1、引言
鈦從本世紀(jì)四十年代實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)以來，因其具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、無磁、焊接性能好等特點(diǎn)，并具有超導(dǎo)、貯氫、記憶等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航天航空、軍事工業(yè)、海洋開發(fā)、石油化工、發(fā)電、超導(dǎo)等領(lǐng)域，擁有“全能金屬”、“海洋金屬”、“第三金屬”、“現(xiàn)代金屬”等美譽(yù)。隨著鈦的優(yōu)異性能不斷發(fā)掘，其應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大，將成為繼鋼、鋁之后的第三結(jié)構(gòu)金屬。鑒于鈦在國防、航空、高科技等領(lǐng)域具有重要的作用，已被美、俄、英、法等軍事強(qiáng)國及日本等國高度重視，列為重點(diǎn)發(fā)展的2l世紀(jì)具有戰(zhàn)略意義的結(jié)構(gòu)金屬。鈦科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，包括新合金、新熔煉技術(shù)、新加T技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)等方面，正發(fā)生著日新月異的變化。中國鈦工業(yè)經(jīng)歷了近40年的風(fēng)風(fēng)雨雨，在國家支持下，已有了很大的進(jìn)步，建立了自已獨(dú)立的鈦工業(yè)體系。以2 000年中國海綿鈦產(chǎn)量1 751 t、鈦加工材產(chǎn)量2206 t為基數(shù)，2008年中國海綿鈦生產(chǎn)了49632t，8年增長了27.3倍；2008年中國生產(chǎn)了鈦加丁材27737t，增長了11.6倍。
由于鈦合金原材料成本較高，國外70％~80％的鈦材料用在航空、航天工業(yè)上。我國航空、航天領(lǐng)域?qū)︹伜辖鸬男枨笠蔡貏e大。目前我國在研的先進(jìn)飛機(jī)鈦合金用量比例在10％～12％左右，軍用飛機(jī)的用鈦量比例更高，在20％~30％左右，而軍用飛機(jī)發(fā)動機(jī)的用鈦量比例在30％以上。新型火箭、導(dǎo)彈的用鈦量也在增加。
本文主要綜述美、俄、英、日、中等國鈦在航空、航天領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的進(jìn)展，可為我國鈦工業(yè)的在航空、航天領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展起到一定的借鑒作用。
2、結(jié)構(gòu)鈦合金發(fā)展與應(yīng)用
隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)理念逐漸由過去的單純靜強(qiáng)度轉(zhuǎn)變到安全一壽命、破損一安全，直至現(xiàn)代的損傷容限設(shè)計(jì)理念．先進(jìn)鈦合金材料也逐步向具有高斷裂韌性和低裂紋擴(kuò)展速率的損傷容限型鈦合金方向發(fā)展。目前，國外發(fā)達(dá)國家已經(jīng)在新型損傷容限型鈦合金材料研制和在先進(jìn)飛機(jī)上的應(yīng)用方面走在了前列，特別是像中強(qiáng)度的Ti-6Al-4V ELI和高強(qiáng)度的Ti-6-222S等，已經(jīng)成功地應(yīng)用在了美國F-22、F-35和C-17等新一代飛機(jī)中。大大地提高了飛機(jī)的使用壽命和戰(zhàn)斗力。隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)理念的發(fā)展，鈦合金結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計(jì)思路在我國也開始得到關(guān)注。自“十五”以來，我國先后自主創(chuàng)新開發(fā)了TC4-DT中強(qiáng)高韌損傷容限型鈦合金和TC21高強(qiáng)高韌損傷容限型鈦合金，并建立了損傷容限型鈦合金的β加工技術(shù)，為我國新型飛機(jī)的研制奠定了材料應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)。為了滿足航空、航天結(jié)構(gòu)用鈦合金的發(fā)展需要，我國自主研發(fā)了低強(qiáng)高韌性的絲材鈦合金(NbTi)和管材合金(TAl8)，1300 MPa~2 000 MPa系列超高強(qiáng)度鈦合金(TB8、TB19、TB20)等，初步形成了具有中國特色的飛機(jī)結(jié)構(gòu)用新型鈦合金材料體系，奠定了新一代航空、航天結(jié)構(gòu)用鈦合金的應(yīng)用框架結(jié)構(gòu)。具體性能見表1。
Ti-6Al-4V(TC4鈦合金)是20世紀(jì)60年代初期研制的一種中等強(qiáng)度α-β型鈦合金，具用優(yōu)良的綜合性能，譽(yù)稱萬能合金，是最早最廣泛用于航空、航天結(jié)構(gòu)的通用鈦合金，包括板材、棒材和鍛鑄件等。該合金有較好的焊接和機(jī)械加工性能，細(xì)晶粒合金具有超塑性，采用超塑性成形/擴(kuò)散連接(SPF/DB)組合工藝可以制造復(fù)雜構(gòu)件。
高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鈦合金一般指抗拉強(qiáng)度在1000MPa以上的合金，目前代表國際先進(jìn)水平、并在飛機(jī)上獲得實(shí)際應(yīng)用的高強(qiáng)度鈦合金主要有亞穩(wěn)定β型合金Ti-15-3、β21S，近β型合金Ti-1023和α-β型兩相鈦合金B(yǎng)T22。用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鈦合金代替目前飛機(jī)結(jié)構(gòu)中常用的30CrMnSiA高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼可減重20％以上。
Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo(TC21)是20世紀(jì)70年代研制的一種高強(qiáng)、高韌、損傷容限型兩相鈦合金。該合金在熱機(jī)械處理后具有強(qiáng)度高、損傷容限性能好等優(yōu)點(diǎn)，以及優(yōu)良的抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力，適用于制造高強(qiáng)度、高韌性的承力構(gòu)件。通過添加Si元素使該合金在中溫保持較高強(qiáng)度，優(yōu)于Ti-6Al-4V。該合金板材可在室溫下進(jìn)行超塑性成形。
Ti-10V-2Fe-3Al(TB6)是20世紀(jì)70年代后期發(fā)展的一種高強(qiáng)、高韌近β型鈦合金。該合金具有比強(qiáng)度高、斷裂韌性好、淬透面積大、各向異性小、鍛造性能好和抗腐蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，兼有亞穩(wěn)B鈦合金的諸多優(yōu)點(diǎn)而不喪失α-β鈦合金的固溶特性，能滿足損傷容限設(shè)計(jì)需要和高結(jié)構(gòu)效益、高可靠性及低成本要求，最高工作溫度320℃。該合金主要產(chǎn)品有棒材、鍛件、厚板和型材。通過固溶及時效熱處理可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度、塑性和斷裂韌性的良好匹配，適于制造對強(qiáng)度、斷裂韌性有較高要求的結(jié)構(gòu)件。通過熱機(jī)械處理可獲得優(yōu)良的韌性和低裂紋擴(kuò)展率，適于斷裂韌性要求高的結(jié)構(gòu)。
3、高溫鈦合金發(fā)展與應(yīng)用
高溫鈦合金以其優(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。高溫鈦合金主要用在航空發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇、壓氣機(jī)中，如壓氣機(jī)盤、葉片、導(dǎo)航儀、連接環(huán)等。使用鈦合金替代原鎳基高溫合金可使壓氣機(jī)的重量降低30％~35％。國外先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的鈦用量比例達(dá)到了25~39％，如F100發(fā)動機(jī)的鈦合金用量占發(fā)動機(jī)總重量的25％，V2500發(fā)動機(jī)為31％，F(xiàn)119發(fā)動機(jī)為39％。高性能航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展需求牽引著高溫鈦合金的發(fā)展，使用溫度逐步提高，從20世紀(jì)50年代以Ti-6Al-4V合金為代表的400℃提高到了以IMl834合金為代表的600℃。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向更高溫度發(fā)展的兩大主要障礙。因此，600℃被認(rèn)為是鈦合金發(fā)展的“熱障”溫度。
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)國家十分重視高溫鈦合金的研發(fā)，先后研制出了在350~600℃使用的高溫鈦合金。前蘇聯(lián)在20世紀(jì)50年代末期就開發(fā)出了BT6，BT3-l，BT8，BT9等牌號的鈦合金，六七十年代又研制出了BT18、BT25合金。此后，為了提高高溫鈦合金的性能和工作壽命，在原有合金的基礎(chǔ)上改進(jìn)研制BT18y，BT25y，BT8M，BT8-1和BT8M—l等牌號的高溫鈦合金。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(xiàn)-110等先進(jìn)發(fā)動機(jī)中嘲。典型高溫鈦合金的主要技術(shù)指標(biāo)見表2。
俄羅斯的高溫鈦合金發(fā)展非常完善和成熟，形成了一套完整的鈦合金體系。在某一溫度級別有兩三個可選的高溫鈦合金牌號，如可在500℃下使用的合金有BT8、BT9和BT8-1，550℃使用的合金有BT25和BT25y，600℃使用的合金有BTl8y和BT36。俄羅斯推薦BT25y用于航空發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)450~550℃下使用的輪盤和轉(zhuǎn)子葉片，推薦BTl8y用于550~600℃下使用的輪盤。雖然BT36已研制出來，但似乎沒有受到相應(yīng)的重視。我國曾引進(jìn)了俄羅斯生產(chǎn)的BT36合金盤件和棒材，經(jīng)分析，該合金盤件和棒材上存在大量的成分偏析，成分均勻性的問題沒有得到很好地解決，而且其高溫性能也沒有達(dá)到IMl834合金的水平。
英國的高溫鈦合金發(fā)展得最為成熟，有自己獨(dú)立的體系，形成了不同溫度下使用的鈦合金牌號系列。到目前為止，IMl685合金是英國在航空發(fā)動機(jī)上應(yīng)用范圍最廣和數(shù)量最多的一種高溫鈦合金，如用于Rolls-Royes公司的RB211系列發(fā)動機(jī)、RBl99發(fā)動機(jī)、Adour發(fā)動機(jī)和M53發(fā)動機(jī)等。IMl829合金用于RB211-535C發(fā)動機(jī)的高壓壓氣機(jī)。制作的后3級盤、鼓筒及后軸用電子束焊為一體，取代了RB21l-535C上的鎳基合金材料，使轉(zhuǎn)子重量減輕30％。IMl834合金的成功研制又為一些高性能發(fā)動機(jī)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐，雖然研制出的時間并不長，但已在多種發(fā)動機(jī)上得到了試驗(yàn)和應(yīng)用，如波音777飛機(jī)選用的民用大型發(fā)動機(jī)Trent700(湍達(dá))，其高壓壓氣機(jī)的所有輪盤、鼓筒及后軸均用IMl834合金，采用電子束焊接工藝焊為一體。使得Trent700成為新型民用發(fā)動機(jī)中第一種采用全鈦高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的發(fā)動機(jī)，明顯地減輕了發(fā)動機(jī)的重量，EJ200發(fā)動機(jī)的高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子也采用了IMl834合金。IMl834也正用于普惠公司的PW350發(fā)動機(jī)上。
美國高溫鈦合金的發(fā)展也較為成熟，目前在發(fā)動機(jī)上使用量最大的合金主要是Ti-6Al-4V和Ti-6 242 S。Ti-1 100合金是在Ti-6 242 S合金成分的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整A1、Sn、Mo和Si元素的含量，使合金的最高使用溫度提高到600℃。據(jù)了解，Ti-1 100合金已用于制造萊康明公司T55-712改型發(fā)動機(jī)的高壓壓氣機(jī)輪盤和低壓渦輪葉片等零件。
我國鈦合金的發(fā)展主要是走仿制的路線，如TC11合金對應(yīng)的是BT9合金，TAll、TA19、TC17，對應(yīng)的美國牌號分別是Ti-811、Ti-6 242 S和Ti-17。近20年來，我國開始走邊仿制邊自行研制的路線，如高溫鈦合金TA12(Ti-55)，加人稀土元素Nd；Ti-60合金在TAl2合金的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加了AI、Sn和Si的含量，進(jìn)一步提高了合金的高溫蠕變性能和強(qiáng)度，使合金的使用溫度達(dá)到了600℃。國內(nèi)在英國IMl829合金的基礎(chǔ)上，加入稀土元素Gd，研制了550 ℃高溫鈦合金Ti-633。最近又在Ti-1 100合金的基礎(chǔ)上，添加了約0.1Y，命名為Ti-600。
4、低溫鈦合金發(fā)展與應(yīng)用
低溫下使用的結(jié)構(gòu)件要求在保持一定強(qiáng)度的同時，還要求有良好的塑性、低的熱導(dǎo)率和優(yōu)良的加工性能。國內(nèi)外低溫用結(jié)構(gòu)材料主要是不銹鋼、鋁合金、鈦合金和鎳基合金等113J。鈦合金在低溫下具有良好的綜合性能，多年來一直受到世界各國的普遍重視。低溫下鈦合金屈服強(qiáng)度大幅上升，約為奧氏體不銹鋼的3-6倍；但斷裂韌性隨溫度降低而降低，約為奧氏體不銹鋼的0.25~0.5。由于鈦合金的密度比不銹鋼小得多，并且在低溫下熱傳導(dǎo)率低、膨脹系數(shù)小、無磁性，所以在航空航天、超導(dǎo)等領(lǐng)域作為一種重要的低溫工程材料來使用。
在低溫下具有bee結(jié)構(gòu)的β鈦合金和其他體心立方金屬一樣，其塑一脆轉(zhuǎn)變溫度(TPR)較高，隨著溫度降低，塑韌性降低，一般不能在低溫下使用。α和近α鈦合金的TPR普遍很低，在低溫下也有很好的塑性，因此目前國際上公認(rèn)的一些低溫鈦合金基本都屬于α和近α鈦合金。在α-β鈦合金中，含β相較少的鈦合金，如Ti-6Al-4V ELI，在液氫溫度下(22K)中也能夠很好使用。純鈦和Ti-5Al-2.5Sn ELl等α鈦合金在液氦溫度(4.2K)中是一種理想的低溫結(jié)構(gòu)材料，但必須控制合金成分以外的雜質(zhì)，特別是氧和鐵的含量。鐵、氧成分的增加使得鈦材低溫脆性增加，另外鐵、錳等β相穩(wěn)定元素的增加，易使材料產(chǎn)生缺口脆化。
前蘇聯(lián)在低溫鈦合金的研制及應(yīng)用方面曾居世界領(lǐng)先水平，其早期研制的α鈦合金OT4，OT4-1，BT5-1KT，HT-3BKT等合金已在航天火箭裝備中獲得大量應(yīng)用。這些合金在2K下強(qiáng)度提高到了1400 MPa，而延伸率仍保持在10％以上。美國研制和應(yīng)用的低溫鈦合金主要包括Ti-5Al-2.5Sn、Ti-8Al-1Mo-1V、Ti-6A1-3Nb-2Zr等低溫α鈦合金。
中國在低溫鈦合金研制與應(yīng)用方面比美國及俄羅斯起步要晚一些，我國繼開展了對已有的TA7、TC1、TC4等鈦合金的低溫性能測試和應(yīng)用研究之后，在“九五”期間研制出適用于低溫管路系統(tǒng)的鈦合金，合金系為Ti-Al-Zr，Ti-A1-Zr-Mo，Ti-Al-Sn-Mo，Ti-Al-Zr-Sn-Mo等。有關(guān)中國研制的型低溫鈦合金的典型性能見表3。
5、緊固件鈦合金發(fā)展與應(yīng)用
國外鈦合金緊固件的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，各種薪新型緊固件不斷出現(xiàn)。大型民用飛機(jī)單機(jī)鈦合金緊固件的用量達(dá)到數(shù)十萬件。在同樣的強(qiáng)度指標(biāo)下，鈦緊固件比鋼的質(zhì)量要輕70％，而且，鈦合金的疲勞強(qiáng)度和對應(yīng)力集中的的敏感性優(yōu)于類似用途的鋼，在各種氣候條伴下具有高的抗腐蝕穩(wěn)定性，因此鈦緊固件的應(yīng)用對于航空裝備是非常重要的。
5.1 緊固件鈦合金的發(fā)展
鈦合金緊固件主要采用三類材料：第一類是低Mo當(dāng)量的α-β型兩相合金，如Ti-6Al-4V；第二類是亞穩(wěn)定β合金，有美國的βIII，Ti-44.5Nb，Ti-15-3以及我國的TB2，TB3和TB8；第三類是亞臨界成分的α-β型兩相合金，如俄羅斯的BT16。下表為鈦合金緊圊件材料的特性。
Ti-6Al-4V是低Mo當(dāng)量α-β型兩相合金，在三類合金中β穩(wěn)定系數(shù)最低(只有0.27)，而鋁當(dāng)量則最高(達(dá)到6)。所以在退火狀態(tài)的B相含量只有7％(體積分?jǐn)?shù))。它的優(yōu)點(diǎn)是密度最低，強(qiáng)度和疲勞性能最好，成分最簡單，半成品成本最低。但由于室溫塑性沒有達(dá)到足夠高，所以加工緊固件時需要采用感應(yīng)加熱進(jìn)行熱鐓成形，以及真空固溶處理加時效處理，加丁成本較高。
第二類為β合金(如TB2，TB3，TB5，TB8等)，與α-β型合金完全不同，β穩(wěn)定系數(shù)很高，在1.15~1.97范圍內(nèi)，而鋁當(dāng)量則降低到3左右。所以在固溶處理時可獲得單一β相，從而能在室溫下冷鐓成形螺栓和鉚釘，加工成本低，缺點(diǎn)是密度高，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)行真空時效處理，所以成品緊固件的成本仍要高于Ti-6Al-4V，而使用溫度也比Ti-6Al-4V低。
BTl6合金的密度比Ti-6Al-4V要略高一些，但顯著低于β合金。BT16合金β穩(wěn)定系數(shù)為0.83，介于上述兩類之間，接近臨界成分(β穩(wěn)定系數(shù)為1)。在β穩(wěn)定元素和Ti組成的二元合金中，隨著β穩(wěn)定元素含量
的增加，晶粒尺寸逐漸減小，在l臨界濃度附近，α和β相數(shù)量相等，晶粒尺寸達(dá)到最小。穩(wěn)定元素進(jìn)一步增加時，晶粒尺寸增加。較小的β晶粒和在退火狀態(tài)下高達(dá)25％(體積分?jǐn)?shù))的β相含量決定了BT16合金具有優(yōu)異的室溫T藝塑性。所以BTl6合金具備了室溫條件下完成緊固件頭部的快速鐓粗的條件，即冷鐓。
5.2 緊固件鈦合金的應(yīng)用
Ti-6Al-4V是一種中等強(qiáng)度的α-β型兩相鈦合金，具有優(yōu)異的綜合性能，半成品規(guī)格齊全，有鈦棒材、鍛件、鈦合金板、薄板、型材和絲材等。該合金長時間工作溫度可達(dá)400℃，在航空和航天工業(yè)中獲得了最廣泛的應(yīng)用，是美國和西歐各國在航空和航天部門應(yīng)用的主要緊固件材料。俄羅斯鈦合金緊固件主要采用BT16鈦合金。BT16合金屬于Ti-Al-Mo-V系α-β型高強(qiáng)鈦合金，主要半成品是熱軋棒材和冷鐓用磨光棒、絲材，主要用于制造緊固件，如螺栓、螺釘、螺母和鉚釘?shù)取Ｗ罡吖ぷ鳒囟?50℃。該合金在固溶時效狀態(tài)下的強(qiáng)度比Ti-6Al-4V合金稍低，主要優(yōu)點(diǎn)是在退火狀態(tài)下可以冷鐓成形，因而明顯提高了生產(chǎn)效率以冷變形方式制造的緊固件在俄羅斯的機(jī)械制造業(yè)得到廣泛應(yīng)用，也是俄羅斯航空和航天部門應(yīng)用的主要標(biāo)準(zhǔn)件材料，在本國的某些型號飛機(jī)上也得到應(yīng)用。該合金有兩種使用狀態(tài)：冷變形強(qiáng)化不進(jìn)行熱處理和熱鐓成形加固溶時效處理。
βIII合金于1969年作為緊固件材料列入AMS4977規(guī)范，在飛機(jī)上有一些應(yīng)用，但在1987年AMS4977B中即宣布：宇航材料部門建議βIII合金不再作為標(biāo)準(zhǔn)件材料用于未來新的設(shè)計(jì)。據(jù)最近資料報道，該合金已停止生產(chǎn)。Ti-44.5Nb作為鉚釘專用材料于1974年列入AMS4982規(guī)范，2002年修訂為AMS4982C，至今仍然使用，但只是在Ti-6Al-4V鉚釘?shù)念^部焊上一小段，使之進(jìn)行冷鉚。Ti-15-3(TB5)最早是作為薄板于1984年列人AMS4914規(guī)范。TB5和TB8在中國分別作為阻力傘粱和導(dǎo)風(fēng)罩(高溫使用)的配套鉚釘和螺釘用于某型號飛機(jī)。TB2和TB3是我國自行研制的β合金。TB2早期用于板材零件，后在某些型號上作為鉚釘應(yīng)用。TB3開始即作為螺栓研制的材料，也已在某些型號上應(yīng)用。
6、結(jié)論
鈦是我國發(fā)展國防、航空、高科技等領(lǐng)域重要結(jié)構(gòu)材料，具有重要的戰(zhàn)略意義。目前我國的海綿鈦和鈦加工材的研發(fā)水平、產(chǎn)能產(chǎn)量已躋身世界前列，今后的發(fā)展方向應(yīng)該著重根據(jù)應(yīng)用需要，結(jié)合國際發(fā)展趨勢，研究開發(fā)更高性能的合金，提高鈦生產(chǎn)行業(yè)的技術(shù)水平，由一個鈦工業(yè)大國向鈦工業(yè)強(qiáng)國邁進(jìn)。
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