航空发动机的发展需求牵引着高温钛合金的发展。高温钛合金主要用作飞机发动机的压气机盘和叶片、机匣，以减轻发动机质量，提高推重比。发动机对高温钛合金的要求非常苛刻，它要求材料具有室温性能、高温强度、蠕变性能、热稳定性、疲劳性能和断裂韧性的良好匹配。

20世纪50年代最早用于航空发动机的Ti-6Al-4V合金服役温度一般不超过350℃；随后相继研制出使用温度为400℃左右的IMI550、BT3-l等合金；60年代，各国先后成功研制了使用温度在450℃~500℃的IMI679、IMI685、Ti6246、Ti6242等合金；目前，世界范围内研制出的最高使用温度为600℃的高温钛合金有英国的IM1834、美国的Ti-1100、俄罗斯的BT36及中国的Ti-60。下面主要介绍几种有代表性的高温钛合金：

IMI834(Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si)合金是英国于1984年研制的一种近α型钛合金。该合金的Al当量为8.7，Mo当量为0.7，(α+β)/β相转变温度为1045±10℃，具有良好的变形能力。经热处理后，该合金的σ_b≥930MPa。已经用于波音777飞机的大型发动机Trent700上。

Ti-1100(Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si)合金是美国于1988年研制的高热强近α型钛合金。该合金的Al当量为8.6，Mo当量为0.4，(α+β)/β相转变温度为1015℃。该合金具有良好的高温蠕变性能、较低的韧性和较大的疲劳裂纹扩展速率。已经用于莱康明公司T55-712改型发动机的高压压气机轮盘和低压涡轮叶片等零件。

BT36(Ti-6.2A1-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-0.1Y-5.0W-0.15Si)合金是俄罗斯于1992年研制的使用温度在600～650℃的钛合金。该合金的Al当量为8.5，Mo当量为2.7，(α+β)/β相转变温度为1000～1025℃，具有良好的高温蠕变性能。

Ti60(Ti-5.8 Al-4.8 Sn-2.0Zr-1.0 Mo-0.35Si-0.85Nd)合金是20世纪90年代末由中国科学院金属研究所在Ti55合金基础上改型设计、宝鸡有色金属加工厂参与研制的一种600℃高温钛合金。该合金的Al当量为8.5，Mo当量为1.0，(α+β)/β相转变温度为1025℃，具有良好的热稳定性和高温抗氧化性。已经进行了半工业性中试试验(包括压气机盘模锻)和全面性能测定。

3、损伤容限钛合金     

目前较为典型的损伤容限钛合金有两种，一种是国外研制的高强高韧损伤容限钛合金TC21，一种是中国研制的中强高韧损伤容限钛合金TC4-DT。

TC21(Ti-Al-Mo-Sn-Zr-Cr-Si-X) 合金是西北有色金属研究院于2001 年研制的一种高强、高韧、损伤容限型两相钛合金，是我国研制的第一个具有自主知识产权的高强损伤容限型钛合金，北京航空材料研究院为该合金的应用研究单位。该合金一般使用状态的组织为网篮状或三态组织，具有优良的强度、塑性、韧性和低的裂纹扩展速率匹配，其典型力学性能为σ_b：1100MPa，σ_0.2：1000MPa，δ：8%，ψ：15%，E：115 GPa，K_IC：70 MPa·m^1/2，da/dN：8×10^-5 ~9×10^-5 mm/cycle。与在美国F-22飞机得到应用的Ti-6-22-22S(美国)和苏-27系列飞机广泛应用的BT20(俄罗斯)钛合金相比，其综合力学性能更加优异，特别是其具有非常优异的电子束焊接性能，适合制造大型整体框、发动机附近挂架、梁、接头、起落架部件等重要承力构件。

TC4-DT合金是在美国的Ti-6Al-4VELI合金基础上由西北有色院和北京航空材料研究院联合研制的中强、高韧、损伤容限型、可焊钛合金，其性能与Ti-6Al-4VELI相当。但是TC4-DT的合金成分范围比Ti-6AI-4VELI控制更严格，具体为Al：6.0-6. 35，V：3.6 -4.4，Fe≤0.25，C≤0.05，O≤0.13，N≤0. 03，H≤0.0125，Ti余量。该合金具有中等强度、高断裂韧度和高损伤容限等综合性能匹配的特点，其典型力学性能为，σ_b：895MPa，σ_0.2：795MPa，δ：8%，ψ：15%，K_IC：75MPa·m^1/2，da/dN：9×10^-6 mm/cycle。该合金特别适合制造飞机大型整体框、梁、接头等关键承力构件，已经应用于波音777客机的安定面连接接头和F/A-22飞机的机体。

4、阻燃钛合金

作为航空发动机材料使用时，普通钛合金可能会产生“钛火”，为了解决这个问题，各国开展了对阻燃钛合金的研制。下面主要介绍几种有代表性的阻燃钛合金：

Alloy C(Ti-35V-15Cr)合金是美国P&W公司于20世纪80年代研制的一种β型钛合金。该合金的钼当量为47.5，是目前工业用β钛合金钼当量最高的合金，具有良好的室温和高温塑性、蠕变和疲劳性能，可制成板材、带材、棒材以及锻件等。该合金已经应用于F119发动机（F/A-22战斗机的动力装置）的高压压气机机匣、导向叶片和矢量尾喷管，并于1993年1月成功地进行了飞行实验。

BTT-1和BTT-3为俄罗斯从摩擦机制入手研制的阻燃钛合金，均为Ti-Cu-Al系合金（添加Mo、V、Zr）。

BTT-l具有良好的热加工性能，可制成形状复杂的发动机零件，如压气机机匣和叶片，工作温度可达450℃。

BTT-3合金的工艺塑性比BTT-l合金更好，特别适合于制造各种板材和箔材零件。BTT-3的阻燃能力也高于BTT-l，在相同的试验条件下，Ti-6Al-4V的摩擦着火温度为100℃，BTT-l为650℃，BTT-3则大于800℃。

三、结论与展望

我国钛材产量位居世界第四，但航空航天用高端钛材产量只占总量的10％左右，与世界的50％水平仍存在着相当的差距，因此需要加强综合高性能钛合金材料和应用的创新性研究，提高航空航天钛合金的应用水平和用量。发展高综合性能钛合金材料与低成本制造技术是扩大钛合金应用的两大驱动力。采用先进的制造技术（如激光近净成形），用价格较低的合金元素取代贵的金属元素降低钛合金成本，在提高钛合金构件的性能的同时，促进钛合金在航空航天领域的应用水平和用量；精简钛合金牌号，优化钛合金性能，要一材多用，形成骨干钛合金体系，是未来钛合金在航空领域的主要发展方向。

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