發(fā)布日期：2023-8-12 17:31:28
全球航空業(yè)將保持強勁增長的勢頭，據(jù)空客預測，到2035年航空市場對新增飛機的需求將帶來超過5萬億美元的投資。而為了降低燃料消耗和減少碳排放，減重成為飛機制造商關注的核心問題。鈦合金材料由于具有獨特的高強度-重量比性能，最早應用于航空工業(yè)部門，用在航空器的多個部件，如起落架、發(fā)動機部件、彈簧、襟翼導軌、氣動系統(tǒng)管道和機身部件等。航空工業(yè)對鈦合金材料的性能提出了越來越高的要求，如高強度-重量比，高抗氧化性能，斷裂韌性、耐腐蝕性能、疲勞強度和抗蠕變性能[1]。
航空業(yè)已成為鈦合金最大用戶，美國的鈦材主要應用于航空航天領域，約占使用總量的60%。在美國戰(zhàn)斗機的更新?lián)Q代中，鈦合金和復合材料的使用比例不斷上升，第五代戰(zhàn) 斗機F-35用鈦量達到27%,F-22戰(zhàn)機用鈦量則高達41%，其中發(fā)動機的葉輪、盤、葉片、機匣、燃燒室筒體和尾噴管等均為鈦合金材料制造[2，3]。
本文按材料顯微組織類型，對國外開發(fā)的航空航天領域鈦及鈦合金主要牌號、應用及發(fā)展趨勢進行了介紹和分析。
1、α型鈦合金及應用
α合金包括工業(yè)純鈦（CommerciallyPure,簡稱CP）及只含α穩(wěn)定元素和/或中性元素的鈦合金[1,4]。
1.1工業(yè)純鈦
工業(yè)純鈦主要由密排六方晶體(HCP)α相構成，同時由于源自海綿鈦原料殘存雜質或人為添加帶來的Fe元素，工業(yè)純鈦中還含有少量的（<5%）的β相，按拉伸強度按240-550MPa分4個牌號(ASTM標準中G1、G2、G3和G4)，牌號越高其中可以發(fā)揮間歇固溶強化的氧濃度越高，因此強度也越高[5]。
CP鈦主要用于要求具有良好的耐腐蝕性和焊接性能，但對強度要求不高的領域。在航空領域，CP鈦主要用于機翼前緣除冰系統(tǒng)的空氣加熱管，機艙環(huán)境控制系統(tǒng)管道，液壓管道以及各種夾持和支架裝置。
1.2鈦合金Ti-5Al-2.5SnELI
另一類α型鈦合金含有α穩(wěn)定元素Al和中性合金元素Sn，目的是獲得比CP更高的強度。航空領域最常見的α型鈦合金包括Ti-5Al-2.5SnELI（Extralowinterstitial，超低間歇），由俄羅斯和美國開發(fā)，俄羅斯牌號為BT5-1。該合金是在普通鈦合金Ti-5Al-2.5Sn基礎上，通過降低間歇元素含量,顯著提升其在極低溫下的強度和韌性，在20K（-250℃）低溫 條件下仍具有良好的韌性和較低的熱導率[6]，主要用于低溫容器、低溫管道以及液體火箭發(fā)動機渦輪油泵葉輪，如圖1所示。
2、近α型鈦合金及應用
這類合金主要含Al、Sn和Zr以及少量（不超過重量2%）低擴散率β穩(wěn)定元素，如Mo或Nb、V及Si(不超過0.5%)。加入Mo或Nb可在室溫下穩(wěn)定少量被保留的β相， 以起到某種強化作用。
近α型鈦合金在室溫下強度不如α+β或β合金，但具有優(yōu)越的抗高溫蠕變性能，由于在高溫下仍可保持足夠強度，這一點對于高溫應用尤為重要。
航空業(yè)最常見的近α型鈦合金主要牌號包括Ti-3-2.5、Ti-6-2-4-2S、Ti-1100、IMI834以及BT-36。
（1）Ti-3Al-2.5V(Ti-3-2.5)。
Ti-3Al-2.5V是美國開發(fā)的一種近α型鈦合金，在室溫和高溫下強度比純鈦高出20%~50%,適用于飛機和發(fā)動機液壓和燃油等管路系統(tǒng)。在 波音，除驅動主起落架的起落架艙液壓管道外，飛機的所有液壓管道均采用Ti-3-2.5。航天飛機上的大量油壓管路采用Ti-3Al-2.5V合金無縫管做配管，能使管路減重40% [7,8]。
（2）Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si(Ti-6-2-4-2S)。
由于近α型鈦合金抗高溫蠕變強度優(yōu)于α+β合金，在現(xiàn)代發(fā)動機中，壓氣機葉片使用兩種材質，前級葉片燃氣溫度低于300℃，材質為Ti-6-4，其余末級材質采用高蠕變強度合 金Ti-6-2-4-2S，可以在高達540℃下使用。70年代,美國RMI（ReactiveMetalsInc）通過添加Si元素,開發(fā)了使用溫度超過500℃的Ti-6242S合金，采用細化β晶�？刂漆槧� 組織的方法,實現(xiàn)了合金疲勞強度和蠕變強度兼顧,使之在565℃下具有高強度、高剛度、抗蠕變和好的熱穩(wěn)定性,廣泛應用于渦輪發(fā)動機部件[4]。
（3）Ti-1100（Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si-0.7O2-0.2Fe）
。Ti-1100近α高溫鈦合金是Timet為滿足新型航空發(fā)動機對高溫鈦合金高抗蠕變性能和高斷裂韌性的需求,而在20世紀80年代研制的,該合金實際上是Ti-6242Si的發(fā)展型,其使用溫度達可593℃,目前已用于美國萊康明發(fā)動機公司(LYCOMING)的T55-712型發(fā)動機[9,10]。
（4）Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.5Mo-0.7Nb-0.35Si-0.06C（IMI834）。
IMI834是英國勞斯萊斯公司(Rolls-Royce，歐洲最大的航空發(fā)動機企業(yè))研制的發(fā)動機用高溫合金，工作溫度可達600℃。目前，一般認為它是已投入工業(yè)生產(chǎn)的最高溫近α鈦合金。834合金主要用于航空發(fā)動機環(huán)件、壓氣機輪盤及葉片。
（5）Ti-6.2Al-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-0.1Y-5.0W-0.15Si(BT36)。
BT36是俄羅斯于1992年研制成功的一種使用溫度在600-650℃的鈦合金,該合金在BT18Y的基礎上用5%的高熔點W代替1%Nb，W的加入對合金的室溫強度、蠕變和持久性有明顯的改善，提高了合金的熱穩(wěn)定性[11]。
3、α+β合金及應用
α+β合金是迄今為止應用最廣泛的鈦合金。其具有更高含量的（4-6%）β元素，因此與近α型鈦合金相比，其β相含量更高，可以通過熱處理獲得更高的強度。主要強化機制包括在室溫下保留亞穩(wěn)β相，通過淬火到室溫從原始β相生成馬氏體。通過對含有亞穩(wěn)β相的合金進行時效處理，可以在該區(qū)域生成片狀α，這樣可以在盡可能減少塑性損失的情況下提高強度。
最常用的α+β合金是Ti-6Al-4V（Ti-6-4），其他航空用α+β合金包括Ti-6Al-6V-2Sn(Ti-662)，Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si（6-2-2-2-2S），IMI550(Ti-4Al-2Sn-4Mo-0.5Si)。
（1）Ti-6Al-4V（Ti-6-4）。
Ti-6-4是應用最廣泛的鈦合金材料，具有良好的綜合性能，常在退火態(tài)下使用，最低拉伸強度896MPa(130ksi)。
Ti-6-4屬于可熱處理強化鈦合金，具有較好的焊接性能、成形性和鍛造性能,是機身結構件使用的主要鈦合金，同時用于制造噴氣發(fā)動機壓縮機葉片、葉輪以及起落架和結構件，緊固件，支架，飛機附件，框架，桁條結構、管道。
（2）Ti-6Al-6V-2Sn(Ti-662)。
Ti-662拉伸強度1030MPa,屈服強度970MPa，強度高于Ti-6-4，耐腐蝕性能優(yōu)異，焊接和加工性能中等，用于飛機機身、火箭發(fā)動機、核反應堆部件，近年在石油鉆井上應用增多[12,13]。
（3）Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si（6-2-2-2-2S）。
6-2-2-2-2S由RMI在1970年代開發(fā)，具有優(yōu)異的強度、斷裂韌性、高溫性能，以及良好的加工性能和焊接性能，適用于厚型結構件。用于機身、機翼、發(fā)動機結構件[14]。該合金強度高，在退火態(tài)的強度1068MPa，經(jīng)固溶強化和時效，可達到最大強度1241MPa，并具有較大的損傷容限，廣泛用于戰(zhàn)斗機結構件，如美國空軍F-22Raptor戰(zhàn)斗機[15,16]。
（4）Ti-4Al-2Sn-4Mo-0.5Si（IMI550）。
IMI550由英國帝國金屬公司（IMI）研制，拉伸強度達1100MPa，屈服強度達940MPa，使用溫度達到400℃，用于機身和發(fā)動
機結構件[17]。最早作為抗蠕變合金用于勞斯萊斯飛馬和奧林匹斯（RollsRoycePegasusandOlympus）發(fā)動機，后來又用于歐洲民用和軍用飛機機身，如美洲虎（Jaguar）、 狂風（Tornado）和空客(Airbus)。
4、β合金及應用
β合金是強度最高的鈦合金，拉伸強度可達1240MPa。 在經(jīng)過快速冷卻后仍可在室溫下保留100%的亞穩(wěn)β相。通過運用不同的時效溫度和時間，可以控制某個合金β相基體中α相析出的大小和比例，從而獲得比α+β合金更高的強度，選定適宜的時效溫度和時間可以獲得不同的性能。
除了少數(shù)例外，β合金不用于高溫應用，因為一般情況下，隨著溫度的升高，β合金的強度會比近α和α+β合金下降更快，并且不如近α型鈦合金那樣具有抗蠕變性能。
β合金主要用于強度要求較高的結構件，如飛機起落架，從波音777開始，已在多款新型大型商用飛機上應用。波音777和787采用β合金的其他構件包括襟翼滑軌、彈簧、輔助 動力單元支柱（APUStrut）、滅火罐、夾子和托架以及排氣管。
用于航空的β合金包括Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr、Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr、Ti-35V-15Cr和Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si。
（1）Ti-10V-2Fe-3Al(Ti-10-2-3)。
Ti-10V-2Fe-3Al(Ti-10-2-3)合金是由美國Timet公司、Boeing公司、Wyman-Gordon于20世紀70年代共同研制的高強近β合金，成功應用于飛機起落架主承重梁、機翼和轉軸等關鍵結構件[18]。該合金經(jīng)過在波音757上試用后，獲批正式用在波音777的起落架上，如圖3所示。此后，空客也使用Ti-10-2-3用作A380飛機的起落架。
（2）Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr(Ti-5553)。
Ti-5553合金是由俄羅斯上薩爾達（VSMPO）與歐洲空客公司聯(lián)合研制的一種新型高強高韌近β鈦合金，其名義成分為Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr，比Ti-10-2-3合金強度稍高（大約1240MPa），經(jīng)熱處理后，抗拉強度可超過1500MPa，有一定加工性能優(yōu)勢，淬透性更佳。特別適用于制造大規(guī)格承力構件，如機翼/吊掛接頭、起落架/機翼接頭以及起落架等零件。波音新型787飛機起落架大部分部件使用Ti-5553合金，空客A350-1000的起落架部件也使用該合金[19,20]。
（3）Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al(Ti-15-3-3-3)。
Ti-15-3-3-3是美國70年代研制成功的亞穩(wěn)定β型鈦合金。經(jīng)800℃30minAC+540℃8hAC處理,室溫拉伸強度達1100MPa,延伸率仍在9%以上。該合金具有優(yōu)良的壓延性、冷成形性和焊接性能，是一種理想的航空構件材料[21]。
主要用作機身結構件和航空緊固件，還可用來制作彈簧，如圖4所示。用β鈦合金代替鋼質彈簧可以獲得70%的減重。
（4）Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo（Ti-6-2-4-6）。
Ti-6-2-4-6是美國Timet公司在20世紀60年代開發(fā)的一種高Mo含量的高溫鈦合金，具有耐高溫性能（使用溫度在420℃）、良好的強度、耐腐蝕、焊接及加工性能。該合金在固溶時效或雙重退火后的低周疲勞強度明顯高于相應的Ti-6Al-4V合金，同時具有較高的高溫蠕變強度和瞬時強度，可制造渦輪發(fā)動機壓氣機盤件和葉片[22]。
（5）Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr（Ti-17）。
Ti-17是美國通用電氣公司在70年代初期開始研究與開發(fā)的β型合金，強度高、韌性好,室溫下屈服強度為1137~1166MPa，
抗拉強度為1196~1235MPa，延伸率為8%以上。同時具有良好的抗裂紋生長/疲勞性能和斷裂韌性。主要用作一些新研制強度要求較高的大型飛機發(fā)動機風扇盤和氣壓機盤。美國通用電氣公司和WymanGordon公司采用Ti-17合金制造了發(fā)動機用盤件和直升飛機轉子卡軸。日本神戶制鋼所也開始研制該合金并用于制造發(fā)動機盤件[23]。
（6）Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr(β-C)。
β-C是1969年美國RMI公司開發(fā)的亞穩(wěn)β鈦合金。該合金含有更多的固溶體，拉伸強度可達到1240MPa，由于強度高，其塑性和容損性能（斷裂韌性和疲勞裂紋生長速率）低于α+β合金，因此不常用于關鍵承重部件，通常用作飛機彈簧、緊固件、連接件及導彈部件。
研究表明，將少量C(0.1%)加入β-C，在時效前進行一定的冷變形，可以加快時效期間α相析出，同時減少晶界α（GBα）形成，并促使晶粒細化,可以在獲得高達1500MPa強度的同時，保持較好的延性[24]。
（7）Ti-35V-15Cr（AlloyC）。
只有一種真正的（穩(wěn)定）β合金具有有限的商業(yè)應用價值，這就是AlloyC,名義成分為Ti-35V-15Cr-0.05C，由普·惠（Prattand Whitney公司，美國最大的兩家航空發(fā)動機制造公司之一）開發(fā)。由于β穩(wěn)定合金含量相當高，因此AlloyC在服役溫度下β相不會像普通β合金那樣分解成α+β相。該合 金室溫拉伸性能1071MPa，屈服強度1023MPa，延伸率14.7，蠕變溫度540℃，由于具有防火（不燃燒）性能，而被普·惠用作軍用發(fā)動機的排氣系統(tǒng)[25]。而其他鈦合金在高 質量流速下（比如噴氣發(fā)動機氣流），會發(fā)生燃燒，供燃燒的“燃料”就是幾乎所有鈦合金中都必不可少的鈦和鋁。
（8）Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si（β-21S）。
β-21S(Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si)是TIMET開發(fā)的一種超高強度新型β合金。該合金強度高，塑性好，通過熱處理，時效到很高的強度水平（抗拉強度>1450MPa），塑 性仍保持在Ti-1023的水平。β-21S在加工和使用期間具有顯著的抗氧化性能，更適合加工成薄板。β-21S比其它β合金能承受更高的溫度，長時間工作溫度可達540℃[26]。 由于具有更好的耐高溫性能，這種合金可以用作航空發(fā)動機尾椎，如圖5所示，此處噴口暴露于發(fā)動機尾氣。用β-21S代替鎳基合金可以大幅度減輕噴口和尾椎的重量。
5、鈦鋁合金及應用
鈦鋁合金，比近α型鈦合金具有更好的耐高溫性能。鈦鋁合金有多種金屬間化合物，主要有Al含量較少的Ti3Al（α2）和Al含量較多的TiAl（ϒ）兩種。其中ϒ合金耐高溫 能力達到725℃，高于常規(guī)鈦合金的工作溫度。目前已有ϒ合金用于發(fā)動機制造，在商用飛機發(fā)動機中用作低壓渦輪葉片，如圖6所示。
目前波音787的GEnx發(fā)動機以及空客A-320NEO和波音737MAX的CFMLEAP發(fā)動機最后兩級低壓渦輪（LPT）工作葉片均釆用ϒ合金Ti-48Al-2Nb-2Cr制造。 使用這種合金使GEnx發(fā)動機每級葉片減重約90kg。2006年美國GE公司使用Ti-48Al-2Nb-2Cr合金作為在GEnx發(fā)動機中第6、7級低壓渦輪葉片。這是鈦鋁合金首次大規(guī) 模進入實際關鍵結構件的應用[27]。圖7為用ϒ合金制造的GEnx發(fā)動機低壓渦輪轉子。
6、結語
對美歐航空航天鈦及鈦合金牌號的梳理分析表明，近年來國外開發(fā)的高溫鈦合金、低溫鈦合金、高強高韌β型鈦合金、阻燃鈦合金和損傷容限型鈦合金在航空航天領域得到了 廣泛應用，代表了航空航天高性能鈦合金材料的發(fā)展方向。
（1）高溫鈦合金。
20世紀50年代開發(fā)的高溫鈦合金以美國開發(fā)的Ti-6Al-4V合金為代表，其適應溫度為300-350℃[28]。后來開發(fā)的高溫鈦合金以近α型為主，以美國開 發(fā)的Ti-6-2-4-2S、Ti-1100，英國開發(fā)的IMI834以及俄羅斯開發(fā)的BT-36為代表，使用溫度高達600℃。高溫鈦合金以其優(yōu)良的熱強性和高的比強度，在航空發(fā)動機中獲得 了廣泛的應用。高溫鈦合金的另一個發(fā)展趨勢是鈦鋁合金，即以鈦鋁為基礎的Ti3Al（α2）和TiAl（ϒ）金屬間化合物，其中ϒ合金耐高溫能力達到725℃。鈦鋁合金成為未來航空發(fā)動機及飛機結構件最具競爭力的材料。
（2）低溫鈦合金。
一些鈦和鈦合金在低溫和超低溫下仍能保持其原有的機械性能。美國對于低溫鈦合金的研究主要集中于α型Ti-5Al-2.5SnELI以及α+β型鈦合金Ti-6Al-4VELI[6]，通過降低間歇元素含量,兩種鈦合金在20K極低溫度下保持良好的強度和韌性，用于低溫容器、低溫管道以及液體火箭發(fā)動機葉輪。
（3）高強鈦合金。高強度鈦合金一般指抗拉強度在1,000MPa以上的鈦合金，國外高強鈦合金研發(fā)主要以美國和俄羅斯為主。β合金是強度最高的鈦合金，目前代表國際先進水平并在航空領域獲得實際應用的高強度鈦合金主要為β型鈦合金，如美國Ti-10-2-3、Ti-15-3-3-3和β-21S，俄羅斯Ti-5-5-5-3-1等，主要用于強度要求較高的結構件，如飛機起落架以及機身等部件。
（4）阻燃鈦合金。
為解決航空發(fā)動機用鈦合金材料的“鈦燃燒”問題，以滿足高推重比發(fā)動機的需要，美國和俄羅斯從20世紀70年代開始就開展阻燃鈦合金的研制。阻燃 鈦合金主要包括兩個合金系：美國的Ti-V-Cr系AlloyC（T-35V-15Cr）；俄羅斯的Ti-Cu-Al系BTT-1、BTT-3[3]。其中AlloyC是一種穩(wěn)定β型阻燃鈦合金，具有較高的室溫和高溫強度，良好的蠕變強度，優(yōu)異的疲勞強度和冷成形性，已成功應用于F119發(fā)動機的高壓壓氣機機匣、導向葉片和矢量尾噴管。
（5）損傷容限鈦合金。
為了滿足新型飛機對材料比強度、抗疲勞性能、裂紋擴展性能、斷裂韌性、壽命期成本等綜合性能的要求，國外已研制出高斷裂韌性和低裂紋擴展速率的 損傷容限型鈦合金，以美國開發(fā)的α+β型合金Ti-6Al-4VELI及Ti-6-2-2-2-2S為代表。Ti-6Al-4VELI為中強損傷容限鈦合金，Ti-6-2-2-2-2S為高強損傷容限鈦合金，在美國F-22戰(zhàn)斗機得到大量應用[29]。
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