鈦合金材料作為飛機(jī)的心臟，航空發(fā)動機(jī)一直是各國研究與投入的重點。鈦合金以其優(yōu)良的熱強(qiáng)性和高比強(qiáng)度，在航空發(fā)動機(jī)上獲得了廣泛的應(yīng)用。多年來，為了滿足高性能航空發(fā)動機(jī)的需求，歐美、俄羅斯等航空工業(yè)發(fā)達(dá)國家十分重視材料的研發(fā)，先后研制出了在 350~600℃使用的鈦合金。鈦合金是繼鎳基高溫合金以后的第二大噴氣式發(fā)動機(jī)常用的材料，占發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的1/ 3 以上。按體積計算，鈦合金是發(fā)動機(jī)上應(yīng)用最多的材料。 

前蘇聯(lián)在 20 世紀(jì) 50 年代末期就開發(fā)出了 BT6、BT3-1、BT8、BT9 等牌號的鈦合金，六七十年代又研制出了 BT18，BT25 合金，近年來又研發(fā)了 BT36 鈦合金，分別用于HK8、IIC90A 等發(fā)動機(jī)。同樣，美國也將 Ti64、Ti811、Ti6242 等鈦合金分別用于 JT90、F-110等先進(jìn)發(fā)動機(jī)中。80 年代以后，歐美設(shè)計的各種先進(jìn)軍用戰(zhàn)斗機(jī)和轟炸機(jī)中，鈦合金用量已經(jīng)穩(wěn)定在 20% 以上，如第三代戰(zhàn)斗機(jī) F-15 鈦合金用量占 27% ，第四代戰(zhàn)斗機(jī) F-22 鈦合金用量占 41% 。 

我國于 1956 年開始鈦和鈦合金研究。在 Ti55 的基礎(chǔ)上改進(jìn)研制出 Ti60，是一種用稀土金屬 Nd 強(qiáng)化的近α型熱強(qiáng)合金，可在 600℃環(huán)境下長時間工作，用于航空發(fā)動機(jī)高壓段的壓氣機(jī)盤、葉片和鼓筒等；TB8 作為航空結(jié)構(gòu)材料，用于飛機(jī)液壓機(jī)系統(tǒng)、箔材用鈦基復(fù)合材料基體、燃油箱等；Ti40 為全β型阻燃鈦合金，用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件的機(jī)匣和葉片。 

我國鈦資源豐富，已探明擁有 8.7 億噸的鈦（以二氧化鈦計）資源儲量，占世界已探明可儲量的 60%左右。目前我國已成為繼美國、俄羅斯、日本之后，具有完整工業(yè)體系和生產(chǎn)能力的世界第 4 大鈦工業(yè)國。如此的儲備量也使鈦合金將在我國得到更加快速的發(fā)展。 

1、鈦合金概述 

鈦熔點 1668℃，比鐵高 138℃，在輕金屬中屬于熔點較高的金屬；密度為 4.51g/cm³，為鋼的 57% ；室溫下表面形成穩(wěn)定的氧化膜，具有高的耐蝕性。鈦屬于稀有元素，在地殼中的豐度占第九位，有 0.42% ，在含量最豐富的結(jié)構(gòu)金屬中排第 4 位，僅次于鋁、鐵和鎂。 

目前，己研制出的鈦合金有 100 多種，其中的 20～30 種已經(jīng)達(dá)到了商業(yè)化應(yīng)用水平，如 Ti-6Al-4V、Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V、Ti-2Al-1.5Mn、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-2Al-2.5Zr、Ti-32Mo、Ti-6242、Ti-1023 等。 

鈦合金因具有比強(qiáng)度高，耐熱性、耐蝕性好等綜合性能，在各個領(lǐng)域（包括：航空航天、生物醫(yī)學(xué)、汽車等）得到了廣泛的應(yīng)用。與其他金屬材料相比，具有下列優(yōu)點：

1）較高的強(qiáng)度。純鈦的抗拉強(qiáng)度 274~417MPa，在加入適量合金元素后，強(qiáng)度顯著增加，如 TC4鈦合金，強(qiáng)度可達(dá)到一般高強(qiáng)度鋼，另外有些鈦合金具有更高的強(qiáng)度，如Ti-15Mo-5Zr-3Al 合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別為 1450MPa、1470MPa。 

2）較高的比強(qiáng)度。比強(qiáng)度是指抗拉強(qiáng)度與密度的比值。多數(shù)鈦合金抗拉強(qiáng)度可達(dá)1000~1400MPa，而密度僅為鋼的 0.6 倍。其比強(qiáng)度是不銹鋼的 3.5 倍，鎂合金的 1.7 倍，鋁

合金的 1.3 倍，如表 1 所示。 

表 1   鈦與其他金屬密度和比強(qiáng)度比較 

3）高、低溫性能穩(wěn)定。通常鋁合金在 150℃、不銹鋼在 310℃即失去了原有的性能，而鈦合金在 500～600℃環(huán)境下仍能保持良好的力學(xué)性能。同時，某些鈦合金的強(qiáng)度隨溫度的降低而升高，而塑性降低的不多，具有較好的低溫延展性和韌性，如 TA7鈦合金在-253℃超低溫環(huán)境下仍能保持一定的塑性。 

4）耐蝕性好。鈦表面在大氣中會立即形成一層均勻致密的氧化膜，這種氧化膜具有抵抗多種介質(zhì)侵蝕的能力。在一些腐蝕性介質(zhì)（如海水、濕氯氣、硝酸、鉻酸和氯化物溶液）中具有較好的耐蝕性。 

5）除上述突出的優(yōu)點外，還具有形狀記憶特性、超導(dǎo)、吸氫等特性。 

2、鈦合金的分類 

鈦是同素異構(gòu)體，分為α鈦和β鈦。其中α鈦是指低于 882℃時呈密排六方晶格的結(jié)構(gòu)；α鈦是指 882℃以上呈體心立方晶格的結(jié)構(gòu)。由于它們結(jié)構(gòu)具有的不同特點，添加適當(dāng)?shù)暮?/p>

金元素，使其相變溫度及相分含量發(fā)生變化可得到不同組織的鈦合金。室溫下，鈦合金有三種基體組織，分為α合金、 β合金和（α+β）合金三類，分別以TA 、TB 、TC 表示。 

1）α型鈦合金 

α型鈦合金是α固溶體組成的單相合金，無論在一般溫度或較高的溫度下，均為α相，主要特點是密度小，組織穩(wěn)定，耐磨性、耐蝕性、焊接性良好及較強(qiáng)的抗氧化性能；缺點是

室溫強(qiáng)度較低、變形抗力大、熱加工性能差，通常用作耐熱、耐蝕材料。 

α鈦合金中的合金元素主要是α相穩(wěn)定元素和中性元素如鋁、錫、鋯等。工業(yè)上，加入鋁可以獲得? 型鈦合金，屬于Ti-Al 系。鋁能夠使α相顯著強(qiáng)化，但加入量過多會因基體

出現(xiàn)Ti₃Al 相而使其塑性不好。為進(jìn)一步改善? 鈦合金的耐熱性，Ti-Al 系合金中還添加鋯、錫等中性元素。 

α鈦合金在 500～600℃的溫度下，仍保持較高的強(qiáng)度和抗蠕變性能，可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，有很好的熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性，焊接性能好，有較好的室溫、超低溫和高溫性能。航空工業(yè)常用的α型鈦合金有 TA1～TA7 等，其中 TA7 合金可用作承力較大的飯金件、鍛件等。 

2） β型鈦合金 

β鈦合金是一種未熱處理便可達(dá)到較高強(qiáng)度的β相固溶體組成的單相合金，淬火、時效后得到進(jìn)一步強(qiáng)化，室溫強(qiáng)度可達(dá) 1372~1666MPa；然而， β鈦合金存在諸多缺點，如熱穩(wěn)定性能和組織穩(wěn)定性較差、對雜質(zhì)元素有較高的敏感性、長期加熱易出現(xiàn)脆性化合物、不適合在高溫條件下使用等。此外，該類合金還存在焊接性能差和冶金工藝復(fù)雜的弊端。 

亞穩(wěn)定β鈦合金是在工業(yè)上使用最多的 ? 型鈦合金，該類鈦合金對其穩(wěn)定元素含量的要求只需大于K_BC即可。因為只要將其加熱至 ? 相區(qū)淬火便會發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，而馬氏體轉(zhuǎn)變 的開始溫度SM 與轉(zhuǎn)變終了溫度fM 與合金中穩(wěn)定元素的含量成反比，并且當(dāng)穩(wěn)定元素的含量大于K_BC時開始溫度SM 降低到室溫，一般稱該K_BC為臨界濃度。在固溶狀態(tài)下，亞穩(wěn)定型鈦合金具有較好的工藝塑性，易于加工成形，經(jīng)過時效處理后可以達(dá)到較高的強(qiáng)度。例如TB2 合金，固溶狀態(tài)σ_b<1000MPa,δ≥20%；時效后σ_b≈1350MPa，δ≥8%。

目前，國內(nèi)β型鈦合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、緊固件等方面得到了應(yīng)用。常用的有 TB1~5、TB8等。 

3）（α+β）型鈦合金 

α+β鈦合金是雙相合金，平衡狀態(tài)下合金的組織為α相和 β 相，它兼有α 和 β 鈦合金的優(yōu)點，中等強(qiáng)度，組織穩(wěn)定性好，有良好的韌性、塑性和高溫變形性能。能較好的進(jìn)行熱壓力加工，能進(jìn)行淬火、時效使合金強(qiáng)化，熱處理后的強(qiáng)度約比退火狀態(tài)提高 50%～100%；高溫強(qiáng)度高，可在 400～500℃的溫度下長期工作，其熱穩(wěn)定性僅次于α鈦合金。 

α+β型鈦合金可以通過調(diào)整成分，使合金的組織在很寬的范圍內(nèi)變動（從近α 型直到近β 型合金），以滿足不同的性能及使用要求。由于合金既加入α相穩(wěn)定元素又加入 β相穩(wěn)定元素，使得α和 β相同時得到強(qiáng)化。α+β型鈦合金的性能主要由 β相穩(wěn)定元素來決定，β穩(wěn)定元素的固溶強(qiáng)化效應(yīng)并不大，但是對β相的穩(wěn)定作用卻很明顯，加入量不太高，就可以得到淬火β相，通過退火或時效，可使其室溫強(qiáng)度提高到 1400MPa 以上，但應(yīng)說明，由于鈦合金的熱導(dǎo)率低，限于大鍛件的淬透性，只有少數(shù)合金能達(dá)到這一強(qiáng)度水平。另外，α+β型鈦合金的性能還與加工處理方式有關(guān)。 

α+β型鈦合金應(yīng)用廣泛，其中 Ti-6Al-4V 合金的產(chǎn)量占全部鈦材一半以上。 

另外，鈦合金按用途可分為結(jié)構(gòu)鈦合金、耐熱鈦合金、耐蝕鈦合金(鈦-鉬、鈦-鈀合金等)、

低溫鈦合金以及特殊功能鈦合金（記憶鈦合金、超導(dǎo)鈦合金、貯氫鈦合金)等。 

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