1、引言

钛从本世纪四十年代实现工业化出产以来，因其拥有比强度高、耐侵蚀性好、无磁、焊接机能好等特点，并拥有超导、贮氢、影象蹬着点被宽泛利用于航天航空、军事工业、海洋开发、石油化工、发电、超导等领域，占佑装全能金属”、“海洋金属”、“第三金属”、“现代金属”等美誉。随着钛的优异机能不休挖掘，其利用领域还在不休扩大，将成为继钢、铝之后的第三结构金属。鉴于钛在国防、航空、高科技等领域拥有沉要的作用，已被美、俄、英、法等军事强国及日本等国高度器沉，列为沉点发展的2l世纪拥有战术意思的结构金属。钛科学与技术的发展，蕴含新合金、新熔炼技术、新加T技术和利用技术等方面，正产生着一日千里的变动。中国钛工业经历了近40年的风风雨雨，在国度支持下，已有了很大的进取，成立了自已独立迪胙工业系统。以2 000年中国海绵钛产量1751t、钛加工材产量2206t为基数，2008年中国海绵钛出产了49632 ，8年增长了27.3倍；2008年中国出产了钛加丁材27737t，增长了11.6倍。

由于钛合金原资料成本较高，国表70％一80％迪胙资料用在航空、航天工业上。我国航空、航天领域对钛合金的需要也出格大。目前我国在研的先进飞机钛合金用量比例在10％～12％左右，军用飞机的用钛量比例更高，在20％一30％左右，而军用飞机发起机的用钛量比例在30％以上。新型火箭、导弹的用钛量也在增长。

本文重要综述美、俄、英、日、中等国钛锻件在航空、航天领域的钻研和利用的进展，可为我国钛工业的在航空、航天领域的利用和发展起到肯定的借鉴作用。

2、结构钛合金发展与利用

随着飞机设计理想逐步由从前的单纯静强度转变到安全一寿命、破损一安全，直至现代的危险容限设计理想．先进钛合金资料也逐步向拥有高断裂韧性和低裂纹扩大速度的危险容限型钛合金方向发展。目前，国表蓬勃国度已经在新型危险容限型钛合金资料研造和在先进飞机上的利用方面走在了前列，出格是像中强度的Ti-6Al-4V ELI和高强度的Ti-6-2222S等，已经成功地利用在了美国F-22、F-35和C-17等新一代飞机中。大大地提高了飞机的使用寿命和战斗力。随着飞机设计理想的发展，钛合金结构的危险容限设计思路在我国也起头得到关注。自“十五”以来，我国先后自主创新开发了TC4一DT中强高韧危险容限型钛合金和TC21高强高韧危险容限型钛合金，并成立了危险容限型钛合金的β加工技术，为我国新型飞机的研造奠定了资料利用技术基础。为了满足航空、航天结构用钛合金的发展必要，我国自主研发了低强高韧性的丝蚕胙合金(NbTi)和管材合金(TAl8)，1300 MPa一2000 MPa系列超高强度钛合金(TB8、TBl9、TB20)等，初步形成了拥有中国特色的飞机结构用新型钛合金资料系统，奠定了新一代航空、航天结构用钛合金的利用框架结构。具体机能见表1。

Ti-6Al-4V(TC4)是20世纪60年代初期研造的一种中等强度α-β型钛合金，具用良好的综合机能，誉称全能合金，是最早最宽泛用于航空、航天结构的通用钛合金，蕴含板材、棒材和锻铸件等。该合金有较好的焊接和机械加工机能，细晶粒合金拥有超塑性，选取超塑性成形／扩散衔接(SPF/DB)组合工艺能够造作复杂构件。

高强度结构钛合金通常指抗拉强度在1000MPa以上的合金，目前代表国际先进水平、并在飞机上获得现实利用的高强度钛合金重要有亚不变β型合金Ti-15-3、β321s，近β型合金Ti-1023和α-β型两相钛合金BT22。用高强度结构钛合金包办目前飞机结构中常用的30CrMnSiA高强度结构钢可减沉20％以上。

Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo(TC21)是20世纪70年代研造的一种高强、高韧、危险容限型两相钛合金。该合金在热机械处置后拥有强度高、危险容限机能好蹬着点，以及良好的抗委顿裂纹扩大能力，合用于造作高强度、高韧性的承力构件。通过增长Si元素使该合金在中温维持较高强度，优于Ti-6AI-4V。该合金板材可在室温下进行超塑性成形。

Ti-10V-2Fe-3Al(TB6)是20世纪70年代后期发展的一种高强、高韧近β型钛合金。该合金拥有比强度高、断裂韧性好、淬透面积大、各向异性幼、铸造机能好和抗侵蚀能力强蹬着点，兼有亚稳β钛合金的诸多利益而不失落(It—B钛合金的固溶个性，能满足危险容限设计必要和高结构效益、高靠得住性及低成本要求，最高工作温度320℃。该合金重要产品有棒材、锻件、厚板和型材。通过固溶实时效热处置可实现强度、塑性和断裂韧性的优良匹配，适于造作对强度、断裂韧性有较高要求的结构件。通过热机械处置可获得良好的韧性和低裂纹扩大率，适于断裂韧性要求高的结构。

3、高温钛合金发展与利用

高温钛合金以其良好的热强性和高比强度，在航空发起机上获得了宽泛的利用。高温钛合金重要用在航空发起机的电扇、压气机中，如压气机盘、叶片、导航仪、衔接环等。使用钛合金代替原镍基高温合金可使压气机的沉量降低30％一35％。国表先进航空发起机迪胙用量比例达到了25~39％，如F100发起机迪胙合金用量占发起机总沉量的25％，V2500发起机为31％，F119发起机为39％。高机能航空发起机的发展需要牵引着高温钛合金的发展，使用温度逐步提高，从20世纪50年代以Ti-6Al-4V合金为代表的400℃提高到了以IMl834合金为代表的600℃。在600℃以上，蠕变抗力和高温抗氧化性的急剧降落是限度钛合金向更高温度发展的两大重要阻碍。因而，600℃被以为是钛合金发展的“热障”温度。

多年来，为了满足高机能航空发起机的需要，欧美、俄罗斯等航空工业蓬勃国度十吩祺沉高温钛合金的研发，先后研造出了在350~600℃使用的高温钛合金。前苏联在20世纪50年代末期就开发出了BT6，BT3-l，BT8，BT9等商标迪胙合金，六七十年代又研造出了BTl8、BT25合金。尔后，为了提高高温钛合金的机能和工作寿命，在原有合金的基础上改进研造BTl8y，BT25y，BT8M，BT8-1和BT8M-1等商标的高温钛合金。

近年来又研发了BT36钛合金，别离用于HK8，IIC90A等发起机。同样，美国也将Ti64，Ti811，Ti6242等钛合金 别离用于JT90，F-110等先进发起机中嘲。典型高温钛合金的重要技术指标见表2。

俄罗斯的高温钛合金发展极度美满和成熟，形成了一套齐全迪胙合金系统。在某一温度级别有两三个可选的高温钛合金商标，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。俄罗斯推荐BT25y用于航空发起机高压压气机450-550℃下使用的轮盘和转子叶片，推荐BTl8y用于550—600't3下使用的轮盘。固然BT36已研造出来，但似乎没有受到相应的器沉。我国曾引进了俄罗斯出产的BT36合金盘件和棒材，经分析，该合金盘件和棒材上存在大量的成吩飓析，成吩旖均性的问题没有得到很好地解决，并且其高温机能也没有达到IMl834合金的水平。

英国的高温钛合金发展得最为成熟，有自己独立的系统，形成了分歧温度下使用迪胙合金商标系列。到目前为止，IMl685合金是英国在航空发起机上利用领域最广和数量最多的一种高温钛合金，如用于Rolls-Royes公司的RB211系列发起机、RBl99发起机、Adour发起机和M53发起机等。IMl829合金用于RB211-535C发起机的高压压气机。造作的后3级盘、鼓筒及后轴用电子束焊为一体，取代了RB211-535C上的镍基合金资料，使转子沉量减轻30％。IMl834合金的成功研造又为一些高机能发起机提供了坚实的技术支持，固然研造出的功夫并不长，但已在多种发起机上得到了试验和利用，如波音777飞机选用的民用大型发起机Trent700(湍达)，其高压压气机的所有轮盘、鼓筒及后轴均用IMl834合金，选取电子束焊接工艺焊为一体。使得Trent700成为新型民用发起机中第一种选取全钛高压压气机转子的发起机，显著地减轻了发起机的沉量，EJ200发起机的高压压气机转子也选取了IMl834合金。IMl834也正用于普惠公司的PW350发起机上。

美国高温钛合金的发展也较为成熟，目前在发起机上使用量最大的合金重要是Ti-6Al-4V和Ti-6242S。

Ti-1100合金是在Ti-6242 S合金成分的基础上，通过调整Al、Sn、Mo和Si元素的含量，使合金的最高使用温度提高到600℃。据相识，Ti一1 100合金已用于造作莱康明公司T55-712改型发起机的高压压气机轮盘和低压涡轮叶片等零件。

我国钛合金的发展重要是走仿造的路线，如TC11合金对应的是BT9合金，TA11、TA19、TC17，对应的美国商标别离是Ti-811、Ti-6242S和Ti-17。近20年来，我国起头走边仿造边自行研造的路线，如高温钛合金TA12(Ti-55)，加人稀土元素Nd；Ti-60合金在TAl2合金的基础上，适当增长了Al、Sn和Si的含量，进一步提高了合金的高温蠕变机能和强度，使合金的使用温度达到了600 ℃。国内涵英国IMl829合金的基础上，参与稀土元素Gd，研造了550℃高温钛合金Ti-633G。最近又在Ti-1100合金的基础上，增长了约0.1Y，定名为Ti-600。

4、低温钛合金发展与利用

低温下使用的结构件要求在维持肯定强度的同时，还要求有优良的塑性、低的热导率和良好的加工机能。国内表低温用结构资料重要是不锈钢、铝合金、钛合金和镍基合金等。钛合金在低温下拥有优良的综合机能，多年来一向受到世界列国的普遍器沉。低温下钛合金屈服强度大幅上升，约为奥氏体不锈钢的3~6倍；但断裂韧性随温度降低而降低，约为奥氏体不锈钢的0.25~0.5。由于钛合金的密度比不锈钢幼得多，并且在低温下热传导率低、膨胀系数幼、无磁性，所以在航空航天、超导等领域作为一种沉要的低温工程资料来使用。

在低温下拥有bee结构的β钛合金和其他体心立方金属一样，其塑一脆转变温度(TPR)较高，随着温度降低，塑韧性降低，通常不能在低温下使用。α和近α钛合金的TPR普遍很低，在低温下也有很好的塑性，因而目前国际上公认的一些低温钛合金根基都属于α和近α钛合金。在α-β钛合金中，含β相较少迪胙合金，如Ti-6Al-4V ELI，在液氢温度下(22 K)中也可能很好使用。纯钛和Ti-5Al-2.5Sn ELl等α钛合金在液氦温度(4.2 K)中是一种梦想的低温结构资料，但必须节造合金成分以表的杂质，出格是氧和铁的含量。铁、氧成分的增长使得钛材低温脆性增长，另表铁、锰等β相不变元素的增长，易使资料产生缺口脆化。

前苏联在低温钛合金的研造及利用方面曾居世界当先水平，其早期研造的α钛合金OT4，OT4-l，BT5-1KT，TT-3BKT等合金已在航天火箭设备中获得大量利用。这些合金在2 K下强度提高到了1400 MPa，而延长率仍维持在10％以上。美国研造和利用的低温钛合金重要蕴含Ti-5Al-2.5Sn、Ti-8Al-1Mo-1V、Ti-6Al-3Nb-2Zr等低温α钛合金。

中国在低温钛合金研造与利用方面比美国及俄罗斯起步要晚一些，我国继发展了对已有的TA7、TC1、TC4等钛合金的低温机能测试和利用钻研之后，在“九五”期间研造出合用于低温管路系统迪胙合金，合金系为Ti-Al-Zr，Ti-A1-Zr-Mo，Ti-AIL-Sn-Mo，Ti-Al-Zr-Sn-Mo等。有关中国研造的型低温钛合金的典型性见表3。

5、紧围件钛台金发展与利用

国表钛合金紧固件的利用已十吩煺遍，各类新型紧固件不休出现。大型民用用度单机钛合金紧固件的用量达到数十万件。在同样的强度指标下，钛紧固件比钢的质量要轻70％，并且，钛合金的委顿强度和对应力集集中的敏感性优于类类似用处的钢，在各各类气象条伴下拥有高的抗侵蚀不变性，毽因而钛紧圈件的利用对于航空设备是极度沉要的。

5.1 紧固件钛合金的发展

钛合金紧固件重要选取三类资料：第一类是低Mo当量的α-β型两相合金，如Ti-6Al-4V；第二类是亚不变β合金，有美国的βIII，Ti-44.5Nb，Ti-15-3以及我国的TB2，TB3和TB8；第三类是亚临界成分的α-β型两相合金，如俄罗斯的BT16l。下表为钛合金紧固件资料的个性。

Ti-6Al-4V是低Mo当量α-β型两相合金，在三类合金中β不变系数最低(只有0.27)，而铝当量则最高(达到6)。所以在退火状态的β相含量只有7％(体积分数)。它的利益是密度最低，强度和委顿机能最好，成分最单一，半制品成本最低。但由于室温塑性没有达到足够高，所以加工紧固件时必要选取感应加热进行热镦成形，以及真空固溶处置加时效处置，加工成本较高。

第二类为β合金(如TB2，TB3，TB5，TB8等)，与α-β型合金齐全分歧，Bβ不变系数很高，在1.15~1.97领域内，而铝当量则降低到3左右。所以在固溶处置时可获得单一β相，从而能在室温下冷镦成形螺栓和铆钉，加工成本低，弊端是密度高，强度虽与Ti-6Al-4V相当，但委顿机能不如Ti-6Al-4v，并且成分复杂，半制品成本高。由于同样必要进行真空时效处置，所以制品紧固件的成本仍要高于Ti-6Al-4V，而使用温度也比Ti-6Al-4V低。

BT16合金的密度比Ti-6Al-4V要略高一些，但显著低于β合金。BT16合金β不变系数为0.83，介于上述两类之间，靠近临界成分(β不变系数为1)。在β不变元素和Ti组成的二元合金中，随着β不变元素含量的增长，晶粒尺寸逐步减幼，在l临界浓度左近，α相和β相数量相称，晶粒尺寸达到最幼。不变元素进一步增长时，晶粒尺寸增长。较幼的p晶粒和在退火状态下高达25％(体积分数)的β相含量决定了BT16合金拥有优异的室温T艺塑性。所以BT16合金具备了室温前提下实现紧固件头部的急剧镦粗的前提，即冷镦。

4.2 紧固件钛合金的利用

Ti-6A1-4V是一种中等强度的α-β型两相钛合金，拥有优异的综合机能，半制品规格齐全，有钛棒材、钛锻件、厚板、薄板、型材和丝材等。该合金长功夫工作温度可达400℃，在航空和航天工业中获得了最宽泛的利用，是美国和西欧列国在航空和航天部门利用的重要紧固件资料。俄罗斯钛合金紧固件重要选取BT16钛合金。BT16合金属于Ti-Al-Mo-4V系α-β型高强钛合金，重要半制品是热轧棒材和冷镦用磨光棒、丝材，重要用于造作紧固件，如螺栓、螺钉、螺母和铆钉等。最高工作温度350℃。该合金在固溶时效状态下的强度比Ti-6Al-4V合金稍低．重要利益是在退火状态下能够冷镦成形，因而显著提高了出产效能以冷变形方式造作的紧固件在俄罗斯的机械造作业得到宽泛利用，也是俄罗斯航空和航天部门利用的重要尺度件资料，在本国的某些型号飞机上也得到利用。该合金有两种使用状态：冷变形强化不进行热处置和热镦成形加固溶时效 处置。

βIII合金于1969年作为紧固件资料列入AMS4977规范，在飞机上有一些利用，但在1987年AMS4977B中即颁发：宇航资料部门建议β11I合金不再作为尺度件资料用于未来新的设计。据最近资料报路，该合金已终场出产。Ti-44.5Nb作为铆钉专用资料于1974年列入AMS4982规范，2002年订正为AMS4982C，至今依然使用，但只是在Ti-6Al-4V铆钉的头部焊上一幼段，使之进行冷铆。Ti-15-3(TB5)最早是作为薄板于1984年列入AMS4914规范。TB5和TB8在中国别离作为阻力伞粱和导风罩(高温使用)的配套铆钉和螺钉用于某型号飞机。TB2和TB3是我国自行研造的β合金。TB2早期用于板材零件，后在某些型号上作为铆钉利用。

TB3起头即作为螺栓研造的资料，也已在某些型号上利用。

5、结论

钛是我国发展国防、航空、高科技等领域沉要结构资料，拥有沉要的战术意思。目前我国的海绵钛和钛加工材的研发水平、产能产量已跻出身界前列，今后的发展方向应该着沉凭据利用必要，结合国际发展趋向，钻研开发更高机能的合金，提高钛出产行业的技术水平，由一个钛工业大国向钛工业强国迈进。

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