钛合金拥有比强度高、耐蚀性好和耐高温的显著

特点，在20世纪50年代起头，首吓咨于航空航天技术

的火急必要，钛工业得到了迅速的发展， 目前，钛合

金已经宽泛利用于航空、航天、兵器、化工、汽车、

体育、医疗等领域
。凭据钛合金的机能特点与用处，

钛合金大体可分为三种重要类别：结构合金、耐蚀合

金以及生物合金
。航空领域中，结构资料要保障飞机

机体和发起机零件在复杂前提下拥有优良的工作能力，

在．250～600℃之间，钛的比强度居于常用金属资料之

首，与密度更轻的铝合金相比，尤其拥有更好的高温

强度，因而钛合金作为结构资料，很合用于航空发起

机部件以及其它航空构架的结构资料，航空资料已成

为钛合金最重要的利用之一
。近年来，随着航空技术

的发展，军用及民用飞机不休换代，航空钛合金的发

展出现两个特点：高用量和高机能
。如美国F22战斗机

迪胙用量达~142％ ，V2500发起机迪胙用量达到3 1％，

民用飞机用量也在不休增长，预计到2020年，民用飞

机迪胙市场将达到2．8万吨，对于高机能钛合金，新型

飞机逐步钻营轻量化，要求钛材拥有更高的强度，先

进航空发起机必要更高的推沉比，也要求钛材拥有更

好的高温强度和阻燃性
Ｄ芄凰，钛合金的利用与发

展已成为航空技术发展的沉要成分之一
。

1 钛合金在航空领域的利用近况

1．1 钛合金在飞机机身构架中的利用

钛合金在机身构架中重要用于防火壁、蒙皮、隔

框、大梁、舱门、起落架、翼肋、紧固件、导管、拉

杆等部件
。钛合金在使用初期，钛合金重要利用于受

力不大的结构件，如飞机支座、接头、框架、隔热板、

减速板等，其中不乏铸件，其中最早利用迪胙合金铸

件之一是襟翼滑轨
。经过早期的这些相对单一的非关

键性结构件在飞机上的利用证明：钛合金在飞机上应

用是靠得住的
。从20世纪80年代起头，随着钛合金部件

成型技术和自身质量的大幅提升，不少受力结构件也

起头选用钛合金，如波音飞机上吊装CF6．80发起机的

装置吊架，是受力前提极度严格的结构 ”
。近年来，

美国、俄罗斯等蓬勃国度对飞机机身上钛合金的用量

不休增长
。在军用飞机领域，钛合金的用量发展长短

常迅速的，俄罗斯的伊尔76运输机迪胙用量达到12％，

法国幻影2000和俄罗斯CY一27CK战斗机迪胙用量别离

达到23％和180／／0[2]
。表1为美国重要军用飞机上钛合金

的用量引，其中F．22和F．35战斗机、B1和B2轰炸机迪胙

合金用量达到了20％以上
。民用飞机迪胙用量也在不

断扩大，目前国表主流民航机中机体用钛材量占机身

总沉达到6％以上
。表2为美国及欧洲民航飞机迪胙用

量【 ，其中美国波音787飞机在研造过程中，为了达到

大幅减沉以达到降低20％的油耗，投人3亿美元研发经

费，大量选取钛合金代替铝合金，最终整个飞机机体

钛合金用量达到11％，在民用飞机领域已达到了很高

的比沉
。俄罗斯在研造的新一代客机MS-21迪胙合

金用量达到了25％ ，打算在2016年向市场推出，将成

为世界上钛合金用量最高的民用飞机
。

为了降低成本，钛合金铸件的利用领域也在不休

扩大
。在20世纪90年代中期，美国研造的高机能第四

代歼击机F．22上已选取了大量迪胙合金铸件，总沉达

到600 kg，其中有些是极度沉要的关键件，如机身壁

肋铸件和方向舵传动装置支架
。军用运输机C一17的吊

挂头准为钛合金整体薄壁精铸件，最薄壁厚1．25 mm，

最大壁厚差近9 mm[4]
。美国波音757、767、777及787

也都选取了大量迪胙合金铸件，其中波音777使用了两

种典型迪胙合金铸件，一件是Apu风导管，另一件是

长度达到3 048 mm的状态复杂的隔热屏
。欧盟国度造

造的A330／A340空中客车上也选用了大量钛合金铸件，

其中典型的是内着陆襟翼系统上的耳轴和飞机支持

架_5]，A380客机迪胙合金刹车扭力管由英国Doncasters

公司选取离心熔模精铸铸造技术研造，初次取代了锻

件[6】
。我国在军用飞机上钛合金的利用起步较晚，我国

在20世纪80年代研发的歼八战斗机钛合金的用量仅为

2％，沉量为93 ，歼十战斗机钛合金的用量提高到

3％，但与国表第三代、第四代军用飞机迪胙用量相

比，依然存在很大差距
。近年来，我国加大了钛合金

在军用航空领域的利用，预计我国新一代高机能战斗

机迪胙用量将达到25％～30％l 3_
。在民用飞机领域，我

国商用支线客机ARJ21迪胙合金用量为4．8％ ，我国自

主研发的C919大型客机迪胙合金用量达到了9．3％，超

过了美国波音777飞机，2014年9月，C919客机首架机

在中国商飞公司新落成的总装造作中心正式起头机体

对接，这标志取C919大型客机研造项目全面进入结构

总装攻坚阶段，项见识争年底实现首架机机体结构对

接，2015年底实现首飞
。

1．2 钛合金在航空发起机中的利用

喷气发起机是飞机的心脏，其部件接受着高温、

高压环境的考验，要求合金在650℃ 以下有着优良的

抗高温强度、抗蠕变性和抗氧化性
。因铝合金使用温

度过低，钢的密度太大，所以钛合金成为了最佳选择
。

目前，钛合金以其优异的个性在飞机上的利用日趋扩

大，在喷气发起机中可用于压气盘、静叶片、动叶片、

机壳、点火室表壳、排气机构表壳、中心体、喷气管、

机匣等_1_
。其中，叶片、机匣等部件目前已选取钛合金

铸件，Rolls—Royce(Trent900)和GE／Pratt&Whitney

Engine Alliance(GP7200)两家公司出产的A380空中

客车新型发起机的电扇直径为3 m左右，并选取中空钛

电扇叶片
。随着航空发起机对推沉比和刚度要求的提

高，要求一些关键钛合金结构件做成大型复杂薄壁的

整体精铸件，因而目前大型复杂薄壁钛合金整体结构

精铸技术已得到了充分发展
。表3为欧美国度一些航空

发起机迪胙用量 
Ｄ芄豢闯，国表先进航空发起机的

钛用量通常在25％以上
。我国早期研造的航空发起机

钛用量很低，1978年研造的涡喷13系列发起机迪胙用

量达到13％，2002年设计的昆仑涡喷发起机迪胙用量

达到150／／0[7]，预计我国新一代航空涡扇发起机迪胙用量

将达30％以上
。

2 航空用高机能钛合金的发展示状

2．1 高强度钛合金

高强度钛合金是为了满足机身减沉和高负载部件

的使用而提出的，在飞机上用于机身的承力隔梁、起

落架的扭力臂、支柱等
。目前高强度钛合金的钻研主

要以p钛合金为主，也蕴含 +p两相合金，合金化的主

要特点是参与较多的B不变元素，如v、Cr、Mn、Fe等

元素，严格节造N、H、0等气体元素含量，并在高温

下的固溶时效处置得到不变的B相组织
。目前，拥有代

表性的高强度钛合金重要有Ti1023、Ti153、21S、

Ti6—22．22S和BT22等，合金时效后的抗拉强度达到

1 000 MPa以上
。美国研造的Ti一1023(Ti．IOV一2Fe．3A1)

是目前利用最为宽泛的高强韧近13钛合金，已成功利用

于C．17大型运输机的起落架、波音777客机的起落架以

及大型客机A380的主起落架支柱闻
。Ti153(Ti．15V一

3Cr．3A1．3Sn)拥有优良的冷变形性，已利用于波音777

上的节造系统管路和灭火罐，代替了低强度通常钛合

金[9]
。[321S (Ti．15Mo一3A1．2．7Nb．0．2Si)除了拥有较高

的强度表，还拥有优良的抗蠕变机能，被用于波音777

飞机的引擎P&W4084、GE90和Trent800中的喷嘴、蒙

皮和各类纵梁结构[ 
。Ti6．22—22S (Ti一6A1—2Sn一2Zr一

2Mo．2Cr一0．2Si)是美国RMI公司研造的c~+13型合金，

拥有优良的强韧性匹配，热处置后拥有深淬透性(断

面直径达100 mm)和极好的超塑性成型能力，用于

F22战斗机下部龙骨的翼弦 
。俄罗斯研造的BT22

(Ti．5V．5Mo一1Cr．1Fe．5A1)退火状态下为c~+13结构，该

合金塑性和焊接机能优异，已用于IL一86和IL一96—300的

机身、机翼、起落架等高负载航空部件，为了进一步

提高强度，研发人员对BT22进行了改进，在其中参与

sn、zr等元素， 即BT22M合金，其室温强度达到

1 200 MPa以上，用于出产飞机发起机盘和叶片?]
。

我国上世纪60年代起头自主开发了TB6、TB10、

TC21等高强度钛合金，其中TC21和TB10最为典型，

TC21强度达到l 100 MPa，韧性好，拥有优异的高危险

容限机能和委顿机能，是目前我国综合力学机能最佳

的高强度钛合金，合用于造作飞机大型整体框梁类沉

要承力构件_l2]，TB10比强度高，断裂韧度好，淬透性

高，已在我国航空领域获得了现实利用
。

2．2 高温钛合金

高温钛合金是现代航空发起机的沉要资料，重要

用于飞机发起机的压气机盘、机匣和叶片等部件，以

减轻发起机沉量，满足发起机更高的工作温度，提高

推沉比
。通例钛合金工作温度较低，通常幼于500℃，

目前，美、英等国已研造出了使用温度550～600℃的

高温钛合金，如美国Ti6242S、Til100，英国IMI829、

IMI834，俄罗斯BT 1 8Y、BT36等
。Ti6242S (Ti一6A1．

2Sn．4Zr．2Mo一0．1si)是美国早期研造的一种高温钛合

金，属于近0【型结构，强度达N93o MPa，最高使用温

度为540℃『l ，研发人员通过对Ti6242S的合金元素含

量进行调整，研造出了Til 100(Ti．6A1—2．75Sn．4Zr一0．4

Mo一0．45Si)，使其使用温度提高到600℃ ，该合金已应

用于T55．712发起机的高压压气机轮盘和低压涡轮叶片

等部件[ 
。IM1834 (Ti一5．8A1—4Sn．3．5Zr．0．7Nb一0．5Mo一

0．35Si)是IMI829的改进型，合金中Nb的参与在保障

热不变性的基础上，最大限度提高了合金的强度，室

温强度达到1 070 MPa[ j，该合金焊接机能优异，已应

用于波音777飞机的Trent 700发起机上
。BT36 (Ti．6．

2A1．2Sn．3．6Zr一0．7Mo．0．1Y．5．OW一0．15Si)是俄罗斯在上

世纪90年代研造的一种沉要的高温合金，使用温度达

N6oo～650℃f14]，合金中参与Y达到细化晶粒改善塑性

的成效，参与w提高了合金的热强性
。美国惠普公司

最近研造出的Ti．1270高温钛合金，试验过程中使用温

度可达700℃ ，打算用于x．33演示机及结合战斗机
。

我国研造了Ti．55、Ti一60、Ti一600、Ti一5331lS及

7715等高温合金
。Ti一53311s使用温度在550
。C左右，

其成分与IMI829类似，但Mo含量更高，高温瞬时强度

大，高温下拥有优良的承载能力，在航空领域已获得

利用 ]
。Ti60 (Ti一5．8A1—4．8Sn一2Zr一1Mo．0．35Si
。0．85Nd)

属于Ti55的改型，其使用温度达~16oo℃ ，室温强度达

到1 100 MPa，合金元素Nd改善了合金的热不变性
。

Ti600合金的600℃强度达~1J74o MPa以上，同时维持

优良的伸长率和断面收缩率 6]
。

由于未来航空发起机推沉比将达到l0以上，因而

要求资料的使用温度更高
。近年来，钛铝合金起头受

到关注，重要以Ti3A1和TiA1为基础，最高使用温度达

~lJ8oo℃以上，抗氧化能力强，抗蠕变机能好，且质

量更轻
。以Ti3Al为基的Ti一2 1 Nb一1 4A1和Ti．24A1—1 4Nb

3V．0．5Mo在美国已起头批量出产 ]
。但目前研造迪胙

铝合金塑性较差，使其在航空发起机上的利用受到了

限度
。

2．3 阻燃钛合金

用于航空发起机的某些钛合金部件工作温度较高，

易产生点火，因而，美、俄等国从上世纪70年代起头，

发展了阻燃钛合金的钻研
。美国研造出了AlloyC

(Ti一35V．15Cr)阻燃钛合金，属于B型合金，该合金具

有优良的高温强度和抗氧化能力，但在高温(出格足

482℃ 以上时)工作时，合金易产生脆化，该合金已

利用于Fll9发起机的高压压气机机匣、导向叶片和矢

量尾喷管 
。俄罗斯研造出Ti．Cu．A1系BTT一1、BTT．3

阻燃钛合金，BTT一1合金拥有优良的热加工性，被用

于发起机压气机机匣和叶片 ，BTT．3合金与BTT—l相

比，塑性更高，阻燃性更好，可用于造备越发复杂的

发起机零件，但这两种合金的整体力学机能和铸造性

能较差，至今未能工程化
。

我国对于阻燃钛合金的钻研起步较晚，西北有色

钻研院研造出了Ti．40(Ti一25V．15Cr．0．4Si)阻燃钛合金，

该合金V含量较低，拥有优良的机械机能，阻燃机能

与AlloyC机能相当，在500℃可持久使用，该合金已进

入工业规模的钻研阶段
。北京航空资料钻研院~AlloyC

合金为基础，进一步优化si和C的含量，研发出TF550

合金，该合金在550℃拥有很好的蠕变和悠久机能
。

3 我国航空用钛合金的发展趋向

3．1 持续发展高机能航空钛合金资料的钻研与利用

现有钛合金的强度仍不能齐全满足航空领域的应

用，其强韧性仍不如超高强韧合金钢(1 500 MPa以

上)，必要研造抗拉强度大于1 350 MPa并且韧性优良

的高强钛合金
。持续扩大高温钛合金的使用温度，使

其达到650℃ 以上，通过多元素合金化提高合金的高

温机能，持续探索稀土元素对于高温机能的影响
。对

于阻燃钛合金，我国发展相对缓慢，必要造订评价钛

合金阻燃机能的统一尺度
。

3．2 积极拓宽航空钛合金精密铸件的利用领域

与钛合金锻件相比，钛合金精密铸件可极大降低

产品的出产周期和出产成本，并合用于批量出产
。我

国钛合金精密铸造技术近年来发展较快，已宽泛利用

于航天、军工等领域，但由于航空钛合金铸件的内部

质量和表表质量要求很高，关键航空钛合金部件还很

难选取钛合金铸件，并且目前航空钛合金铸件的制品

率还不是很高，因而仍必要提升我国航空钛合金部件

的精密铸造技术，如造型技术、熔炼成形工艺等
。

3．3 发展低成本航空钛合金的研造

航空钛合金产品的研造与出产目前已经成熟化、

贸易化，低成本航空钛合金将受到极大关注，除了对

出产过程进行节造、提高制品率之表，还必要对资料

自身进行改进，如在合金化方面，用便宜的Fe元素替

代昂贵的V、Mo等元素l 2 J_，在保障强度和韧性的同时，

降低金属资料成本，在铸造成形方面，能够通过研造

低成本高不变性的氧化物铸型资料，降低铸造的成本
。

通过降低成本，钛产品在航空领域的利用将得到进一

步推广
。

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