1、引言

材料科學(xué)與工程是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要領(lǐng)域，航空航天材料則處于材料科學(xué)與工程最富有挑戰(zhàn)性的研究前沿，是決定航空航天產(chǎn)品技術(shù)水平和發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。航空航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的先進(jìn)性很大程度上取決于航空航天材料的水平，因此航空航天材料是發(fā)展航空航天技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)。

鈦及鈦合金具有比強(qiáng)度高、抗腐蝕性好、耐高溫等一系列突出優(yōu)點(diǎn)，能夠進(jìn)行各種方式的零件成形、焊接和機(jī)械加工，50多年來(lái)，航空航天科研和生產(chǎn)發(fā)展與鈦合金的推廣應(yīng)用有著緊密的聯(lián)系。早在上世紀(jì)五十年代初期，有一些軍用飛機(jī)上就開(kāi)始用工業(yè)純鈦制造后機(jī)身隔熱板、機(jī)尾罩、減速板等受力不大的結(jié)構(gòu)件。上世紀(jì)六十年代開(kāi)始，鈦合金在飛機(jī)上的應(yīng)用逐步擴(kuò)大到承力隔框、梁等主要受力結(jié)構(gòu)件，同時(shí)航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部分大量開(kāi)始采用鈦合金。美國(guó)在上世紀(jì)七十年代的軍用戰(zhàn)斗機(jī)上，鈦合金的用量就已經(jīng)達(dá)到結(jié)構(gòu)重 量的四分之一了。從上世紀(jì)70年代開(kāi)始，鈦合金在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、衛(wèi)星、運(yùn)載火箭等航天產(chǎn)品逐漸獲得了應(yīng)用。

目前，鈦合金已經(jīng)發(fā)展成為現(xiàn)代航空航天工業(yè)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中廣有前途的金屬結(jié)構(gòu)材料，目前對(duì)于飛機(jī)的先進(jìn)程度以鈦合金的使用量來(lái)劃分。

1978年在原國(guó)家計(jì)委和國(guó)防科下委的要求下，我國(guó)原第三機(jī)械丁業(yè)部(現(xiàn)中國(guó)航空丁業(yè)集團(tuán)公司前身)、冶金工業(yè)部等單位組成了航空材料赴英考察組趕赴英國(guó)進(jìn)行了為期一個(gè)半月的考察工作。其中航空材料赴英考察組鈦合金分組參觀了國(guó)際航空博覽會(huì)，并先后考察了英國(guó)宇航公司的六個(gè)飛機(jī)廠、英國(guó)羅羅公司的三個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)廠，英國(guó)帝國(guó)金屬公司鈦分公司的冶煉廠和鍛造廠以及英國(guó)皇家航空研究院等單位。通過(guò)這次考察學(xué)習(xí)，我國(guó)航空界人士才真正認(rèn)識(shí)到鈦合金在航空工業(yè)中的重要程度以及我們國(guó)家航空材料與西方發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。當(dāng)時(shí)我們國(guó)家航空工業(yè)主要生產(chǎn)機(jī)種為J6飛機(jī)和WP6航空發(fā)動(dòng)機(jī)，鈦合金在飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)以及航天產(chǎn)品中的_丁程應(yīng)用幾乎為零。為此考察組上書(shū)國(guó)家計(jì)委、國(guó)防科工委和三機(jī)部，要求解決鈦合金加工工藝和質(zhì)量方面的關(guān)鍵技術(shù)以及編制鈦合金產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以加快我國(guó)航空航天工業(yè)用鈦的發(fā)展，同時(shí)推動(dòng)我國(guó)航空航天工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。在此種背景條件下，我國(guó)原冶金部撫順特鋼廠、寶雞有色金屬?gòu)S等單位開(kāi)展了工業(yè)規(guī)模鈦合金研制生產(chǎn)，航空工業(yè)部621所、148廠、3007廠等單位開(kāi)展了鈦合金鍛件的研制生產(chǎn)，其中航空148廠于1984年為美國(guó)波音公司成功研制生產(chǎn)出了B747飛機(jī)用大型TC4鈦合金模鍛件，1985年該廠被正式批準(zhǔn)為波音鈦鍛件合格供應(yīng)商。上世紀(jì)80年代，我國(guó)WPl3等航空發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始大量使用鈦合金制造壓氣機(jī)盤(pán)、葉片、機(jī)匣等部件，同時(shí)J7J8等改型飛機(jī)開(kāi)始使用TC4、TB5、TB6等鈦合金零部件。上世紀(jì)90年代至今，隨著我國(guó)新一代渦扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)和第三代戰(zhàn)斗機(jī)的研制生產(chǎn)，鈦合金在我國(guó)航空丁業(yè)中的應(yīng)用得到了快速發(fā)展，例如其中J11系列飛機(jī)用鈦占整個(gè)機(jī)體結(jié)構(gòu)的18％左右；同時(shí)鈦合金也在我國(guó)航天產(chǎn)品中獲得了廣泛應(yīng)用，如TC4鈦合金燃料儲(chǔ)箱、TAl5鈦合金彈體結(jié)構(gòu)、TC4鈦合金倉(cāng)體、TB3鈦合金緊固件等。在這期間為了適應(yīng)航空航天工業(yè)用鈦需要，逐步形成了我國(guó)航空航天鈦合金系列標(biāo)準(zhǔn)，包括國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家軍用標(biāo)、型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。

本文結(jié)合GB／T 3620.1-2007《鈦及鈦合金牌號(hào)和化學(xué)成分》、GB／T 2965-2007《鈦及鈦合金棒材》、GJB2218-1994(航空用鈦及鈦合金棒材和鍛坯規(guī)范》、GJB 2744A-2007《航空用鈦及鈦合金鍛件規(guī)范》、111-CL-045C《TA15鈦合金棒材》、GJB2058-94《超低溫用TA7ELI鈦合金鍛坯規(guī)范》、《航空材料手冊(cè)》等文獻(xiàn)資料，對(duì)目前我國(guó)航空工業(yè)使用的主要變形鈦合金材料進(jìn)行了匯總分類(lèi)，并對(duì)其成分、發(fā)明情況、使用特性進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。

2、我國(guó)航空航天用變形鈦合金

2.1 α型鈦合金

2.1.1 TA7鈦合金

合金名義成分為T(mén)i-5Al-2.5Sn，該合金是前蘇聯(lián)1957年研制的BT5-1鈦合金，主要用于500℃以下工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣等零件。我國(guó)于1965年仿制，命名為T(mén)A7，用于制造渦噴13發(fā)動(dòng)機(jī)前機(jī)匣殼體，封嚴(yán)圈殼體、環(huán)件和模鍛件轉(zhuǎn)接座等t11，其低間隙的TA7ELI用于制造航天飛行器-253℃條件下工作的壓力容器。目前該合金在我國(guó)的多種型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)形零件及航天飛行器低溫壓力容器制造中獲得了大量應(yīng)用。該合金β穩(wěn)定元素含量為零，中性元素Sn≈2.5％，主要靠Al固溶強(qiáng)化α相，α+β/β轉(zhuǎn)變溫度1040℃-1090℃，不能熱處理強(qiáng)化，通常在退火狀態(tài)下使用，在室溫和高溫下具有良好的斷裂韌性，焊接性能良好，但工藝塑性較差。長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)500℃，短時(shí)工作溫度可達(dá)800℃，室溫抗拉強(qiáng)度≥785 MPa，大量用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)軋件航天飛行器壓力容器，目前也用于航空鈦合金鑄件的生產(chǎn)。

2.1.2 TA13鈦合金

合金名義成分為T(mén)i-2.5Cu，該合金是英國(guó)研制的IMl230鈦合金，我國(guó)上世紀(jì)七十年代從英國(guó)引進(jìn)了斯貝航空發(fā)動(dòng)機(jī)(MK202)全套生產(chǎn)技術(shù)，隨著斯貝航空發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)產(chǎn)化，寶雞有色金屬加工廠等相關(guān)單位開(kāi)展了IMl230鈦合金的仿制，命名為T(mén)A13。該合金最初一直在退火狀態(tài)下使用，后來(lái)發(fā)現(xiàn)，該合金在淬火狀態(tài)下具有非常好的塑性，可以進(jìn)行各種復(fù)雜板材的零件冷加工成型，然后在時(shí)效過(guò)程中析出彌散的Ti：Cu金屬化合物顆粒使強(qiáng)度越提高大約25%。所以該合金是目前唯一能夠熱處理強(qiáng)化的α型鈦合金，α+β/β轉(zhuǎn)變溫度895℃±10℃，合金具有良好的丁藝塑性、焊接性能、熱穩(wěn)定性，一般在退火狀態(tài)下使用，室溫抗拉強(qiáng)度>610 MPa，長(zhǎng)期T作溫度可達(dá)350℃，我國(guó)已經(jīng)使用該合金成功制造了航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室外引射機(jī)匣、后錐體、排氣收集器加強(qiáng)帶、加強(qiáng)圈、支撐圈等。

2.2 近α型合金

2.2.1 TC1鈦合金

合金名義成分為T(mén)i-2Al-1.5Mn，該合金是前蘇聯(lián)研制的OT4-1鈦合金，我國(guó)于上世紀(jì)六十年代開(kāi)始仿制生產(chǎn)，后命名為T(mén)C2。該合金是一種中等強(qiáng)度、高塑性的近α型合金，α+β/β轉(zhuǎn)變溫度920℃~930℃，具有良好的熱穩(wěn)定性、焊接性能及工藝塑性，長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)350℃，室溫抗拉強(qiáng)度≥590 MPa。大量用于飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)及航天飛行器鈑金沖壓件的生產(chǎn)。由于該合金中的Mn元素在真空熔煉狀態(tài)下熔煉時(shí)容易揮發(fā)，所以該合金熔煉時(shí)一般在充氬狀態(tài)下進(jìn)行。

2.2.2 TC2鈦合金

合金名義成分為T(mén)i-4Al-1.5Mn，該合金是前蘇聯(lián)研制的O14鈦合金，我國(guó)于上世紀(jì)六十年代初期開(kāi)始仿制，后命名為T(mén)C2t23。該合金是一種低強(qiáng)度、高塑性的近α型合金，α+β/β轉(zhuǎn)變溫度940℃±20℃，具有良好的熱穩(wěn)定性、焊接性能及工藝塑性，長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)350℃，短時(shí)使用溫度為750℃，室溫抗拉強(qiáng)度≥685 MPa。目前廣泛用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的各種板材沖壓成形零件及蒙皮。由于該合金中的Mn元素在真空熔煉狀態(tài)下熔煉時(shí)容易揮發(fā)，所以該合金熔煉時(shí)和TC1鈦合金一樣在充氬狀態(tài)下進(jìn)行。

2.2.3 TA11鈦合金

合金名義成分Ti-8Al-1Mo-1V，該合金是美國(guó)上世紀(jì)發(fā)明，具有較高的彈性模量和較低的密度，是目前比剛度最高的工業(yè)鈦合金。合金α+β/β轉(zhuǎn)變溫度1040℃左右．長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)450℃，雙重退火狀態(tài)下室溫抗拉強(qiáng)度≥895 MPa。主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)盤(pán)、壓氣機(jī)葉片、壓氣機(jī)機(jī)匣等。我國(guó)大量使用該合金制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，該合金對(duì)氯化物應(yīng)力腐蝕較敏感。

2.2.4 TA12鈦合金

相近牌號(hào)英國(guó)IMl829(Ti55)，名義成分Ti-5.5Al-4Sn-2Zr-1Mo-1Nb-0.25Si，該合金長(zhǎng)期T作溫度可達(dá)550℃，用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤(pán)、鼓筒、葉片等。該合金具有良好的塑性，適合于各種壓力加工成形。我國(guó)使用該合金制造的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)鼓筒、高壓壓氣機(jī)盤(pán)、轉(zhuǎn)子葉片等都已經(jīng)通過(guò)了長(zhǎng)期試車(chē)。合金α+β/β轉(zhuǎn)變溫度1005℃左右，一般在雙重或三重退火狀態(tài)下使用，室溫抗拉強(qiáng)度≥950MPa。

2.2.5 TA15鈦合金

合金名義成分Ti-6.5AI-2Zr-1Mo-1V，該合金是前蘇聯(lián)上個(gè)世紀(jì)60年代初研制成功的BT20近僅α型鈦合金。我國(guó)上個(gè)世紀(jì)九十年代從俄羅斯引進(jìn)了Su一27飛機(jī)生產(chǎn)線，為了滿(mǎn)足su一27飛機(jī)的國(guó)產(chǎn)化需求，國(guó)內(nèi)相關(guān)單位隨即開(kāi)展了BT20鈦合金的國(guó)產(chǎn)化丁作，我國(guó)仿制后命名為T(mén)A15鈦合金，該合金制造的結(jié)構(gòu)件占是Su-27飛機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)的15％以上，該合金兼有α型合金及α+β兩相鈦合金的優(yōu)點(diǎn)，具有中等的室溫和高溫強(qiáng)度、良好的熱穩(wěn)定性、焊接性能，工藝塑性良好。該合金長(zhǎng)時(shí)間(3 000小時(shí))工作溫度可達(dá)500℃，450℃ 工作時(shí)壽命可達(dá)6 000小時(shí)。合金α+β/β轉(zhuǎn)變溫度1020℃±30℃，退火狀態(tài)下室溫抗拉強(qiáng)度≥950MPa。目前主要用于制造飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)以及新一代戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、飛航導(dǎo)彈主要承力結(jié)構(gòu)件的制造，尤其是焊接件。

2.2.6 TA18鈦合金

合金名義成分Ti-3Al-2.5V，該合金是美國(guó)上個(gè)世紀(jì)發(fā)明的近僅α型鈦合金。我國(guó)上個(gè)世紀(jì)八十年代開(kāi)始仿制，后命名為T(mén)A18鈦合金。該合金具有良好的冷成形性能和焊接性能，主要用于制造飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)以及航天飛行器各種燃油、液壓管件，合金α+β/β轉(zhuǎn)變溫度925℃±10℃，一般在退火狀態(tài)下使用，最高工作溫度越為315℃，室溫抗拉強(qiáng)度≥620MPa。

2.2.7 TA19鈦合金

合金名義成分Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo，該合金是美國(guó)20世紀(jì)60年代為了滿(mǎn)足改善鈦合金高溫性能的需要，特別是為了滿(mǎn)足噴氣航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用要求而研制的一種近儀型鈦合金。合金α+β/β轉(zhuǎn)變溫度990℃±10℃，合金最高使用溫度540℃，長(zhǎng)期工作溫度540℃，雙重或三重退火狀態(tài)下使用，室溫抗拉強(qiáng)度≥930MPa。特點(diǎn)是具有強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度、韌性和熱穩(wěn)定性能的良好結(jié)合，并具有良好的焊接性能，主要應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)板材零件，飛機(jī)熱端零件。目前國(guó)外大量使用Ti6242臺(tái)金制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部 件。如普惠公司制造的JT9D及2037發(fā)動(dòng)機(jī)用Ti6242臺(tái)金制造發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤(pán)和轉(zhuǎn)子葉片，通用電子公司的CF6-5、CF6-80等發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤(pán)和轉(zhuǎn)子葉片也使用了Ti6242合金。我國(guó)上個(gè)世紀(jì)九十年代開(kāi)始仿制，后命名為T(mén)Al9，我國(guó)用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣等零件。該合金也可應(yīng)用于鑄件的生產(chǎn)。其鑄造牌號(hào)為ZTC6鈦合金。

2.3 α+β型雙相鈦合金

2.3.1 TC4鈦合金

合金名義成分為T(mén)i-6Al-4V，該合金最初由美國(guó)在1954年首先研制成功，目前已經(jīng)發(fā)展成為一種國(guó)際性的鈦合金，是目前人們對(duì)其研究最為全面、最為深入的鈦合金。在航空、航天、民用等工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。我國(guó)牌號(hào)TC4，該具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，已經(jīng)廣泛用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的梁、框、起落架，航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)盤(pán)、機(jī)匣、葉片等，航天飛行器的壓力容器、倉(cāng)體、緊固件、結(jié)構(gòu)件等，同時(shí)也大量用于其它各工業(yè)行業(yè)中，目前占鈦合金產(chǎn)量的一半以上嘲。該合金具有良好的工藝塑性和超塑性，合金α+β/β轉(zhuǎn)變溫度980℃~1010℃，長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)400℃，一般在退火或固溶時(shí)效狀態(tài)下使用，室溫抗拉強(qiáng)度≥895 MPa。我國(guó)目前廣泛用于制造飛機(jī)主要承力結(jié)構(gòu)件和航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇盤(pán)、壓氣機(jī)盤(pán)、葉片以及航天飛行器壓力容器、結(jié)構(gòu)件等。

鈦中的間隙雜質(zhì)雖然能提高鈦的強(qiáng)度，但是這種雜質(zhì)不僅嚴(yán)重降低合金的塑性和斷裂韌性，而且會(huì)加快疲勞裂紋擴(kuò)展速率，并使其他一些重要性能，如熱穩(wěn)定性、蠕變抗力、缺口敏感性等變壞，所以近年來(lái)國(guó)內(nèi)外為了適應(yīng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需的損傷一容限要求，研制生產(chǎn)出了高純度的Ti-6Al-4V(ELI)合金，其O含量小于0.13％。C含量小于0.08％，適宜于低溫或要求高的斷裂韌性時(shí)使用。

2.3.2 TC6鈦合金

該合金是前蘇聯(lián)研制的BT3-1鈦合金，合金名義成分為T(mén)i-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si，目前在俄羅斯得到廣泛應(yīng)用。該合金是一種綜合性能良好的馬氏體型僅α+β型雙相鈦合金，一般在退火狀態(tài)下使用，也可進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚韽?qiáng)化。具有較高的室溫強(qiáng)度，室溫抗拉強(qiáng)度≥980 MPa。具有良好的熱強(qiáng)性能，可長(zhǎng)時(shí)間在400℃~450℃溫度下工作，合金α+β/β轉(zhuǎn)變溫度960℃～1000℃，該合金具有良好的熱加工性能。目前主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤(pán)和葉片等，也用于制造中等強(qiáng)度的飛機(jī)主要承力結(jié)構(gòu)件等，如隔框、接頭等。

2.3.3 TC11鈦合金

該合金是前蘇聯(lián)1958年開(kāi)始研制、1966年研制成功用于500℃的BT9熱強(qiáng)鈦合金，合金名義成分為T(mén)i-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si，我國(guó)于上世紀(jì)70年代末80年代初開(kāi)始仿制，后命名為T(mén)C11鈦合金。TC11是一種綜合性能良好的中,α+β型鈦合金，在500℃以下有優(yōu)異的熱強(qiáng)性能(高溫強(qiáng)度、蠕變抗力等)，并具有較高的室溫強(qiáng)度。該合金具有良好的熱加T工藝性，合金α+β/β轉(zhuǎn)變溫度1000℃±20℃。該合金常用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤(pán)、葉片、鼓筒等零件，也用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。通過(guò)α+β區(qū)熱加工和α+β熱處理，獲得TC11合金最高長(zhǎng)期工作溫度為500℃，室溫強(qiáng)度≥1030 MPa。通過(guò)近β鍛造工藝生產(chǎn)的TC11壓氣機(jī)盤(pán)鍛件長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)520℃閘。該合金是我國(guó)目前使用范圍最廣、使用量最大、技術(shù)最為成熟的熱強(qiáng)鈦合金，目前幾乎所有型號(hào)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)都有應(yīng)用。

2.3.4 TCl6鈦合金

合金名義成分Ti-3Al-5Mo-4.5V，該合金是前蘇聯(lián)上個(gè)世紀(jì)研制的BT16馬氏體型aα+β型雙相鈦合金。我國(guó)上個(gè)世紀(jì)九十年代從俄羅斯引進(jìn)了Su-27飛機(jī)生產(chǎn)線，為了滿(mǎn)足Su-27飛機(jī)的國(guó)產(chǎn)化需求，國(guó)內(nèi)相關(guān)單位隨即開(kāi)展了BT16鈦合金的國(guó)產(chǎn)化工作，我國(guó)仿制后命名為T(mén)C16鈦合金。該合金主要用于制造下作溫度350℃以下條件下工作的航空標(biāo)準(zhǔn)件，合金α+β/β轉(zhuǎn)變溫度860℃+20℃，該合金退火狀態(tài)下強(qiáng)度中等，但塑性非常好，可以像B型鈦合金一樣冷鐓成形制造螺栓、鉚釘?shù)葮?biāo)準(zhǔn)件。強(qiáng)化熱處理后可獲得高的強(qiáng)度，室溫強(qiáng)度≥1030 MPa。我國(guó)在新型飛機(jī)上已經(jīng)開(kāi)始使用TC16鈦合金制造的螺栓、鉚釘。

2.3.5 TC17鈦合金

合金名義成分Ti一-5Al-2Sn-2z-4Mo-4Cr，該合金是上個(gè)世紀(jì)七十年代美國(guó)通用電氣公司以提高綜合性能為目的而發(fā)展起來(lái)的一種高強(qiáng)度、高韌性和高淬透性的近β型變形鈦合金，我國(guó)從“七五”期間開(kāi)始仿制，國(guó)產(chǎn)牌號(hào)TC17。合金最高工作溫度427℃，室溫抗拉強(qiáng)度≥1120 MPa。我國(guó)目前使用該合金制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇盤(pán)、壓氣機(jī)盤(pán)等。

2.3.6 TC18鈦合金

合金名義成分為T(mén)i-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，該合金是前蘇聯(lián)航空材料研究院于上世紀(jì)70年代中期研制成功的一種高合金化、高強(qiáng)度近β型合金，俄羅斯牌號(hào)BT22，該合金具有高強(qiáng)、高韌、高淬透性，故稱(chēng)“三高”鈦合金，退火狀態(tài)下強(qiáng)度極限可達(dá)1080 MPa，強(qiáng)化熱處理狀態(tài)下可達(dá)1200 MPa或更高，具有滿(mǎn)意的延伸率、斷面收縮率和沖擊韌性。根據(jù)不同性能和用途分為三種不同等級(jí)：①σ_b≥1078 MPa，K_IC>70 MPa·m^1/2；②σ_b≥1127 MPa，K_IC>65 MPa·m^1/2；③σ_b≥1176 MPa，K_IC>53MPa·m^1/2。在伊爾76、伊爾86、伊爾96、及圖204、安124等飛機(jī)上大量制造承力框及起落架部件。隨著我國(guó)軍機(jī)型號(hào)的不斷發(fā)展及大型運(yùn)輸機(jī)研制的開(kāi)展，我國(guó)開(kāi)始仿制該合金，我國(guó)仿制后命名為T(mén)C18(2007版GB／T3620.1-2007)。

2.3.7 TC21鈦合金

TC21鈦合金是西北有色金屬研究院、北京航空材料研究院等單位聯(lián)合研制的具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第一個(gè)高強(qiáng)高韌損傷容限鈦合金，合金名義成分Ti-6Al-2Mo-1.5Cr-2Zr-2Sn-2Nb。該合金目前用于制造飛機(jī)重要結(jié)構(gòu)件。目前使用狀態(tài)下σ_b≥1100 MPa，K_IC>70MPa·m^1/2。該合金已經(jīng)在我國(guó)第三代先進(jìn)飛機(jī)上獲得了工程化應(yīng)用。

2.3.8 TC25鈦合金

TC25鈦合金是我國(guó)近年來(lái)在仿制某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)程中仿制的俄羅斯BT25鈦合金，BT25是前蘇聯(lián)1971年研制的馬氏體型的aα+β兩相熱強(qiáng)鈦合金，合金里添加了高熔點(diǎn)的Mo、W大大提高了合金的熱強(qiáng)性和耐熱性，也提高了合金的工作壽命，BT25合金在常溫、高溫下均具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其使用溫度可達(dá)550℃，合金名義成分Ti-6.5Al-2Mo-1Zr-1Sn-1W-0.2Si。BT25合金可在適當(dāng)?shù)臒嶙冃螚l件、熱處理制度下(950℃~970℃，1 h，空冷+530 ℃一570℃，6 h，空冷)可獲得較為理想的綜合性能。作為馬氏體型α+β兩相鈦合金，BT25合金較該系列其它熱強(qiáng)合金的突出優(yōu)點(diǎn)是其下作使用溫度500℃．550℃，在500 oC以下工作時(shí)間達(dá)6000 h，在550℃工作時(shí)間達(dá)3000 h，因此被推薦用于制造高壓壓氣機(jī)零件(主要是壓氣機(jī)盤(pán))。BT25合金制造的半成品有鍛件、模鍛件、棒材和其他形式的半成品。

2.4 β及近β鈦合金

2.4.1 TB3鈦合金

TB3鈦合金是一種可熱處理強(qiáng)化的亞穩(wěn)定β型鈦合金，合金名義成分為T(mén)i-10Mo-8V-1Fe-3.5A1。該合金的主要優(yōu)點(diǎn)是固溶處理狀態(tài)具有優(yōu)異的冷成形性能，其冷鐓比(Dt／D0)可達(dá)2.8，固溶+時(shí)效制度處理后可獲得高的強(qiáng)度，主要用于制造使用溫度低于300℃的1100 MPa級(jí)以上高強(qiáng)度航空航天緊固件。

2.4.2 TB6鈦合金

50年代的朝鮮戰(zhàn)爭(zhēng)，美國(guó)飛機(jī)在戰(zhàn)場(chǎng)被擊落擊傷近1000架，60年代的越南戰(zhàn)爭(zhēng)，美國(guó)飛機(jī)的損失更加慘重，累計(jì)4000多架。兩次大的戰(zhàn)爭(zhēng)美國(guó)的財(cái)力損失很大，但大大促進(jìn)了美國(guó)鈦工業(yè)和鈦加工技術(shù)的發(fā)展。美國(guó)在總結(jié)越南戰(zhàn)爭(zhēng)中飛機(jī)事故時(shí)發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)常常出現(xiàn)一種低應(yīng)力的斷裂事故，即構(gòu)件的工作應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度而發(fā)生的脆性斷裂事故。經(jīng)材料和力學(xué)家的分析發(fā)現(xiàn)，構(gòu)件內(nèi)部常常存在一種宏觀尺度裂紋。這種裂紋有可能是鑄造、鍛造、熱處理，甚至機(jī)械加工產(chǎn)生的。因此，這種帶有裂紋的構(gòu)件使用時(shí)的安全性、可靠性和壽命，當(dāng)然不能用σ_b、σ_b0.2、δ5、巾、ak來(lái)衡量了。而是應(yīng)該用裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的抵抗能力來(lái)評(píng)價(jià)。如果材料的裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展抵抗能力越好，那么使用越安全，或者說(shuō)，即使構(gòu)件中存在裂紋，照樣可以使用而且不會(huì)造成斷裂或者很快就斷裂。把這個(gè)能力叫做斷裂韌性，材料上稱(chēng)K_IC。20世紀(jì)70年代的飛機(jī)設(shè)計(jì)者，已經(jīng)考慮到提高飛機(jī)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)效益和構(gòu)件的壽命了。而β鈦合金正好可滿(mǎn)足這一點(diǎn)。可以在更高的強(qiáng)度水平上比(α+β)兩相鈦合金具有更好的斷裂韌性。

在這種需求背景下，美國(guó)Timet公司于1971年研制生產(chǎn)了Ti-1023鈦合金，該合金名義成分為T(mén)i-10V-2Fe-3Al，常規(guī)使用狀態(tài)下σ_b≥1100 MPa，K_IC>60MPa·m^1/2，是迄今為止應(yīng)用最為廣泛的一種高強(qiáng)高韌近β型鈦合金，是一種為適應(yīng)損傷容限性設(shè)計(jì)原則而產(chǎn)生的高結(jié)構(gòu)效益、高可靠性和低制造成本的變形鈦合金，合金中以Fe和V為主要β穩(wěn)定元素。已經(jīng)應(yīng)用于波音777客機(jī)起落架主梁、A380主起落架支撐等部件制造。我國(guó)從1986年開(kāi)始該合金的材料的仿制及應(yīng)用研究工作，仿制后命名為T(mén)B6鈦合金。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的Ti-1023早期用于生產(chǎn)殲八Ⅱ飛機(jī)58框腹鰭接頭模鍛件、用于殲七系列飛機(jī)減速板梁自由鍛件和模鍛件，在后期的JH7飛機(jī)中獲得了大量應(yīng)用。該合金的主要缺點(diǎn)就是β穩(wěn)定元素偏析，該缺點(diǎn)是我們國(guó)內(nèi)至今未能完全解決的技術(shù)難點(diǎn)。

2.4.3 TB8鈦合金

該合金是美國(guó)Timet公司于1989年針對(duì)美國(guó)國(guó)家航空航天飛機(jī)計(jì)劃NASP對(duì)抗氧化金屬及復(fù)合材料基體的需求而研制的一種亞穩(wěn)定β型鈦合金，美國(guó)牌號(hào)為β21s，該合金名義成分Ti-3Al-15Mo-2.7Nb-0.25Si。TB2、TB3、TB5、TB6等B鈦合金主要β穩(wěn)定元素都采用V，但由于V的抗氧化能力很差，所以這些β鈦合金的使用溫度一般都不超過(guò)300℃。由于β21s鈦合金是針對(duì)NASP計(jì)劃而研制的，要求合金要具有良好的抗氧化性能和高溫性能，所以β21s合金設(shè)計(jì)時(shí)Bβ穩(wěn)定元素選用抗氧化性能良好的的高熔點(diǎn)Mo和Nb。

該合金不僅具有優(yōu)異成形性、深淬透性、良好的抗腐蝕能力，還具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能，可用于制作有溫度要求的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件或發(fā)動(dòng)機(jī)部件緊固件和液壓管材等，還可用作金屬基復(fù)合材料的基體、鑄件等。該合金是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙附近導(dǎo)風(fēng)罩類(lèi)零件的理想材料，例如波音777飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙導(dǎo)風(fēng)罩選用該合金后產(chǎn)生了很好的效果。

我國(guó)在20世紀(jì)90年代初開(kāi)始對(duì)β21s鈦合金進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化研究，材料已研制成功，該合金國(guó)內(nèi)相對(duì)應(yīng)的牌號(hào)為T(mén)B8，主要產(chǎn)品型態(tài)為板材、棒材、鍛件、帶材，也可生產(chǎn)箔材、絲材、管材等。國(guó)內(nèi)某型號(hào)飛機(jī)機(jī)身發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)罩零件上用TB8代替1Crl8Ni9Ti不銹鋼，使飛機(jī)減重14 kg，并提高了零件的抗腐蝕性、熱穩(wěn)定性。而采用該材料代替30 CrMnSiA結(jié)構(gòu)鋼制造某機(jī)后，機(jī)身承力框上框段3個(gè)鍛件結(jié)構(gòu)件的焊接組合件實(shí)現(xiàn)減重15％，20％，大大提高了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)效益。

航空航天標(biāo)準(zhǔn)件在其生產(chǎn)制造過(guò)程中要求材料具有良好的冷鐓成型性能，且在其熱處理后要獲得足夠高的強(qiáng)度。B型鈦合金由于在固溶狀態(tài)下具有優(yōu)異的冷成型性能，且其在隨后時(shí)效處理狀態(tài)下可獲得很高的強(qiáng)度，所以大量應(yīng)用于高品質(zhì)航空航天標(biāo)準(zhǔn)件的生產(chǎn)制造。列入我國(guó)《航空材料手冊(cè)》的用于制造航空標(biāo)準(zhǔn)件的B型鈦合金主要有TB2、TB3，這兩種型鈦合金主要應(yīng)用于1 100 MPa級(jí)標(biāo)準(zhǔn)件的制造。隨著我國(guó)航空航天工業(yè)的迅速發(fā)展，新一代標(biāo)準(zhǔn)件要求其強(qiáng)度水平達(dá)1300MPa級(jí)以上，所以研究和發(fā)展1300 MPa級(jí)以上的β型鈦合金材料及其加工工藝成為我國(guó)材料工程技術(shù)人員的當(dāng)務(wù)之急。對(duì)于冷加丁成型性能優(yōu)異的130MPa級(jí)超高強(qiáng)度β型鈦合金，我國(guó)目前尚無(wú)十分成熟的合金可用，國(guó)外資料顯示β21s鈦合金具有優(yōu)異的冷加工成型性能及深的淬透性，熱處理后可獲得很高的強(qiáng)度。為此，我公司開(kāi)展了超高強(qiáng)度緊固件用TB8合金棒絲材的研制生產(chǎn)及應(yīng)用研究工作，目前已經(jīng)研制生產(chǎn)出了σ_b≥1300MPa、δ5≥8％的TB8鈦合金棒絲材及形成了全套冷熱加T工藝，并已經(jīng)在航空航天標(biāo)準(zhǔn)件生產(chǎn)廠加工出了各種規(guī)格的超高強(qiáng)度航空航天標(biāo)準(zhǔn)件，滿(mǎn)足了型號(hào)設(shè)計(jì)需求。

3、總結(jié)

可以看出，目前我國(guó)航空航天工業(yè)使用變形鈦合金材料90％以上是仿制前蘇聯(lián)、美國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，而且大多數(shù)是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)或飛機(jī)或?qū)椀姆轮啤⒓夹g(shù)借鑒或引進(jìn)改進(jìn)過(guò)程中被動(dòng)進(jìn)行的。雖然，我國(guó)很多材料研制單位從上世紀(jì)80年代至今研制開(kāi)發(fā)了很多自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鈦合金，但因?yàn)榉N種原因大多數(shù)未獲得工程化應(yīng)用，最終在實(shí)驗(yàn)室不了了之。所以，我們國(guó)家鈦合金工業(yè)今后發(fā)展的方向應(yīng)立足于產(chǎn)學(xué)研用一體化發(fā)展，開(kāi)發(fā)合金應(yīng)立足于工程應(yīng)用，真正實(shí)現(xiàn)研有所用。

參考文獻(xiàn)：

【1】航空材料手冊(cè)【M】．Bei Jing：China Standard Publishing Company，2002．

【2】王金友。葛志明．航空用鈦合金【M】．上海：Shanghai Science and Techology Publishing House，1985．

【3】Seeing About Group of Aviation Materials tO U．K．Technology Reports of Titanium Materials(赴英考察“鈦合金”技術(shù)報(bào)告)．ThirdMachanical Industry Ministry，1978．

【4】閔新華，朱益潘。劉金生．鈦合金大規(guī)格棒材的鍛造【J】．稀有金屬材料與工程。2008，37(增3)：250—252．

【5】付艷艷，宋月清，惠松驍．航空用鈦合金的研究與應(yīng)用進(jìn)展【J】．稀有金屬，2006。30(6)：850—856．

【6】魏志堅(jiān)，姜明．鈦合金整體機(jī)匣大型異形環(huán)成形工藝研究【J】．航空與航天，1999，3．

【7】史正敏．6242S高溫鈦合金板材的組織特點(diǎn)【J】．中國(guó)鈦業(yè)，2007，12(3)：32—35．

【8】張?jiān)矗瑥垚?ài)荔，李惠娟．鈦合金的表面氧化及其對(duì)疲勞性能的影響【J】．鈦工業(yè)進(jìn)展，2010，27(1)：25—27．

【9】趙永慶，奚正平，曲恒磊．我國(guó)航空用鈦合金材料研究現(xiàn)狀【J】．航空材料學(xué)報(bào)，2003，23(10)：215—219．

【10】王曉英，周建華，龐克昌，鈦合金盤(pán)軸等溫精密鍛件【J】．稀有金屬材料與工程，2008，37(增3)：227—229．

【11】附艷艷，宋月清，惠松驍．航空用鈦合金的研究與應(yīng)用進(jìn)展【J】．稀有金屬，2006，30(6)：850-856．

【12】魏壽庸，王鼎春，雷家峰，BT22及其改進(jìn)型鈦合金【J】．中國(guó)鈦業(yè)，2007。3：2l一27．

【13】韓棟，張鵬省，毛小南．兩種典型熱處理工藝對(duì)TCl8鈦合金組織性能的影響fJ】．鈦工業(yè)進(jìn)展。2009，26(6)：19-21．

【14】趙永慶，曲恒磊。陳軍．損傷容限鈦合金研究【J】．稀有金屬材料與工程，2008，37(增3)：26—29．

【15】史小云，杜建超。王文盛．鈦合金棒材的組織和性能研究【J】．鈦工業(yè)進(jìn)展，2009，26(2)：28—30．

【16】袁少?zèng)_，毛小南，張鵬省．熱強(qiáng)鈦合金B(yǎng)T25組織與性能【J】．鈦工業(yè)進(jìn)展．2006，23(3)：19—22．2

【17】腸慧麗，魏壽庸，何書(shū)林．改進(jìn)型BT25y鈦合金熱處理工藝對(duì)棒材組織性能的影響【J】．中國(guó)鈦業(yè)，2007，3：36—38．

【18】朱益潘，閔新華，于衛(wèi)敏．鈦合金盤(pán)母鍛盤(pán)件的組織與性能【J】．稀有金屬材料與工程，2008，37(增3)：46-48．

【19】彭艷萍，曾凡昌，王俊杰．國(guó)外航空鈦合金的發(fā)展應(yīng)用及其特點(diǎn)分析【J】．材料工程，1997，10：3-6．

【20】李明怡．航空用鈦合金結(jié)構(gòu)材料．世界有色金屬，2000，6：17—20

【21】張喜燕，趙永慶，白晨光．鈦合金及應(yīng)用．2005

【22】錢(qián)九紅．航空航天用新型鈦合金的研究發(fā)展及應(yīng)用(J】．稀有金屬，2000，3(24)：218-223．

【23】邱惠中，吳志紅．國(guó)外航天材料的新進(jìn)展【J】．宇航材料工藝，1997。27(4)：5-14．