鈦元素分布比較廣泛，其含量超過(guò)地殼質(zhì)量的0.4%，全球探明儲(chǔ)量約34 億噸，在所有元素中含量居第10 位（氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂、氫、鈦）。美國(guó)科學(xué)家在1910 年采用“鈉法”（鈉還原TiCl4）最早獲得金屬鈦，但是鈦工業(yè)并沒(méi)有隨著鈦的發(fā)現(xiàn)立即得以發(fā)展。直到第二次世界大戰(zhàn)后的1948 年，盧森堡科學(xué)家發(fā)明的“鎂法”（鎂還原TiCl4）在美國(guó)用于生產(chǎn)之后鈦工業(yè)才開始起步。

    鈦比鋼密度小40%，而鈦的強(qiáng)度和鋼的相當(dāng)，這可以提高結(jié)構(gòu)效率。同時(shí)，鈦的耐熱性、耐蝕性、彈性、抗彈性和成形加工性良好。由于鈦具備上述特性，從一出現(xiàn)鈦合金就應(yīng)用于航空工業(yè)[2?3]。1953 年，美國(guó)道格拉斯公司出產(chǎn)的DC-T 機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)防火壁和短艙上首次使用鈦材，開始鈦合金應(yīng)用于航空的歷史。

    航天飛機(jī)是最主要的、應(yīng)用范圍最廣的航空器。鈦是飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料，也是航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)輪盤和葉片等重要構(gòu)件的首選材料，被譽(yù)為“太空金屬”。飛機(jī)越先進(jìn)，鈦用量越多，如美國(guó)F22 第四代機(jī)用鈦含量為41%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），其F119 發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦含量為39%，是目前用鈦含量最高的飛機(jī)。鈦合金研究起源于航空，航空工業(yè)的發(fā)展也促進(jìn)了鈦合金的發(fā)展。航空用鈦合金的研究一直是鈦合金領(lǐng)域中最重要、最活躍的一個(gè)分支，但其發(fā)展也極其艱辛，如人們花費(fèi)十幾年的精力克服航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金的“熱障”問(wèn)題。

    本文作者從合金基體相組成角度對(duì)鈦合金進(jìn)行歸類。以飛機(jī)為航空器的代表，著重介紹鈦合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)機(jī)身、航空緊固件等方面的應(yīng)用研究情況。最后，分析航空用鈦合金發(fā)展過(guò)程中存在的問(wèn)題。

    1 鈦合金的分類

    美、英、俄、法、日等國(guó)鈦合金的分類多為廠家自定，名目繁多。某些公司直接采用元素的化學(xué)符號(hào)和數(shù)字代替所加合金元素及其含量命名， 如Ti-6Al-4V（相當(dāng)于我國(guó)的TC4），各國(guó)牌號(hào)對(duì)照及化學(xué)成分如表1 所列。按相組成鈦合金可分為：密排六方結(jié)構(gòu)（HCP）的α 型鈦合金（包括近α 型合金）—即國(guó)內(nèi)牌號(hào)TA、兩相混合的α+β 型鈦合金—即國(guó)內(nèi)牌號(hào)TC和體心立方結(jié)構(gòu)（BCC）的β 型鈦合金（包括近β 型合金）—即國(guó)內(nèi)牌號(hào)為TB。

    1.1 α 型鈦合金

    退火狀態(tài)以α 鈦為基體的單相固溶體合金為α 型鈦合金，它主要含Al、Sn 等元素。Al 能增加合金的抗拉和蠕變強(qiáng)度，減小鈦合金的密度，提高比強(qiáng)度，是鈦合金中重要的合金元素。為了最大限度地發(fā)揮鋁的固溶強(qiáng)化作用，避免因過(guò)量Al 引起合金脆化，高溫鈦合金的合金化工作應(yīng)遵循ROSENBERG[11]提出的當(dāng)量經(jīng)驗(yàn)公式，只有這樣才能保證合金在提高耐熱強(qiáng)度的同時(shí)保持良好的熱穩(wěn)定性。α 鈦合金中的這些元素通過(guò)在相變溫度下抑制相變或者提高相變溫度而起到穩(wěn)定作用。與β 型鈦合金相比，α 型合金具有良好的抗蠕變性能，強(qiáng)度、可焊性以及韌性，是高溫下使用的首選合金。同時(shí)，α 型合金不存在冷脆性，它也適合在低溫環(huán)境中使用，擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。α型合金鍛造性較差，容易產(chǎn)生鍛造缺陷，可通過(guò)減少每道次加工率和頻繁熱處理來(lái)控制鍛造缺陷。α 基體為穩(wěn)定相，對(duì)于給定成分合金而言，其性能變化主要是晶粒大小的變化，因?yàn)榍?qiáng)度和抗蠕變強(qiáng)度均與晶粒大小、變形時(shí)儲(chǔ)存的能量有關(guān)。α 型鈦合金不能通過(guò)熱處理來(lái)提高強(qiáng)度，退火后強(qiáng)度基本無(wú)變化或少有變化。有些合金含有較多的Al、Sn、Zr 及少量的β 穩(wěn)定元素（一般小于2%）。盡管這些合金中含有β 相，但基體主要由α 相組成，在熱處理敏感性和加工性能上都與α 型合金很接近，被稱為近α 型鈦合金。近α 型合金是在人們認(rèn)識(shí)到采用固溶合金元素強(qiáng)化α 基體可以得到高的蠕變強(qiáng)度基礎(chǔ)上開發(fā)的，大多數(shù)近α 型合金因具有較好的熱穩(wěn)定性，現(xiàn)在已成為高溫鈦合金的重要合金種類。它的強(qiáng)化機(jī)制是β 相中原子擴(kuò)散快，易于發(fā)生蠕變，β 穩(wěn)定元素還有抑制α 相脆化的作用（即延緩α 中形成有序相的過(guò)程）。

    常見的α 型鈦合金（包括近α 型合金）有Ti811（Ti-8Al-1Mo-1V）、Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V、Ti-679（Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.25Si）、BT18（Ti-7.7Al-11Zr-0.6Mo-1Nb-0.3Si）和Ti6242S （Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si）等，其成分和性能如表2 所列。

    1.2 α+β 型鈦合金

    為提高鈦合金的強(qiáng)度和韌性，人們研制出α+β 型鈦合金。與其他鈦合金相比，α+β 合金中同時(shí)加入α穩(wěn)定元素和β 穩(wěn)定元素，使α 和β 相得到強(qiáng)化。α+β合金具有優(yōu)良的綜合性能，如其室溫強(qiáng)度高于α 合金的，熱加工工藝性能良好，可以進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，因此適用于航空結(jié)構(gòu)件。α+β 型鈦合金退火組織為α+β相，β 相含量一般為5%~40%。但其組織不夠穩(wěn)定，使用溫度最高只能到500 ℃，焊接性能和耐熱性低于α 型鈦合金。

    α+β 型鈦合金主要有TC4（Ti-6Al-4V）[26]、TC6（Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si）、TC11（Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si） 、TC17（Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr）、TC19（Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo） 和TC21（Ti-6.2Al-2.8Mo-2Nb-2Sn-2.1Zr-1.3Cr）等。其中TC11 合金也被稱為近β 合金。ZHOU[31]提出了一種TC11 合金加工工藝，先將合金在低于β-轉(zhuǎn)變溫度15°下進(jìn)行熱處理，隨后快速水冷，再經(jīng)過(guò)高溫和低溫增韌強(qiáng)化熱處理，獲得一種新的顯微組織。這種新組織基體由15%等軸α 晶粒、50%~60%層狀α 晶粒和已轉(zhuǎn)變完成的β 晶粒組成。其研究結(jié)果顯示該合金表現(xiàn)出較高的抗疲勞性能，較長(zhǎng)的蠕變疲勞壽命，高韌性和優(yōu)良的高溫服役性能，并且不降低塑性和熱穩(wěn)定性。

    并且對(duì)該新工藝和強(qiáng)韌化機(jī)理的實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行了討論。該加工工藝實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題就是對(duì)溫度的準(zhǔn)確控制。這種TC11 鈦合金加工工藝已應(yīng)用于生產(chǎn)可靠的航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤、旋轉(zhuǎn)子和其他部件。

    1.3 β 型鈦合金

    β 穩(wěn)定元素含量足夠高，且固溶處理后快速冷卻β相保留至室溫得到的合金稱為β 型鈦合金。按照穩(wěn)定狀態(tài)組織類型分類，β 鈦合金可分為穩(wěn)定型β 鈦合金，亞穩(wěn)型β 鈦合金，如圖1 所示。在圖1 中，MS為馬氏體相變溫度線，βC 為亞穩(wěn)型合金的β 穩(wěn)定元素最低含量，βS 為穩(wěn)定型合金β 穩(wěn)定元素最低含量。

    β 鈦合金在固溶狀態(tài)下冷成形性能良好，而且淬透性和熱處理響應(yīng)性也優(yōu)良。常用的熱處理方法是先固溶處理，然后在450~650 ℃時(shí)效，合金原β 基體上會(huì)析出細(xì)小的α 相，形成彌散分布的第二相，這就是β合金的強(qiáng)化機(jī)理。由于β 鈦合金比其他類型鈦合金在時(shí)效時(shí)析出更多的α 相，含有更多的α-β 相界面阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，因此β 鈦合金的室溫強(qiáng)度最高。

    金屬材料在變形和斷裂過(guò)程中吸收能量的能力稱為韌性，材料吸收的能量越多，韌性也就越好。斷裂韌性是表示材料韌性的指標(biāo)，反映材料對(duì)裂紋和其他尖銳缺陷擴(kuò)展的抵抗能力。通常來(lái)說(shuō)，鈦合金的斷裂韌性和強(qiáng)度呈反比趨勢(shì)，即強(qiáng)度提高的同時(shí)斷裂韌性下降。研究β 鈦合金在航空航天工業(yè)的應(yīng)用，需要設(shè)計(jì)同時(shí)具備良好強(qiáng)度和斷裂韌性的顯微組織以及加工工藝和熱處理制度。合金成分和顯微組織是決定β 鈦合金斷裂韌性的兩個(gè)主要因素。合金成分決定合金中β 相的數(shù)量，也決定合金的類型和斷裂韌性。顯微組織的形態(tài)、數(shù)量、體積同樣影響合金斷裂韌性的高低。付艷艷等認(rèn)為β 鈦合金的β 穩(wěn)定元素和中型元素Zr 可以提高合金的強(qiáng)度，降低斷裂韌性。細(xì)小的β晶粒并不能有效提高時(shí)效態(tài)β 鈦合金的強(qiáng)度，會(huì)降低Ti-15-3 合金的斷裂韌性，但對(duì)β-C 和Ti-1023 合金的斷裂韌性無(wú)明顯影響。時(shí)效態(tài)β 鈦合金的強(qiáng)度主要取決于時(shí)效析出的次生α 相的含量和尺寸，在含有同樣初生α 相的情況下，細(xì)小的次生α 相可以顯著提高合金的強(qiáng)度。初生α 相的粗化以及初生相從球狀轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺顣?huì)導(dǎo)致β 鈦合金塑性降低，斷裂韌性提高。β 鈦合金的雙態(tài)組織具有良好的強(qiáng)度、塑性和韌性的匹配。

    β 鈦合金之所以得到廣泛的應(yīng)用，也是因?yàn)槠鋾r(shí)效后具有其他類型的鈦合金無(wú)法比擬的高強(qiáng)度和高塑性優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，β 鈦合金所具有的可熱處理強(qiáng)化性和深淬透能力使得它逐漸代替α+β 兩相鈦合金成為用于飛機(jī)機(jī)身和機(jī)翼的首選結(jié)構(gòu)材料，在航空航天工業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

    2 航空用鈦合金的發(fā)展及應(yīng)用

    20 世紀(jì)50 年代，軍用飛機(jī)進(jìn)入超音速時(shí)代，原有的鋁、鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足新的需求，鈦合金恰恰在這個(gè)時(shí)候進(jìn)入了工業(yè)性發(fā)展階段。鈦合金因密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕、耐高溫、無(wú)磁、可焊、使用溫度范圍寬（-269~600 ℃）等優(yōu)異性能，而且能夠進(jìn)行各種零件成形、焊接和機(jī)械加工，在航空領(lǐng)域很快得到廣泛應(yīng)用。20 世紀(jì)50 年代初期的軍用飛機(jī)上開始使用工業(yè)純鈦制造后機(jī)身的隔熱板、機(jī)尾罩、減速板等受力較小的結(jié)構(gòu)件。20 世紀(jì)60 年代，鈦合金進(jìn)一步應(yīng)用到飛機(jī)襟翼滑軋、承力隔框、中翼盒形梁、起落架梁等主要受力結(jié)構(gòu)件中。到20 世紀(jì)70 年代，鈦合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，又從戰(zhàn)斗機(jī)擴(kuò)大到軍用大型轟炸機(jī)和運(yùn)輸機(jī)，而且在民用飛機(jī)上也開始大量采用鈦合金結(jié)構(gòu)。進(jìn)入20 世紀(jì)80 年代后，民用飛機(jī)用鈦逐步增加，并已超過(guò)軍用飛機(jī)用鈦。飛機(jī)越先進(jìn)，鈦用量越多。表3~5 所列分別為美國(guó)第3 代、第4 代戰(zhàn)斗機(jī)及先進(jìn)轟炸機(jī)、運(yùn)輸機(jī)用鈦材的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、一般飛機(jī)使用的鈦合金種類和空客飛機(jī)鈦合金和復(fù)合材料的用量。由表5 可知，空客A380 飛機(jī)上的鈦材使用量已達(dá)10%，鈦材已經(jīng)成為現(xiàn)代飛機(jī)不可缺少的結(jié)構(gòu)材料。根據(jù)用途不同，可將航空用鈦合金分為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金、飛機(jī)機(jī)身用鈦合金和航空緊固件用鈦合金。近年來(lái)，人們對(duì)航空用鈦合金在上述3個(gè)方面的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究。

    2.1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金

    發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟。發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇、高壓壓氣機(jī)盤件和葉片等轉(zhuǎn)動(dòng)部件，不僅要承受很大的應(yīng)力，而且要有一定的耐熱性。這樣的工況條件對(duì)鋁來(lái)說(shuō)溫度太高；對(duì)鋼來(lái)說(shuō)密度太大。鈦是最佳的選擇，鈦在300~650 ℃溫度下具有良好的抗高溫強(qiáng)度、抗蠕變性和抗氧化性能。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要性能指標(biāo)是推重比[55]，即發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力與其質(zhì)量之比。最早發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比為2~3，現(xiàn)在能夠達(dá)到10。推重比越高，發(fā)動(dòng)機(jī)性能越好。使用鈦合金替代原鎳基高溫合金可使發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量降低，大大提高飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。鈦在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的用量越來(lái)越多。在國(guó)外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫鈦合金用量已占發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量的25%~40%，如第3 代發(fā)動(dòng)機(jī)F100 的鈦合金用量為25%，第4 代發(fā)動(dòng)機(jī)F119 的鈦合金用量為40%。

    航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件要求鈦合金在室溫至較高的溫度范圍內(nèi)具有很好的瞬時(shí)強(qiáng)度、耐熱性能、持久強(qiáng)度、高溫蠕變抗力、組織穩(wěn)定性。β 型和近β 型鈦合金盡管在室溫至300 ℃左右具有高的拉伸強(qiáng)度，但在更高的溫度下，合金的蠕變抗力和耐熱穩(wěn)定性急劇下降，所以β 型鈦合金很少用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。α 型和近α 型鈦合金具有良好的蠕變、持久性能和焊接性，適合于在高溫環(huán)境下使用。α+β 型鈦合金不僅具有良好的熱加工性能，而且在中高溫環(huán)境下還具有良好的綜合性能。因此，α 型、近α 型和α+β 型鈦合金被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)。表6 所列為世界各國(guó)研制的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金。

    目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫鈦合金的最高工作溫度已由350 ℃提高到600 ℃，能夠滿足先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料的需求。經(jīng)過(guò)世界各國(guó)鈦合金研究者半個(gè)世紀(jì)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）、TC19（Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo）、TC21（Ti-6.2Al-2.8Mo-2Nb-2Sn-2.1Zr-1.3Cr）、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）等合金。

    Ti811（Ti-8Al-1Mo-1V）合金具有密度低、彈性模量高、振動(dòng)阻尼性能優(yōu)良、熱穩(wěn)定性好、焊接性能和成型性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，其比剛度是所有工業(yè)鈦合金中最高的。趙永慶等對(duì)Ti811 合金熱穩(wěn)定性[15, 23]和高溫疲勞性能等問(wèn)題進(jìn)行深入研究，研究顯微組織和試樣表面狀態(tài)對(duì) Ti811 合金熱穩(wěn)定性能的影響。結(jié)果表明：具有等軸組織和雙態(tài)組織的Ti811 合金有很好的熱穩(wěn)定性能；針狀組織的存在使 Ti811 合金熱穩(wěn)定性能惡化。此外，研究認(rèn)為Ti811 合金在425 ℃熱暴露下，表面氧化層及暴露時(shí)間對(duì)合金的熱穩(wěn)定性能沒(méi)有明顯影響。高廣睿等利用高頻疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)和自制高溫微動(dòng)疲勞裝置研究溫度、位移幅度、接觸壓力等因素對(duì)Ti811 鈦合金高溫微動(dòng)疲勞（FF）行為的影響。

    結(jié)果表明：在350 ℃和500 ℃的高溫下，Ti811 合金微動(dòng)疲勞敏感性隨著溫度的升高微動(dòng)疲勞的敏感性增強(qiáng)，蠕變是高溫下Ti811 合金FF 失效的重要影響因素，位移幅度變化影響疲勞應(yīng)力因素和磨損在FF 過(guò)程中所起作用和機(jī)制。

    Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V是前蘇聯(lián)20 世紀(jì)60 年代研制成功的一種通用性合金，該合金能夠在300~500 ℃溫度下工作，主要用于生產(chǎn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)匣。OUYANG等[21]在研究Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V 鈦合金不同溫度和應(yīng)變速率下的再結(jié)晶行為方面做了大量工作。研究結(jié)果表明：在變形溫度高于1050 ℃、應(yīng)變速率低于0.01 s?1時(shí)，合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制以不連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶為主；在變形溫度低于1050 ℃、應(yīng)變速率高于0.01s-1 時(shí)，合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制以連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶為主，同時(shí)存在少量的不連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。此外，Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V 合金相變時(shí)的位向關(guān)系與其他鈦合金有所不同，HE 等[19]對(duì)影響該合金相變位向關(guān)系的因素進(jìn)行研究。結(jié)果表明：外部因素（如變形應(yīng)力、應(yīng)變速率和冷卻速率）在β→α 階段轉(zhuǎn)換遵守Burgers 位向轉(zhuǎn)換規(guī)則。然而，應(yīng)變速率和冷卻速率能顯著影響α 沉淀相的形態(tài)。

    Ti-679 合金為低鋁高錫，再添加鋯、鉬、硅等合金元素而得到的，可用作發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)葉片和盤。

    在它的合金元素中，鋁的作用是提高合金強(qiáng)度，但易導(dǎo)致塑形變差，用低鋁高錫配合，可以獲得較好的塑形和強(qiáng)度；鉬的作用是避免形成過(guò)多的β 相，使蠕變強(qiáng)度下降；而鋯的作用是補(bǔ)充強(qiáng)化α 相[18]。Ti-679 合金的抗蠕變性能和熱穩(wěn)定性都比較好，其工作溫度可達(dá)450 ℃。

    TC6 鈦合金的熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性良好，它在高溫下的力學(xué)行為與微結(jié)構(gòu)的變化引起全世界研究者的廣泛關(guān)注。白新房等對(duì)TC6 鈦合金進(jìn)行990 ℃保溫?zé)崽幚恚芯勘剡^(guò)程中氧原子、合金元素分布變化對(duì)內(nèi)表層組織及硬度的影響。結(jié)果表明：在990 ℃熱處理后試樣內(nèi)表層富氧α 層從邊部到基體內(nèi)部顯微硬度呈現(xiàn)低？高？低的變化規(guī)律，在距邊部約55 μm 處達(dá)到最大值449 HV1。內(nèi)表層顯微硬度的變化是由于氧化作用而導(dǎo)致內(nèi)表層合金元素分布變化和氧原子的富集引起的。孫坤等[29]研究4 種典型組織TC6 鈦合金試樣在高應(yīng)變率加載條件（1×103 s-1） 下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為。

    結(jié)果表明：不同組織TC6 鈦合金的流變應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾涌焖僭黾印?/span>

    TC17 鈦合金是一種富β 穩(wěn)定元素的過(guò)渡型兩相鈦合金，該合金在中溫（300~450 ℃）具有抗蠕變性能高，淬透性好、斷裂韌度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇盤、壓氣機(jī)盤。作為兩相鈦合金，TC17可以通過(guò)熱處理調(diào)整其顯微組織，進(jìn)而提高綜合力學(xué)性能[33?35]，其標(biāo)準(zhǔn)熱處理工藝為：（840 ℃，1 h AC）+（800 ℃，4 h WQ）+（630 ℃，8 h ACTC4）。孫曉敏等[37]

    研究激光熔化沉積 TC17 鈦合金原態(tài)及固溶時(shí)效后的顯微組織。結(jié)果表明：當(dāng)固溶溫度從800 ℃升高到 835℃時(shí)，初生α 相體積分?jǐn)?shù)由53%減少到34%，時(shí)效后相片層顯著增粗，寬0.7~0.8 μm，次生α 相含量伴隨固溶溫度升高逐漸增多。TC19 鈦合金是20 世紀(jì)美國(guó)開發(fā)的一種富β 的α+β 型鈦合金，是在Ti-6242 合金（Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo）基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，是一種高強(qiáng)度高韌性鈦合金。與Ti-6242 合金相比，TC19 鈦合金提高M(jìn)o 含量，使室溫和高溫拉伸性能得到改善。而Sn 和Zr 的加入，使該合金的相變行為變得非常緩慢。朱寶輝等研究不同鍛造工藝制備的TC19 鈦合金棒材。結(jié)果表明：常規(guī)鍛造工藝和高？低？高鍛造工藝均可用來(lái)鍛造TCl9 合金棒材，但采用高低高鍛造工藝得到的棒材的力學(xué)性能優(yōu)于常規(guī)鍛造工藝。

    TC21 合金是我國(guó)自行研制的具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型兩相高強(qiáng)韌鈦合金，在航空、航天領(lǐng)域作為重要的結(jié)構(gòu)材料使用。人們對(duì)該合金的冷卻速度、熱處理和組織性能的關(guān)系先后展開了較多研究。王義紅等提出：當(dāng)冷卻速率大于122 e/s 時(shí)，β 相轉(zhuǎn)變形成正交馬氏體，冷卻速率介于122~3 ℃/s 之間時(shí)，發(fā)生塊狀轉(zhuǎn)變，冷卻速率繼續(xù)降低，相變由擴(kuò)散控制，形成兩種不同形貌的魏氏體片層。宋穎剛等的研究結(jié)果表明：TC21 鈦合金表面經(jīng)噴丸強(qiáng)化后，在表層形成一個(gè)彈塑性變形層。強(qiáng)化過(guò)程中由于密排六方晶體的基面、柱面和錐面滑移系的開動(dòng)造成位錯(cuò)密度升高，A 相中位錯(cuò)形貌呈現(xiàn)網(wǎng)狀；強(qiáng)化前納米壓痕硬度為3.2 GPa，強(qiáng)化后為6.7 GPa，提高1 倍以上。在強(qiáng)化層內(nèi)形成很高的宏觀殘余壓應(yīng)力，并且表現(xiàn)為由表面向里逐漸減少的梯度變化。強(qiáng)化層深度達(dá)到370 μm。

    宮旭輝等研究TC21 鈦合金的高溫動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)行為。結(jié)果表明：當(dāng)應(yīng)變速率為0.001 和0.05 s-1 的屈服應(yīng)力、溫度曲線存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)，且轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度隨應(yīng)變速率的增大而升高；當(dāng)溫度低于轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度時(shí)，相同氧含量的TC21 鈦合金和多晶純鈦的屈服應(yīng)力具有相似的溫度相關(guān)性。曲恒磊等對(duì)TC21 鈦合金進(jìn)行應(yīng)變速率為0.01~50 s-1、溫度為973~1373 K 的壓縮試驗(yàn)后得出結(jié)論，在試樣的不同部位存在變形組織的不均勻現(xiàn)象，該合金在不同溫度區(qū)域變形時(shí)分別發(fā)生重結(jié)晶和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。重結(jié)晶導(dǎo)致晶粒粗化（尺寸約100~200 μm）。而動(dòng)態(tài)再結(jié)晶導(dǎo)致晶粒細(xì)化（最小尺寸為1~2 μm）。

    以上幾種合金為常規(guī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金，其使用溫度均在650 ℃以下。目前實(shí)用性能耐熱鈦合金是Ti1100 和IMI834，它們已經(jīng)分別應(yīng)用于EJ2000 和55?712 改型發(fā)動(dòng)機(jī)。由于“鈦火”事故的出現(xiàn)，阻燃鈦合金越來(lái)越受到人們的關(guān)注。美、俄等國(guó)進(jìn)行了阻燃性能良好新型鈦合金的研制。由美國(guó)普惠公司研制的高強(qiáng)阻燃鈦合金Alloy C，已用作F119 發(fā)動(dòng)機(jī)的矢量噴口零件， 該合金的名義成分為Ti-35V-15Cr（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%），合金中含大量昂貴金屬釩，再加上Alloy-C 合金鑄錠熱變形工藝要采用一些專用設(shè)備，進(jìn)一步提高了材料價(jià)格。俄國(guó)對(duì)成本較低的Ti-Cu 合金進(jìn)行了研究，并報(bào)導(dǎo)了BT25 和BT36合金。中國(guó)科研工作者對(duì)前人的發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金研究工作進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)總結(jié)和中肯評(píng)價(jià)。

    2.2 飛機(jī)機(jī)身用鈦合金

    飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)要求所用合金熱強(qiáng)度、比強(qiáng)度好，而機(jī)身則要求合金在中等溫度下具備強(qiáng)度好、耐腐蝕、質(zhì)輕等優(yōu)良特性。鈦合金能很好的達(dá)到這些要求，采用鈦合金做機(jī)身材料有以下5 方面優(yōu)勢(shì)：1） 替代鋼和鎳基高溫合金可大大降低飛機(jī)質(zhì)量。高推重比讓鈦合金能夠替代強(qiáng)度稍好的鋼而用于飛機(jī)零部件中。2） 能夠滿足飛機(jī)強(qiáng)度要求。與鋁合金相比，60%左右質(zhì)量的鈦合金即可達(dá)到相同的強(qiáng)度。在使用溫度超過(guò)130℃時(shí)，鈦合金能取代鋁合金，因?yàn)檫@一溫度是傳統(tǒng)鋁合金的極限適用溫度。3） 耐腐蝕性良好。大部分飛機(jī)支撐機(jī)構(gòu)在廚房、廁所下面，很容易產(chǎn)生腐蝕，鈦合金不需要表面防腐涂層或者鍍膜。4） 與聚合物復(fù)合材料電化學(xué)相容性好。5） 空間的限制，替代鋼和鋁合金。

    因空間限制而使用鈦合金的典型例子是波音747 的鈦合金起落架梁。這種梁是最大的鈦合金鍛件，盡管其他合金（比如7075 鋁合金）成本更低，但承載需要質(zhì)量時(shí)，鋁合金起落架體積超出機(jī)翼范圍而不符合要求。鋼的強(qiáng)度足可以承載質(zhì)量，但它會(huì)使飛機(jī)質(zhì)量大大增加。圖2 所示是波音777 飛機(jī)機(jī)身使用材料示意圖。

    在飛機(jī)機(jī)身中應(yīng)用較廣泛的鈦合金有β-21S（Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si）、Ti-10-2-3（Ti-10V-2Fe-3Al）、Ti-15-3（Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn）、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr等。BOYER曾就鈦合金在機(jī)身的應(yīng)用情況進(jìn)行過(guò)總結(jié)，本文作者僅討論前兩種合金

    β-21S（Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.25Si） 合金是美國(guó)Timet 公司為國(guó)家航天飛機(jī)開發(fā)的，可制成帶材，具有抗氧化性，可作為復(fù)合材料來(lái)使用。它具有較好的高溫特性，并比Ti-6-4 具有更好的抗蠕變性能（一般β合金在高溫環(huán)境下抗蠕變性并不好）。β-21S 已被波音和P&W 用在瞬時(shí)650 ℃的高溫環(huán)境，它的持續(xù)工作溫度是480~565 ℃[66]。β-21S 合金的突出優(yōu)點(diǎn)在于它可以較好地抗高溫液壓機(jī)液體腐蝕。這種液壓機(jī)液體是一種少數(shù)能在航天環(huán)境下腐蝕鈦合金的物質(zhì)，在超過(guò)130 ℃時(shí)會(huì)分解并形成一種含有機(jī)金屬的磷酸，會(huì)腐蝕鈦合金，更重要的是會(huì)使含有大量氫的發(fā)動(dòng)機(jī)泵產(chǎn)生嚴(yán)重的脆裂。β-21S 是唯一一種能抵抗這種腐蝕劑的金屬，這是因?yàn)?beta;-21S 含有鉬和鈮，可用于引擎機(jī)艙和噴射引擎部位（原先使用鋼或鎳基合金）。此外，β-21S 可減少質(zhì)量，用于制造波音777 的3 種引擎（P&W4084，GE90 和Trent800）中的噴嘴、塞子、蒙皮和各種縱梁結(jié)構(gòu)，這些可以為每架飛機(jī)減少質(zhì)量74 kg。

    Ti-10-2-3（Ti-10V-2Fe-3Al）是迄今為止應(yīng)用最為廣泛的一種高強(qiáng)韌近β 鈦合金，最早也由美國(guó)Timet 公司在1971 年研制而成。它是一種為適應(yīng)損傷容限性設(shè)計(jì)原則而產(chǎn)生的高結(jié)構(gòu)效益、高可靠性和低成本的鍛造鈦合金，V 和Fe 為主要的β 穩(wěn)定元素。為了提高合金的鍛造性能和斷裂韌性，F(xiàn)e 的含量低于2%，O 的含量限制在0.13%以下。該鍛件抗拉強(qiáng)度可達(dá)1190MPa，為滿足不同需求采取不同加工方法和熱處理工藝，用Ti-10-2-3 可為每架飛機(jī)減少質(zhì)量270 kg。波音公司生產(chǎn)飛機(jī)時(shí)選擇高強(qiáng)度合金并最大限度減少質(zhì)量，該鈦合金是波音777 中用量最大的β 鈦合金，該種飛機(jī)起落架幾乎全部由該合金制成，僅內(nèi)、外氣缸和輪軸由4340 M 制成（強(qiáng)度為1895 MPa）。空客A380 的主起落架支柱也是采用的Ti-10-2-3 合金。該合金還具有很好的抗疲勞性能，還能消除用鋼時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕開裂。McDonnell Douglas 采用Ti-10-2-3（1105 MPa）制成貨艙門、引擎機(jī)艙、尾翼以及C-17 運(yùn)輸機(jī)的其他部分。Ti-10-2-3 在疲勞強(qiáng)度方面的優(yōu)勢(shì)也使其廣泛應(yīng)用于直升機(jī)。Bell，Westland，Sikorsky 和Eurocopter 等公司都采用Ti-10-2-3 合金做他們的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。

    2.3 航空緊固件用鈦合金

    不論軍民用飛機(jī)還是航天器上，除了金屬構(gòu)件還有很多碳纖維復(fù)合材料。鈦與碳纖維復(fù)合材料的電極電位相近，鈦合金又成為復(fù)合材料惟一的連接材料。

    因此，隨著先進(jìn)軍民用飛機(jī)鈦合金和復(fù)合材料用量的不斷增加，對(duì)鈦合金緊固件的需求日益加大。鈦合金用作航空緊固件，至少具備以下4 點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：1） 減重效果好。俄羅斯的一架伊爾-96 飛機(jī)用緊固件14.2萬(wàn)件，可減少質(zhì)量近600 kg。我國(guó)航空航天系統(tǒng)鈦合金緊固件的使用也有明顯的減重效果。飛機(jī)和航天器減少質(zhì)量后，可以提高推力、增加射程、節(jié)省燃料、減少發(fā)射費(fèi)用等。2） 鈦合金優(yōu)異的耐腐蝕性能，尤其是它正電位與碳纖維復(fù)合材料匹配，可以有效防止緊固件發(fā)生電偶腐蝕。3） 在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，緊固件部位因溫度較高，不能采用鋁合金，只能使用鈦合金。4） 鈦具有良好彈性和無(wú)磁，對(duì)于防止緊固螺栓的松動(dòng)和防磁場(chǎng)干擾至關(guān)重要。

    現(xiàn)代飛機(jī)采用多種鈦合金緊固件主要有普通鈦螺栓、干涉螺栓、特種緊固件等。美國(guó)、法國(guó)等航空發(fā)達(dá)國(guó)家， 95% 以上的鈦合金緊固件都采用Ti-6Al-4V（TC4）材料制造[71]。除此之外，還有TB2、βIII、Ti-44.5、Ti-15-3（TB5）、TB8 和TB3，其典型性能參數(shù)如表7 所列。

    Ti-6Al-4V（TC4）合金β 穩(wěn)定系數(shù)最低，為0.27。它的優(yōu)點(diǎn)是密度最低，強(qiáng)度和疲勞性能良好，合金成分簡(jiǎn)單，半成品成本最低。但由于室溫塑性沒(méi)有達(dá)到足夠高，所以加工緊固件時(shí)需要采用感應(yīng)加熱進(jìn)行熱鐓成形，以及真空固溶處理和時(shí)效處理加工成本較高。TB2、TB3、TB8 和TB16 為亞穩(wěn)型β 鈦合金，β 穩(wěn)定系數(shù)均比合金高，缺點(diǎn)是密度較高，強(qiáng)度雖與Ti-6Al-4V 相當(dāng)，但疲勞性能不如Ti-6Al-4V，而且成分復(fù)雜，半成品成本高。由于同樣需要進(jìn)行真空時(shí)效處理，所以成品緊固件的成本還要高于Ti-6Al-4V。

    3 存在的問(wèn)題與前景展望

    鈦是一種性能優(yōu)異而又儲(chǔ)量豐富的金屬，有“現(xiàn)代金屬”的美稱，經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，鈦合金制備技術(shù)和應(yīng)用研究都取得了很大進(jìn)展，在航空領(lǐng)域中尤其得到廣泛的應(yīng)用。但存在的一些問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)，航空用鈦合金進(jìn)一步發(fā)展面臨著不小的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在以下3 個(gè)方面：

    1） 用量方面。不論是軍民用飛機(jī)或航空器中，鈦合金用量高低直接反應(yīng)出一個(gè)國(guó)家的航空水平。目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦用量都較低，要進(jìn)一步提高至50%左右，其難度仍相當(dāng)大。

    2） 性能方面。與其他航空結(jié)構(gòu)材料一樣，高性能是要求具有良好的性能匹配，即必須綜合考慮其力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能、工藝性能和缺陷的可控性。現(xiàn)有的鈦合金在600℃以上，蠕變抗力和高溫抗氧化性的急劇下降是限制鈦合金擴(kuò)大應(yīng)用的兩大主要障礙。本文作者認(rèn)為，在整個(gè)航空鈦合金技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用過(guò)程中，新的制造技術(shù)將會(huì)是開發(fā)和研究的重點(diǎn)，如超塑成形等近凈型加工、粉末冶金成型法等。

    3） 成本方面。目前人們?cè)诮档统杀竞娇这伜辖鸱矫骐m然取得了一些成就，但仍有許多領(lǐng)域有待研究和開發(fā)。以阻燃鈦合金為例，美國(guó)發(fā)明的Alloy-C 雖然具有優(yōu)良的阻燃特性和高溫力學(xué)性能，但由于它需要添加大量昂貴的V 和較差的可鍛性而導(dǎo)致價(jià)格很高，因此只有在F119 發(fā)動(dòng)機(jī)中正式應(yīng)用。由于管理和技術(shù)落后等原因，國(guó)內(nèi)鈦合金產(chǎn)品價(jià)格在國(guó)際上競(jìng)爭(zhēng)力差，在國(guó)內(nèi)不利于進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用。因此，首先必須認(rèn)真研討降低鈦產(chǎn)品成本的途徑，確定近、中、長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃。其次，我國(guó)應(yīng)建立自己的鈦合金體系，確保每一用途有多種合金備選，逐步擺脫航空關(guān)鍵材料對(duì)國(guó)外的長(zhǎng)期依賴，形成主干材料或通用材料，從根本上為實(shí)現(xiàn)低成本制造奠定基礎(chǔ)。最后，用價(jià)格較低的元素取代貴的合金元素，通過(guò)工藝途徑降低鈦合金零部件的成本，是今后鈦合金研究工作中的重要課題。

    綜上所述，鈦合金推重比大、韌性高、強(qiáng)度和可焊接性好，是一種綜合性能優(yōu)良的航空材料。在過(guò)去幾十年中，航空用鈦合金的合金化理論、綜合強(qiáng)韌化技術(shù)和熱處理工藝均得到了很大發(fā)展。目前，鈦合金的研究主要集中在高溫下熱穩(wěn)定性、蠕變抗力和低成本的鈦合金設(shè)計(jì)及制造工藝等方面。隨著研究的深入，將以航空高端應(yīng)用帶動(dòng)鈦合金低成本加工的技術(shù)進(jìn)步，從而在根本上突破制約航空用鈦合金用量和應(yīng)用水平提升的成本瓶頸。全鈦制造的飛機(jī)也許在不遠(yuǎn)的將來(lái)即會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。

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