鈦合金具有比強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕性能優(yōu)異等特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于航空、航天、生物醫(yī)學(xué)以及其他工業(yè)領(lǐng)域。鈦合金在飛機(jī)上應(yīng)用可以取得良好的減重效益，能夠滿足軍用飛機(jī)的高機(jī)動、高可靠性以及長壽命的設(shè)計(jì)需要，因而成為制造飛機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的主選材料。飛機(jī)越先進(jìn)，鈦合金使用量越高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，先進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的鈦合金使用量已經(jīng)達(dá)到 10%~40%。例如美國第三代戰(zhàn)機(jī)鈦合金使用量占 27%，第四代戰(zhàn)機(jī) F-22 使用鈦合金高達(dá) 41%，在波音 777 飛機(jī)上鈦合金使用量大約占 11%。

本期介紹的鈦合金包括：

TC4（Ti-6Al-4V）

TC17（Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr）

TC21（Ti-6Al-2Mo-1.5Cr-2Zr-2Sn-2Nb）

化學(xué)成分

來源：崇研·材料數(shù)據(jù)庫

TC4

TC4合金是一種中等強(qiáng)度的α-β型兩相鈦合金，含有6%的α穩(wěn)定元素Al和4%的β穩(wěn)定元素V。該合金具有優(yōu)異的綜合性能，在航空和航天工業(yè)中獲得了最廣泛的應(yīng)用。合金長時(shí)間工作溫度可達(dá)400℃，在航空工業(yè)中主要用于制造發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇和壓氣機(jī)盤及葉片，以及飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的梁、街頭和隔框等重要承力構(gòu)件。

TC4鈦合金的主要半成品是棒材、鍛件、厚板、薄板、型材和絲材等。合金主要在退火狀態(tài)下使用，也可以采用固溶失效處理進(jìn)行一定的強(qiáng)化，然后淬透截面一般不超過25mm.

該合金具有良好的工藝塑性和超塑性，適合于各種壓力加工成形，該合金還可采用各種方式進(jìn)行焊接和機(jī)械加工。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 3620.1，GB/T 2505，AMS 4928N。

應(yīng)用概況：TC4鈦合金在國內(nèi)是20世紀(jì)60年代初期開始研制生產(chǎn)的，現(xiàn)已經(jīng)廣泛用于制造航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)的盤與葉片，以及飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的各種承力梁、框、接頭和緊固件等。

TC17

TC17合金是一種富β穩(wěn)定元素的α-β型兩相鈦合金，其名義成分為Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr。該合金具有強(qiáng)度高、斷裂韌度好、淬透性高和鍛造溫度范圍寬等一系列有點(diǎn)，能夠滿足損傷容限設(shè)計(jì)的需要和高結(jié)構(gòu)效益、高可靠性及低制造成本的要求。

該合金的主要半成品是棒材和鍛件。主要用于制造發(fā)動機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)盤件和大截面的鍛件。通過熱處理可以調(diào)整強(qiáng)度、塑性和韌性的匹配，并能采用各種焊接方式進(jìn)行焊接。TC17合金的最高工作溫度是427℃。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 3620.1，XJ/BS 5127，Q/3B 4023。

應(yīng)用概況：該合金用于制造各種發(fā)動機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)盤件等多種零件。我國從“七五”開始研制TC17鈦合金，已經(jīng)在發(fā)動機(jī)上獲得了實(shí)際應(yīng)用。

TC21

TC21鈦合金是由西北有色金屬研究院研制的一種新型高強(qiáng)、高韌、高損失容限鈦合金，它屬于Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Cr-Nb（-Ni-Si）系兩相鈦合金，具有良好的強(qiáng)度、塑性、斷裂韌性和較低的裂紋擴(kuò)展速率。原材料為TC21合金，其相變?yōu)?50~960℃。原始組織主要由等軸，球狀初生α相，細(xì)小針狀次生α相及β基體組成。

名義成分為Ti-6Al-2Zr-2Sn-2Mo-1.5Cr-2Nb,是目前我國高強(qiáng)高韌鈦合金綜合力學(xué)性能匹配較好的鈦合金之一，可用于航空飛機(jī)的機(jī)翼接頭結(jié)構(gòu)件、機(jī)身與起落架連接框、吊掛發(fā)動機(jī)接頭等部位，以及對強(qiáng)度及耐久性要求高的重要或關(guān)鍵承力部件的制作。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 3620.1。

應(yīng)用概況：TC21合金已經(jīng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室、中試以及工業(yè)化生產(chǎn)，已經(jīng)被用于制造飛機(jī)及發(fā)動機(jī)零部件和結(jié)構(gòu)件。

物理性能

三種鈦合金的基本物理性能如下圖所示：

來源：崇研·材料數(shù)據(jù)庫

耐蝕性

鈦合金的耐蝕性良好，三種鈦合金的耐蝕性沒有明顯的差異。下表為三種鈦合金在腐蝕介質(zhì)中的腐蝕速率。

來源：崇研·材料數(shù)據(jù)庫

雖然鈦合金的耐蝕性優(yōu)良，但是由于在零件服役過程中，會與其他異金屬接觸，產(chǎn)生電偶腐蝕，使得其他金屬產(chǎn)生腐蝕，下表顯示了TC4與其他金屬接觸后，其他異金屬的腐蝕情況。

來源：中國航空材料手冊

使用情況

鈦合金用于制造飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼結(jié)構(gòu)中的各種梁、接頭、隔框和航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇及壓氣機(jī)中的盤件、葉片。其中，TC4鈦合金用于代替30CrMnSiA等結(jié)構(gòu)鋼，可以實(shí)現(xiàn)減輕零件重量約30%。