鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、熱強(qiáng)性好、無磁以及生物相容性好等優(yōu)良特性，已被廣泛應(yīng)用于航空、航天、艦船、化工、冶金及生物醫(yī)用等領(lǐng)域。根據(jù)合金本身特性及應(yīng)用狀況的不同，鈦合金可分為高強(qiáng)鈦合金、損傷容限鈦合金、高溫鈦合金、低溫鈦合金、耐蝕船用鈦合金、低成本鈦合金、醫(yī)用鈦合金等幾大類。中國(guó)鈦工業(yè)經(jīng)過60年的發(fā)展已取得舉世矚目的成績(jī)，海綿鈦和鈦加工材產(chǎn)量都已居于世界前列，并形成了完整的研發(fā)與生產(chǎn)體系。

近二十年，我國(guó)開發(fā)成功的新型鈦合金超過30種，本工作將對(duì)主要的新型鈦合金研發(fā)現(xiàn)狀與進(jìn)展進(jìn)行介紹。

1、高強(qiáng)及損傷容限鈦合金

高強(qiáng)及損傷容限鈦合金最初主要是針對(duì)航空飛行器的應(yīng)用而研發(fā)的。20世紀(jì)60年代以來，航空飛行器除向高速、高機(jī)動(dòng)的方向發(fā)展，高可靠性和長(zhǎng)壽命成為其越來越重要的發(fā)展方向，飛機(jī)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則從早期的疲勞安全壽命設(shè)計(jì)發(fā)展到現(xiàn)今的耐久性/損傷容限設(shè)計(jì)［1，2］。這種變化對(duì)材料的損傷容限性提出更高要求，因此飛機(jī)構(gòu)件的選材必須在強(qiáng)度、塑性基礎(chǔ)上，綜合考慮斷裂韌度、抗疲勞性能、比強(qiáng)度、壽命期成本等多方面性能。在這種需求的推動(dòng)下，具有高斷裂韌度、高強(qiáng)度、低裂紋擴(kuò)展速率的高強(qiáng)及高損傷容限性鈦合金越來越受到重視［3］。國(guó)內(nèi)自主研發(fā)并獲得應(yīng)用的高強(qiáng)及損傷容限鈦合金主要有高強(qiáng)高韌損傷容限TC21合金、中強(qiáng)高韌損傷容限TC4-DT合金、超高強(qiáng)Ti-1300合金、超高強(qiáng)Ti-26合金四種，同時(shí)也研制出高強(qiáng)Ti-B20和TB10合金，高強(qiáng)韌BTi-6554合金、超高強(qiáng)Ti-7333合金等。

1.1 高強(qiáng)鈦合金Ti-1300

Ti-1300合金是一種高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鈦合金，為Ti-Al-Mo-V-Cr-Zr系。合金具有性能可調(diào)范圍寬、強(qiáng)塑性及強(qiáng)韌性匹配優(yōu)良的特點(diǎn)，用于結(jié)構(gòu)件時(shí)強(qiáng)度可達(dá)1300MPa［4］。

高強(qiáng)鈦合金通常指室溫強(qiáng)度大于1000MPa的鈦合金，主要用于飛行器及先進(jìn)裝備的結(jié)構(gòu)件。Ti-1023和BT-22鈦合金是目前應(yīng)用最多的商業(yè)高強(qiáng)鈦合金，一般在1000～1200MPa的強(qiáng)度水平，斷裂韌度大多在45～60MPa·m^1/2之間使用，很難進(jìn)一步提高其強(qiáng)韌性匹配［5～8］。然而，航空飛行器的發(fā)展對(duì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鈦合金的韌性、疲勞性能及淬透性提出了更高的要求，最近幾年，國(guó)外對(duì)適于飛行器結(jié)構(gòu)件具有更高強(qiáng)度級(jí)別的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鈦合金的研究非常重視。其代表性的合金是美國(guó)TIMET公司開發(fā)出的Ti-5553(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.4Fe)和俄羅斯VSMPO公司開發(fā)的Ti-55531(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr)合金［9～11］。Ti-1300合金應(yīng)用目標(biāo)同Ti-5553合金近似。該合金以高強(qiáng)結(jié)構(gòu)件為應(yīng)用目標(biāo)時(shí)，一般在合金的β相變點(diǎn)以下進(jìn)行固溶+時(shí)效(STA)處理，以保證合金的強(qiáng)塑性匹配［12，13］。然而，出于提高結(jié)構(gòu)服役可靠性和壽命的需要，也開發(fā)出β退火后緩慢冷卻+時(shí)效(BASCA)熱處理，該狀態(tài)強(qiáng)度略低但具有更高的損傷容限特性［14］。這兩種狀態(tài)下的典型組織如圖1所示。表1中列出的是Ti-1300鈦合金不同規(guī)格棒材熱處理后的性能，經(jīng)不同熱處理后，合金的性能有較大的調(diào)整范圍，為合金在不同領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。目前，該合金已經(jīng)成功應(yīng)用。大規(guī)格棒材用于彈體結(jié)構(gòu)件，小規(guī)格棒材用于彈簧及緊固件［15］。

1.2 損傷容限鈦合金

目前較為典型的損傷容限鈦合金有兩種，一種是高強(qiáng)高韌損傷容限鈦合金TC21，一種是中強(qiáng)高韌損傷容限鈦合金TC4-DT。

TC21合金是我國(guó)研制的第一個(gè)高強(qiáng)高韌損傷容限鈦合金［16］，其名義成分為Ti-6Al-2Sn-2Zr-2.5Mo-2Nb-1.5Cr-xSi。合金室溫強(qiáng)度可達(dá)1100MPa以上，斷裂韌度不低于70MPa·m^1/2［17］，強(qiáng)度、斷裂韌度、裂紋擴(kuò)展抗力、熱穩(wěn)定性的綜合匹配方面不低于Ti-1023合金，與美國(guó)的Ti-62222S合金相當(dāng)甚至更優(yōu)。該合金經(jīng)過“十五”、“十一五”期間的研究，已在飛機(jī)上獲得應(yīng)用，成為新型戰(zhàn)機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。目前，可生產(chǎn)最大直徑為φ450mm的TC21鈦合金棒材。棒材典型室溫力學(xué)性能為Ｒm≥1100MPa，Ｒp0.2≥950MPa，A5≥8%，Z≥20%，KIC≥70MPa·m^1/2，da/dN≤2×10－5mm/cycle。合金一般使用狀態(tài)的組織為網(wǎng)籃狀或三態(tài)組織。

TC21合金采用準(zhǔn)β鍛造技術(shù)［18］、近β鍛造技術(shù)，以獲得網(wǎng)籃組織或三態(tài)組織，實(shí)現(xiàn)高的斷裂韌度及低的裂紋擴(kuò)展速率，即達(dá)到控制組織滿足損傷容限的目的。目前有學(xué)者在進(jìn)行TC21合金新的成形技術(shù)的研究，如昝林等［19］研究合金的激光成形工藝，趙文娟等［20］研究合金的超塑性成形等。

TC4-DT合金是在TC4ELI合金基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其性能與Ti-6Al-4VELI相當(dāng)［21～23］。該合金具有中等強(qiáng)度(Ｒm≥825MPa)、高斷裂韌度(KIC≥90MPa·m^1/2)、高損傷容限和長(zhǎng)疲勞壽命等綜合性能匹配的特點(diǎn)。和其他中等強(qiáng)度鈦合金相比，在強(qiáng)度、塑性水平相當(dāng)?shù)臈l件下，TC4-DT具有相當(dāng)高的斷裂韌度和抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力，已是我國(guó)新型飛機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。TC4-DT的合金成分范圍比美國(guó)的Ti-6A1-4VELI控制更嚴(yán)格，具體為Al6.0～6.35，V3.6～4.4，F(xiàn)e≤0.25，C≤0.05，O≤0.13，N≤0.03，H≤0.0125，Ti余量。目前TC4-DT鈦合金已批量化生產(chǎn)，試生產(chǎn)的最大棒材直徑為φ650mm。不同規(guī)格棒材的性能穩(wěn)定(表2)。熱處理后的典型微觀組織見圖2，為β轉(zhuǎn)+等軸α組織，保證合金具有良好的綜合性能。同時(shí)，也研制出40～80mm厚、2500mm寬的寬幅厚板和1～10mm厚、1500mm寬的薄板，合金的板材的性能達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)要求。

2、高溫鈦合金

高溫鈦合金是隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需求而發(fā)展的，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升，要求鈦合金的服役溫度更高。20世紀(jì)50年代最早用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的Ti-6A1-4V合金服役溫度一般不超過350℃。目前，代表常規(guī)高溫鈦合金發(fā)展最高水平的合金分別是英國(guó)的IMI834、美國(guó)的Ti-1100及俄羅斯的BT36，其最高使用溫度最可達(dá)到600℃［24～27］。高溫鈦合金不但具有良好的高溫強(qiáng)度，還應(yīng)具備優(yōu)異的高溫蠕變、持久、疲勞等綜合性能以滿足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料的需求。近二十年來，國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的高溫鈦合金主要有550℃用Ti55，Ti633G，Ti53311S，600℃用的Ti60合金［28～33］、Ti600合金［34～36］及TG6合金［37］等。

我國(guó)高溫鈦合金的研制采取的是仿制、改造+創(chuàng)新的方式。Ti-633G是我國(guó)首次自主研發(fā)的添加稀土元素的550℃高溫鈦合金。合金中加入稀土元素Gd，其活性高，熔煉過程內(nèi)氧化形成彌散分布的富Gd第二相，細(xì)化鑄錠的晶粒尺寸，改善合金的熱加工性，并提高了合金的熱穩(wěn)定性。Ti55合金中添加的稀土元素Nd起到類似的作用。下面主要介紹Ti60和Ti600鈦合金。另外，TG6合金是在IMI834合金基礎(chǔ)上，研制出的一種新型高溫合金，由該合金制備出的模鍛件具有良好的力學(xué)性能。

2.1 Ti60鈦合金

Ti60鈦合金是自20世紀(jì)90年代末開始研制的一種近α型600℃高溫鈦合金，是在Ti55合金的基礎(chǔ)上進(jìn)行成分優(yōu)化而來的，其名義成分為Ti-6Al-2Zr-4.8Sn-1Mo-0.35Si-0.85Nd。隨著研究深入，獲悉元素Nd形成的稀土氧化物分布會(huì)降低合金的疲勞等使用性能。為了解決這個(gè)問題，該合金的成分不斷調(diào)整，吸收IMI834等高溫鈦合金設(shè)計(jì)理念后，其最終確定的名義成分為Ti-5.8Al-3.5Zr-4.0Sn-0.4Mo-1.0Ta-0.4Nb-0.4Si-0.06C。目前，該合金已進(jìn)入工程化階段，制備出直徑300mm大規(guī)格棒材，表3為該合金的主要力學(xué)性能。

2.2 Ti600鈦合金

Ti600合金是在“九五”期間開始研制的600℃高溫鈦合金。合金以美國(guó)的Ti-1100為基礎(chǔ)合金，使用一般認(rèn)為對(duì)鈦合金有害的元素Y提高合金的高溫性能，尤其是蠕變性能。測(cè)試結(jié)果表明，在760℃條件下，Ti600合金的熱疲勞壽命超過Ti6242合金30%，超過IMI834合金20%。該合金制備的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣閥已提交給國(guó)外某公司用于新型跑車發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)。合金的優(yōu)化改進(jìn)仍在進(jìn)行［38］，合金鑄態(tài)組織經(jīng)熱等靜壓處理后也具備較好的性能(表4)。

3、阻燃鈦合金

常規(guī)鈦合金作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料使用時(shí)，在一定條件下可能會(huì)發(fā)生快速氧化燃燒，引發(fā)“鈦火”故障，從而造成重大事故。為了解決這個(gè)問題并滿足高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需要，各國(guó)開展了高溫阻燃鈦合金的研制。美、俄等國(guó)從20世紀(jì)70年代就積極開展鈦燃燒問題的研究，并先后研制成功各自的阻燃鈦合金。美國(guó)研發(fā)的AlloyC(Ti-35V-15Cr)是 一種高穩(wěn)定化的β鈦合金，該合金具有良好的阻燃性能和力學(xué)性能，已在F119發(fā)動(dòng)機(jī)中得到實(shí)際應(yīng)用［39］。俄羅斯研發(fā)的Ti-Cu-Al系阻燃鈦合金B(yǎng)TT-1和BTT-3仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。英國(guó)研制的Ti-25V-15Cr-2Al-xC阻燃合金已處于工程化研制階段。

我國(guó)研制的Ti40阻燃鈦合金的名義成分為Ti-25V-15Cr-0.2Si，國(guó)標(biāo)中命名為TB12。Ti40鈦合金經(jīng)過十余年的研究，已取得一系列成果［40～44］，掌握了高質(zhì)量鑄錠制備、大規(guī)格鑄錠開坯、大規(guī)格棒材鍛造、環(huán)材軋制等關(guān)鍵技術(shù)，制備出大規(guī)格棒材和環(huán)件。采用摩擦點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試表明，Ti40合金在具有良好阻燃性能［45］(圖3)的同時(shí)具有優(yōu)良的力學(xué)性能(表5)。

目前Ti40合金主要目標(biāo)是用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)機(jī)匣，以后還將應(yīng)用于其他部位。

4、低溫鈦合金

發(fā)達(dá)國(guó)家早在20世紀(jì)60年代就著手研究低溫鈦合金，相繼研發(fā)了多種用途的低溫鈦合金。前蘇聯(lián)在低溫鈦合金研制應(yīng)用方面居世界領(lǐng)先水平，其早期研制的α鈦合金OT4，OT4-1，BT5-1KT和ПT-3BKT等已在航天火箭技術(shù)裝備中大量應(yīng)用。歐美國(guó)家也根據(jù)自身需求開發(fā)了低溫鈦合金材料，如Ti5Al-2.5SnELI，Ti6Al-4VELI和Ti-6Al-3Nb-2Zr合金等。近年來，日本研制了LT700(Ti-3Al-5Sn-1Mo-0.2Si)低溫鈦合金，用于制作液氫渦輪泵。

隨著我國(guó)航天技術(shù)的發(fā)展，航天液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)正向著大推力、高可靠、可重復(fù)使用的方向發(fā)展。液體氫、氧作為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)是目前使用的最先進(jìn)無污染的動(dòng)力裝置。為提高發(fā)動(dòng)機(jī)推質(zhì)比，需選用質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高的鈦合金制造發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，國(guó)內(nèi)相繼采用鈦合金制作液氫貯箱等容器。CT20鈦合金是國(guó)內(nèi)目前唯一獲得應(yīng)用的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低 溫鈦合金［46］，－253℃性能較Ti-6Al-4VELI和Ti-5Al-2.5SnELI更好。

CT20合金是一種液氫管路系統(tǒng)用的低溫鈦合金。CT20鈦合金具有良好的加工性，易于加工制造管材，冷成形和焊接性能優(yōu)良。表6中列出了CT20鈦合金不同類型產(chǎn)品的室溫及低溫性能，20K下抗拉強(qiáng)度高達(dá)1100MPa以上，斷后伸長(zhǎng)率在10%以上。已成功研制出該合金的管材、餅、棒材和焊絲等產(chǎn)品，采用冷彎成形成功制備出CT20液氫管路用彎管并制成組件，在發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了應(yīng)用。隨著后續(xù)氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制的不斷深入，對(duì)CT20合金管材提出更高的使用要求，學(xué)者們開展系統(tǒng)管路用小彎曲半徑(Ｒ=1D)彎管的熱推制成形工藝研究，解決等壁厚、小彎曲半徑CT20合金彎管的成形技術(shù)，滿足氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)液氫管路的需求。

5、船用鈦合金

艦船及其設(shè)備需要長(zhǎng)期浸泡在海水和海洋大氣環(huán)境中，使用環(huán)境對(duì)合金提出耐腐蝕性能高、壽命長(zhǎng)、承載大、安全可靠等特殊要求，鈦及其合金的特性滿足艦船用材的各種要求，具備在艦船上應(yīng)用的諸多優(yōu)越性，被稱為“海洋金屬”。鈦及其合金在艦船上的主要應(yīng)用部位有:耐壓殼體、螺旋槳、管道系統(tǒng)、動(dòng)力裝置、聲納系統(tǒng)等部位。我國(guó)船用鈦合金工 業(yè)起步于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其研究、制造水平有很大提高，并初步形成船用鈦合金體系。目前已應(yīng)用的自主研制船用鈦合金牌號(hào)有:Ti31(635MPa級(jí))、Ti75(730MPa級(jí))、Ti631(785MPa級(jí))和Ti80(880MPa級(jí))，基本是在“七五”和“八五”期間研制成功的。近二十年中，研發(fā)的船用鈦合金主要包括Ti91，Ti70和Ti-B19等。

5.1 Ti91鈦合金

Ti91鈦合金是在20世紀(jì)90年代開始研制的一種新型中強(qiáng)透聲近α型鈦合金。該合金具有中等強(qiáng)度、高塑性、良好的透聲性能、冷成形性能、可焊性及耐海水腐蝕等性能的良好匹配。Ti91合金的綜合性能(表7)明顯優(yōu)于等強(qiáng)度合金TC1和TA5。該合金最大的特點(diǎn)是:聲學(xué)性能優(yōu)良，1～4mm板材厚度的透聲系數(shù)大于96%，適于艦船聲納導(dǎo)流罩等聲學(xué)探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用。

5.2 Ti-B19合金

Ti-B19合金是在“九五”期間設(shè)計(jì)研制的一種新型高強(qiáng)高韌耐蝕近β鈦合金。該合金具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性、較高的斷裂韌度、可焊性及耐海水腐蝕、沖刷腐蝕和應(yīng)力腐蝕等綜合性能［47，48］。

Ti-B19合金主要技術(shù)性能要求如下:

(1)力學(xué)性能(時(shí)效狀態(tài)下):Ｒm≤1250MPa，Ｒp0.2≥1150MPa，A5≥6%，KIC≥70MPa·m^1/2。

(2)耐海水腐蝕性能:在60℃海水中，均勻腐蝕率≥0.0001mm/a;10m/s流速下，沖刷腐蝕速率≤0.003mm/a;KISCC/KIC≥0.8。

(3)合金可焊性良好:焊接系數(shù)≥0.8(20mm厚度以下，焊后熱處理)。

(4)Ti-B19合金具有良好的加工性，可生產(chǎn)各種規(guī)格的棒、板、絲、餅等，并且焊接性能、工藝性能良好。已鍛制出性能達(dá)標(biāo)的φ230mm×110mm餅材、φ10mm/φ230mm×2000mm筒體、φ410mm/φ230mm×560mm模擬體(圖4)和φ320mm×250mm堵頭。

6、耐蝕鈦合金

鈦合金在大多數(shù)介質(zhì)中都具有良好的耐蝕性，專用耐蝕鈦合金主要是針對(duì)特殊介質(zhì)要求而開發(fā)的。國(guó)內(nèi)耐蝕鈦合金多為仿制。自20世紀(jì)70年代開始，我國(guó)成功仿制Ti-15Mo，Ti-32Mo，Ti-15Mo-0.2Pd，Ti-2Ni，T-0.2Pd，Ti-0.3Mo-0.8Ni，Ti-0.05Ni-0.05Ｒu等合金，其中Ti-0.3Mo-0.8Ni和T-0.2Pd鈦合金已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。為提供更高效、潔凈的能源，發(fā)展核電是大勢(shì)所趨，但核乏燃料對(duì)人體具有很強(qiáng)輻射作用，嚴(yán)重影響人體健康，如何處理核乏燃料是重要的關(guān)鍵技術(shù)問題。

Ti35鈦合金是針對(duì)核乏燃料后處理環(huán)境設(shè)計(jì)、開發(fā)成功的一種α型耐沸騰硝酸腐蝕鈦合金。Ti35鈦合金沖擊韌度可達(dá)250J/cm²，并具有良好的冷加工工藝性能，板材彎曲角可達(dá)到140°以上(D=3t)(圖5)，其擴(kuò)口、壓扁性能(圖6)與純鈦相當(dāng)。目前，已經(jīng)展開Ti35合金的工程化研究，掌握Ti35鈦合金板、棒、管、絲、鍛件及專用焊絲的制備技術(shù)。小批量生產(chǎn)該合金的管、板、鍛件等，用于中試規(guī)模的核乏燃料后處理裝備，初步建立Ti35合金加工、驗(yàn)收工藝標(biāo)準(zhǔn)體系。

工業(yè)規(guī)模制備的Ti35鈦合金及其焊接件在核乏燃料模擬溶解液中顯示出優(yōu)良的抗應(yīng)力腐蝕性能、縫隙腐蝕性能和很強(qiáng)的氧化膜再生能力，均勻腐蝕速率＜0.1mm/a，顯示出比高純奧氏體不銹鋼更好的耐蝕性和適應(yīng)性。在核乏燃料后處理工程中具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。目前，Ti35合金已設(shè)計(jì)應(yīng)用到我國(guó)核乏燃料后處理工程關(guān)鍵設(shè)備中。另外，該合金在核廢料的儲(chǔ)存器，與高溫硝酸接觸的各種設(shè)備，包括硝酸生產(chǎn)、濃縮、回收等相關(guān)的加熱器、蒸發(fā)器、濃縮器以及閥門泵、風(fēng)機(jī)等。該合金還可在高溫鉻酸、二氧化氯、氯化物的還原酸中應(yīng)用。

7、醫(yī)用鈦合金

鈦合金由于密度小、比強(qiáng)度高、彈性模量低、耐腐蝕以及優(yōu)良的生物相容性和加工成形性，是較理想的外科植入物用功能結(jié)構(gòu)材料。純鈦、Ti-3Al-12.5V、Ti-6Al-4V鈦合金屬于第一代醫(yī)用鈦合金。

到20世紀(jì)90年代中期，瑞士和德國(guó)先后開發(fā)出第二代以Nb，F(xiàn)e替代V的α+β型兩相醫(yī)用鈦合金Ti-6Al-7Nb和Ti-5Al-2.5Fe，被列入國(guó)際生物材料標(biāo)準(zhǔn)，并開始在臨床應(yīng)用。近10年來，多元系亞穩(wěn)β型合金已成為第三代醫(yī)用鈦合金的主要研究開發(fā)方向。截至目前，世界各國(guó)開發(fā)成功的新型介穩(wěn)β型鈦主要包括美國(guó)開發(fā)的Ti-3Nb-3Zr，TMZF，Ti-35Nb-5Ta-7Zr，Ti-15Mo等，日本開發(fā)的Ti-15Mo-5Zr-3Al，Ti-29Nb-13Ta-5Zr等，德國(guó)開發(fā)的Ti-30Ta等［49～51］。

國(guó)內(nèi)有代表性的亞穩(wěn)β型鈦合金主要有新型低模量鈦合金TLM及Ti2448(Ti-24-Nb-4Zr-7.6Sn)合金等［52～55］。

TLM鈦合金是在2005年研發(fā)成功的一種低模量醫(yī)用亞穩(wěn)β鈦合金，其名義成分為Ti3Zr2Sn3Mo25Nb。TLM合金在室溫下的屈服強(qiáng)度在340～748MPa之間，抗拉強(qiáng)度為645～1270MPa，斷面收縮率為6%～39%，彈性模量最低達(dá)到38GPa。經(jīng)過時(shí)效處理使亞穩(wěn)β相部分分解，合金產(chǎn)生時(shí)效強(qiáng)化，并達(dá)到較好的強(qiáng)度、塑性與低模量化匹配。目前，采用TLM鈦合金制備出血管支架等多種醫(yī)用植入體產(chǎn)品。

8、低成本鈦合金

高價(jià)格一直是限制鈦合金大量應(yīng)用的最大障礙，降低鈦合金成本成為當(dāng)前鈦合金研究領(lǐng)域最受關(guān)注的重點(diǎn)之一。目前，世界上開發(fā)低成本鈦合金的工作以美國(guó)和日本為首，已有Ti62S，TIMETAL-LCB，KSTi-19，DAT52F，SP700，TIX-80，TIX-90等。

國(guó)內(nèi)研制出的低成本鈦合金主要有Ti8LC，Ti12LC，Ti-5322等［56～58］。

8.1 Ti12LC鈦合金

采用廉價(jià)合金元素(如Fe)代替TC4(Ti-6Al-4V)中昂貴合金元素V，以降低合金原材料的成本，同時(shí)在熔煉過程中添加純鈦的殘廢料(如鈦削)，以降低使用海綿鈦的用量，再次降低原材料的成本，這是設(shè)計(jì)Ti8LC和Ti12LC低成本合金的思路。采用煉鋼使用Fe-Mo中間合金及添加10%純鈦的切削料，通過真空兩次熔煉獲得Ti12LC合金的鑄錠，經(jīng)熱加工開坯獲得不同規(guī)格的材料。

Ti12LC鈦合金具有良好的熱加工性，容易獲得細(xì)小的等軸狀組織(圖7)。熱處理后具有較高的強(qiáng)度、塑性及疲勞性能的匹配。其典型室溫性能為Ｒm≥1100MPa，Ｒp0.2≥1000MPa，A5≥10%。目前已制備出Ti12LC鈦合金的自行車零部件(圖8)及航天固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用的尾噴管。

8.2 Ti-5322合金

Ti-5322合金是針對(duì)裝甲應(yīng)用開發(fā)的一種低成本高強(qiáng)度鈦合金(添加2%Fe代替昂貴合金元素V)。該合金比Ti-6Al-4V合金具有更優(yōu)的熱加工性，適于板材軋制，熱處理后強(qiáng)塑性匹配良好，其成本低于Ti-6Al-4V合金。Ti-5322合金δ10～40mm板材經(jīng)強(qiáng)化熱處理后室溫強(qiáng)度1050～1300MPa，伸長(zhǎng)率7%～14%(表8)。7.62mm穿燃彈及05mm 穿甲模擬彈的靶試結(jié)果表明，該合金板材的防護(hù)安全角小于28度，抗裝甲質(zhì)量防護(hù)系數(shù)大于1.9，明顯優(yōu)于Ti-6Al-4V合金。目前該合金已獲得應(yīng)用。

9、結(jié)束語

我國(guó)鈦合金研制經(jīng)歷了從仿制到創(chuàng)新研制的歷程，一些新合金已批量化生產(chǎn)，滿足國(guó)家工程的需求，獲得成功的應(yīng)用，但與鈦工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有差距，尚不能滿足國(guó)家工程的需求。未來鈦合金材料的發(fā)展趨勢(shì)主要應(yīng)為以下8個(gè)方面。

(1)鈦的低成本化制備、加工技術(shù)，包括海綿鈦生產(chǎn)、鈦合金材料設(shè)計(jì)及加工過程等的低成本化，這是鈦進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用的前提條件。

(2)大型優(yōu)質(zhì)鈦合金坯料制備技術(shù)，包括新型電子束和等離子冷床爐熔煉技術(shù)。

(3)高效、短流程鈦合金加工技術(shù)，包括單次冷床爐熔煉直接軋制技術(shù)，鈦帶連續(xù)加工技術(shù)生產(chǎn)等。

(4)近凈成形技術(shù)，包括3D打印、精密鑄造、精密模鍛、超塑成形/擴(kuò)散連接、噴射成形等。

(5)鈦的推廣應(yīng)用技術(shù)，包括生物醫(yī)用鈦、汽車用鈦、建筑用鈦等。

(6)發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)的鈦合金，發(fā)展方向是高性能化、多功能化、低成本化、復(fù)合化。

(7)精簡(jiǎn)鈦合金牌號(hào)，優(yōu)化鈦合金性能，要一材多用，形成骨干鈦合金體系。

(8)開發(fā)高效優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)工藝技術(shù)。

參考文獻(xiàn):

［1］李戈嵐，劉漢海.耐久性/損傷容限設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介［J］.飛機(jī)設(shè)計(jì)，2004(4):23－32.

(LIYF，LIUHH.Briefintroductionaboutdurability/damagetolerancedesign［J］.AirplaneDesign，2004(4):23－32.)

［2］曹春曉.選材判據(jù)的變化與高損傷容限鈦合金的發(fā)展［J］.金屬學(xué)報(bào)，2002，38(增刊1):4－11.

(CAOCX.Thechangeofchoosingmaterialsandthede-velopmentoftitaniumalloyswithhighstrengthandhightoughness［J］.ActaMetallurgicalSinica，2002，38(Suppl1):4－11.)

［3］朱知壽.航空結(jié)構(gòu)用新型高性能鈦合金材料技術(shù)研究與發(fā)展［J］.航空科學(xué)技術(shù)，2012(1):5－9.

(ZHUZS.Ｒesearchanddevelopmentofnewhighper-formancetitaniumalloysusedforaero-structures［J］.Aero-ScienceandTechnology，2012(1):5－9.)

［4］趙永慶，葛鵬，曲恒磊，等.一種1300MPa級(jí)超高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鈦合金:中國(guó)，ZL200510000974.0［P］.2005－03－20.

(ZHAOYQ，GEP，QUHL，etal.Aextra-highstrengthtitaniumalloywith1300MPastrength:China，ZL200510000974.0［P］.2005－03－20.)

［5］WILLIAMSJC，STAＲKEEA.Processinstructuralmate-rialsforaerospacesystems［J］.ActaMaterialia，2003，51:5775－5799.

［6］BＲEWEＲWD，BIＲDＲK，WALLACETA.Titaniumal-loysandprocessingforhighspeedaircraft［J］.MaterialsScienceandEngineering:A，1998，243:299－304.

［7］BOYEＲＲＲ，COTTONJD，CHELLMMANDJ.Titaniumforairframeapplications:presentstatusandfuturetrends［C］//L�aTJEＲINGG，ALBＲECHTJ.Ti-2003ScienceandTechnology.Germany:DGM，2004:2615－2626.

［8］BOYEＲＲＲ.NewtitaniumapplicationontheBoeing777airplane［J］.JournalofMetals，1992，44(5):23－25.

［9］FANNINGC，BOYEＲＲＲ.PropertiesofTIMETAL555:anewnear-betatitaniumalloyforairframescomponents［C］//L�aTJEＲINGG，ALBＲECHTJ.Ti-2003ScienceandTechnology.Germany:DGM，2004:2643－2650.

［10］JONESNG，DASHWOODＲJ，JACKSONM，etal.βphasedecompositioninTi-5Al-5Mo-5V-3Cr［J］.ActaMa-terialia，2009，57:3830－3839.

［11］JONESNG，DASHWOODＲJ，JACKSONCM，etal.Developmentofchevron-shapedaprecipitatesinTi-5Al-5Mo-5V-3Cr［J］.

ScriptaMaterialia，2009，60:571－573.

［12］FANNINGJC，NYAKANASL，ATTEＲSONKM.Heattreatment，microstructure，andpropertiesofTIMETAL555s［C］//NINOMIM，AKIYAMAA，IKEDAM，etal.Ti-2007ScienceandTechnology.Tokyo:TheJapanInsti-tuteofMetals，2008:499－502.

［13］BOYEＲＲＲ，SLATTEＲYKT，CHELLMANDJ，etal.Ｒecenttitaniumdevelopmentsandapplicationsintheaero-spaceindustry［C］.NINOMIM，AKIYAMAA，IKEDAM，etal.Ti-2007ScienceandTechnology.Tokyo:TheJapanInstituteofMetals，2008:1255－1262.

［14］BＲIGGSＲD.Tough，high-strengthtitaniumalloys:meth-odsofheattreatingtitaniumalloys:USA，20040250932［P］.2004－12－06.

［15］曾立英，葛鵬.彈簧用高強(qiáng)鈦合金的研究進(jìn)展［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2009，26(5):5－9.

(ZENGLY，GEP.Ｒesearchanddevelopmentofhighstrengthtitaniumalloysusedforspring［J］.TitaniumIn-dustryProgress，2009，26(5):5－9.)

［16］趙永慶，曲恒磊.高強(qiáng)高韌損傷容限型鈦合金TC21研制［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2004，21(1):22－24.

(ZHAOYQ，QUHL.Ｒesearchanddevelopmentofdam-agetoleranceTC21alloywithhighstrengthandhightough-ness［J］.TitaniumIndustryProgress，2004，21(1):22－24.)

［17］曲恒磊，趙永慶，朱知壽，等.一種高強(qiáng)韌鈦合金及加工方法:中國(guó)，ZL03105965.1［P］.2003－09－10.

(QUHL，ZHAOYQ，ZHUZS，etal.Anewtitaniumal-loywithhighstrengthandhightoughnessanditsprocessingmethod:China，ZL03105965.1［P］.2003－09－10)

［18］HUIS，ZHAOYQ.CrackinginitiationandmechanicalpropertiesofTC21titaniumalloywithequiaxedmicrostruc-ture，MaterialsScienceEngineering:A，2013，584:215－222.

［19］昝林，陳靜，林鑫，等.激光快速成形TC21鈦合金沉積態(tài)組織研究［J］.稀有金屬材料與工程，2007，36(4):612－616.

(ZANL，CHENJ，LINX，etal.Ｒesearchonmicrostruc-turesofdepositedTC21titaniumalloybylaserrapidform-ing［J］.ＲareMetalMaterialsandEngineering，2007，36(4):612－616.)

［20］趙文娟，丁樺，周舸，等.TC21合金超塑性本構(gòu)關(guān)系的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型［J］.鍛壓技術(shù)，2009，34(8):138－143.

(ZHAOWJ，DINGH，ZHOUG，etal.Constitutiverela-tionshipmodelofTC21alloyduringsuperplasticdeforma-tionbasedonBPartificialneuralnetwork［J］.ForgingStampingTechnology，2009，34(8):138－143.)

［21］曲恒磊，趙永慶，朱知壽，等.一種低成本損傷容限鈦合金及其加工方法:中國(guó)，200510001210.3［P］.2005－10－22.

(QUHL，ZHAOYQ，ZHUZS，etal.Anewlowcostti-taniumalloywithdamagetoleranceanditsprocessingmeth-od:China，200510001210.3［P］.2005－10－22.)

［22］朱知壽，王新南，童路.航空用損傷容限型鈦合金研究與應(yīng)用［J］.中國(guó)材料進(jìn)展，2010，29(5):16－19.

(ZHUZS，WANGXN，TONGL.Ｒesearchandapplica-tionsofdamagetolerancetitaniumalloysforaviation［J］.MaterialsChina，2010，29(5):16－19.)

［23］房衛(wèi)萍，陳淪，史耀武.損傷容限鈦合金的研究進(jìn)展及應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.材料工程，2010(9):95－98.

(FANGWP，CHENL，SHIYW.Ｒesearchanddevelop-mentoftitaniumalloyswithdamagetolerance［J］.JournalofMaterialsEngineering，2010(9):95－98.)

［24］BANIAPJ.Anadvancedalloyforelevatedtemperature［J］.JournalofMetals，1988(3):20－22.

［25］BLENKINSOPPA.DevelopmentsinhightemperatureTialloys［J］.TitaniumScienceandTechnology，1984，4:2323－2338.

［26］NEALDF.Developmentandevaluationofhightempera-turealloyIMI834［C］//LAEOMBEP，TＲICOTＲ，BE-ＲANGEＲG.Proc6thWorldConfonTitanium，Cannes，F(xiàn)rance:LesEditionsdePhysique，1988:253－258.

［27］黃旭，李臻熙，黃浩.高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)用新型高溫鈦合金研究進(jìn)展［J］.中國(guó)材料進(jìn)展，2011，30(6):21－27.

(HUANGX，LIZX，HUANGH.Ｒesearchanddevelop-mentofnewhightemperaturetitaniumalloysusedforhighperformanceaero-engine［J］.MaterialsChina，2011，30(6):21－27.)

［28］萊茵斯C，皮特爾斯M.鈦與鈦合金［M］.陳振華，譯.北京:化工出版社，2005:300.

［29］趙亮，劉建榮，王清江，等.析出相對(duì)Ti60鈦合金蠕變和持久性能的影響［J］.材料研究學(xué)報(bào)，2009，23(1):1－5.

(ZHAOL，LIUJＲ，WANGQJ，etal.Effectofprecipi-taesonthehightemperaturecreepandcreepruptureprop-ertiesofTi60alloy［J］.ChineseJournalofMaterialsＲe-search，2009，23(1):1－5.)

［30］賈蔚菊，曾衛(wèi)東，張堯武，等.熱處理對(duì)Ti60合金組織及性能的影響［J］.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2010，20(2):2136－2141.

(JIAWJ，ZENGWD，ZHANGYW，etal.EffectofheattreatmentonmicrostructuresandpropertiesofTi60al-loy［J］.TransNonferrousMetSocChina，2010，20(2):2136－214.)

［31］石衛(wèi)民，魏壽庸，王鼎春.Ti60鈦合金大棒材的顯微組織及力學(xué)性能［J］.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2010，20(1):75－78.

(SHIWM，WEISY，WANGDC.MicrostructuresandmechanicalpropertiesofTi60alloywithbigbars［J］.TransNonferrousMetSocChina，2010，20(1):75－78.)

［32］蔡建明，李臻熙，曹春曉，等.Ti60鈦合金中富釹稀土相顆粒對(duì)葉片室溫振動(dòng)疲勞性能的影響［J］.材料工程，2007(8):57－60.

(CAIJM，LIZX，CAOCX，etal.EffectofNd-richphaseparticlesinTi60alloyonvibrationfatiguepropertyforbladeatroomtemperature［J］.JournalofMaterialsEn-gineering，2007(8):57－60.)

［33］石衛(wèi)民，王青江，劉建榮.Ti60高溫鈦合金環(huán)材組織與性能的研究［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2010，27(1):32－35.

(SHIWM，WANGQJ，LIUJＲ.Ｒesearchonmicro-structuresandpropertiesofhightemperatureTi60alloy'sring［J］.TitaniumIndustryProgress，2010，27(1):32－35.

［34］曾立英，洪權(quán)，趙永慶，等.Ti-600合金的熱穩(wěn)定性［J］.稀有金屬材料與工程，2013，42(11):2253－2256.

(ZENGLY，HONGQ，ZHAOYQ，etal.Thermalsta-bilityofTi600alloy［J］.ＲareMetalMaterialsandEngi-neering，2013，42(11):2253－2256.)

［35］HANYF，ZENGWD，QIYL，etal.TheinfluenceofthermomechanicalprocessingonmicrostructuralevolutionofTi600titaniumalloy［J］.MaterialsScience＆Engineering:A.2011，528(29/30):8410－8416.

［36］郭萍，洪權(quán)，趙永慶.Ti600高溫鈦合金的力學(xué)性能［J］.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2010，20(1):36－39.

(GUOP，HONGQ，ZHAOYQ.MechanicalpropertiesofTi600hightemperaturetitaniumalloy［J］.TransNonfer-rousMetSocChina，2010，20(1):36－39.)

［37］段銳，蔡建明.初生α相含量對(duì)近α鈦合金TG6拉伸性能和熱穩(wěn)定性的影響［J］.航空材料學(xué)報(bào)，2007，27(3):17－22.

(DUANＲ，CAIJM.EffectofcontentofprimaryαphaseontensilepropertiesandthermalstabilityofnearαTG6ti-taniumalloy［J］.JournalofAeronauticalMaterials，2007，27(3):17－22.)

［38］洪權(quán)，戚運(yùn)蓮.一種含稀土高溫固溶強(qiáng)化耐熱鈦合金:中國(guó)，ZL200710017887.5［P］.2007－08－06.

(HONGQ，QIYL.Ahightemperaturetitaniumalloywithadditionrareearthelement:China，ZL200710017887.5［P］.2007－08－06.)

［39］黃旭.阻燃鈦合金AlloyC［J］.航空制造工程，1997，(6):24－26.

(HUANGX.Burnresistanttitaniumalloy—AlloyC［J］.AeronauticalManufacturingEngineering，1997(6):24－26.

［40］ZHUY，ZENGWD，ZHAOYQ，etal.Effectofprocess-ingparametersonhotdeformationbehaviorandmicrostruc-turalevolutionduringhotcompressionofTi40titaniumalloy［J］.MaterialsScienceandEngineering:A，2012，552:384－391

［41］XINSW，ZHAOYQ，LUYF，etal.ＲoleofgrainboundariesinthehightemperatureperformanceofahighlystabilizedbetatitaniumalloyⅠ:thermalstability［J］.Ma-terialsScienceEngineering:A，2013，559(1):1－6.

［42］XINSW，ZHAOYQ，LUYF，etal.ＲoleofgrainboundariesinthehightemperatureperformanceofahighlystabilizedbetatitaniumalloyⅡ:creepbehavior［J］.Ma-terialsScienceEngineering:A，2013，559(1):7－13.

［43］趙永慶，辛社偉，吳歡.一種Ti-V-Cr系阻燃鈦合金棒材的加工方法:中國(guó)，ZL201010048565.9［P］.2010－05－19.

(ZHAOYQ，XINSW，WUH.AprocessingmethodforbarsofTi-V-Crburnresistanttitaniumalloy:China，ZL201010048565.9［P］.2010－05－19.)

［44］趙紅霞，黃旭，王寶，等.熱處理對(duì)Ti-35V-15Cr-0.15Si-0.05C合金熱穩(wěn)定性能的影響［J］.材料工程，2013(7):73－77.

(ZHAOHX，HUANGX，WANGB，etal.Effectofheat-treatmentonthemicrostructureandthermalstabilityprop-ertiesofTi-35V-15Cr-0.15Si-0.05Ctitaniumalloy［J］.JournalofMaterialsEngineering，2013(7):73－77.)

［45］弭光寶，黃旭，曹京霞，等.Ti-V-Cr系阻燃鈦合金的抗點(diǎn)燃性能及其理論分析［J］.金屬學(xué)報(bào)，2014，50(5):575－586.

(MIGB，HUANGX，CAOJX，etal.IgnitionresistanceperformanceanditstheoreticalanalysisofTi-V-Crtypefireprooftitaniumalloy［J］. ActaMetallurgicaSinica，2014，50(5):575－586.)

［46］楊冠軍，蔡學(xué)章.一種近α型超低溫鈦合金及其制備方法:中國(guó)，ZL03105962.7［P］.2003－05－14.

(YANGGJ，CAIXZ.Anearαcryogenictitaniumalloyanditsprocessingmethod:China，ZL03105962.7［P］.2003－05－14.)

［47］劉茵琪，孟祥軍，王新平.熱處理對(duì)Ti-B19合金組織和性能的影響［J］.金屬學(xué)報(bào)，2002，38(增刊1):115－119.

(LIUYQ，MENGXJ，WANGXP.Effectofheattreat-mentonmicrostructuresandpropertiesofTi-B19alloy［J］.ActaMetallurgicalSinica，2002，38(Suppl1):115－119.)

［48］陳軍，常輝，李輝.熱處理制度對(duì)Ti-B19合金強(qiáng)度和斷裂韌性優(yōu)化匹配的影響［J］.金屬學(xué)報(bào)，2002，38(增刊1):108－111.

(CHENJ，CHANGH，LIH.EffectofheattreatmentonstrengthandfracturetoughnessofTi-B19alloy［J］.ActaMetallurgicalSinica，2002，38(Suppl1):108－111.

［49］DAISUKEK，MITSUON，MASAHIKOM，etal.Designandmechanicalpropertiesofnewβtypetitaniumalloysforim-plantmaterials［J］.MaterialScienceandEngineering:A，1998，243:244－249.

［50］郭文淵，姚強(qiáng)，孫堅(jiān).低模量高強(qiáng)度鈦合金的研究進(jìn)展［J］.中國(guó)材料科技與設(shè)備，2007(3):26－28.

(GUOWY，YAOQ，SUNJ.Ｒesearchanddevelopmentontitaniumalloyswithlowelasticmodulesandhighstrength［J］.NationalMaterialsScience，TechnologyandEquipment，2007(3):26－28.

［51］茹志芳，李巖，羅坤，等.低彈性模量鈦合金的研究進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2011，25(17):250－253.

(ＲUZF，LIY，LUOK，etal.Ｒesearchanddevelopmentoflowelasticmodulestitaniumalloys［J］.MaterialsＲe-view，2011，25(17):250－253.)

［52］于振濤，余森，張明華.外科植入物用新型醫(yī)用鈦合金材料設(shè)計(jì)、開發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀及進(jìn)展［J］.中國(guó)材料進(jìn)展，2010，29(12):35－51.

(YUZT，YUS，ZHANGMH.Currentsituationandpro-gressofnewmedicaltitaniumalloys［J］.MaterialsChina，2010，29(12):35－51.)

［53］于振濤，周廉.一種血管支架用β型鈦合金:中國(guó)，ZL03153138.5［P］.2003－09－08.

(YUZT，ZHOUL.Aβtypetitaniumalloyusedforbloodvesselstand:China，ZL03153138.5［P］.2003－09－08.)

［54］于振濤，張亞鋒，袁思波.近β型鈦合金Ti4Zr1Sn3Mo25Nb(TLM)熱處理與材料強(qiáng)化研究［J］.稀有金屬材料與工程，2008，37(增刊4):542－545.

(YUZT，ZHANGYF，YUANSB.ＲesearchonheattreatmentandstrengtheningofnearβTi4Zr1Sn3Mo25Nb(TLM)alloy［J］.ＲareMetalMaterialsandEngineering，2008，37(Suppl4):542－545.)

［55］麻西群，于振濤，牛金龍.Ti3Zr2Sn3M025Nb醫(yī)用鈦合金相變與力學(xué)性能［J］.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2010，20(增刊1):410－413.

(MAXQ，YUZT，NIUJL.PhasetransformationandmechanicalpropertiesofTi3Zr2Sn3M025Nbmedicalalloy［J］.TransNonferrousMetSocChina，2010，20(Suppl1):410－413.)

［56］趙永慶，朱康英.一種α型低成本鈦合金:中國(guó)，ZL02101190.7［P］.2002－03－09.

(ZHAOYQ，ZHUKY.Anearαtypelowcosttitaniumalloy:China，ZL02101190.7［P］.2002－03－09.)

［57］朱知壽，商國(guó)強(qiáng)，王新南.低成本高性能鈦合金研究進(jìn)展［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2012，29(6):1－5.

(ZHUZS，SHANGGQ，WANGXN.Ｒesearchprogres-sesonlowcosthighperformancetitaniumalloys［J］.Tita-niumIndustryProgress，2012，29(6):1－5.)

［58］葛鵬，毛小南，周偉.一種低成本高強(qiáng)度鈦合金:中國(guó)，ZL200810150893.2［P］.2008－10－09.

(GEP，MAOXN，ZHOUW.Alowcosttitaniumalloywithhighstrength:China，ZL200810150893.2［P］.2008－10－09.)

 

 

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