引言

由于钛合金拥有高比强度、较宽的工作温度领域和优异的侵蚀抗力，，，因而在航空及宇航工业得以宽泛利用。20世纪50年代，，，军用飞机进入了超音速时期，，，航空发起机相应地进人喷气发起机时期，，，要求使用在室温、中温下拥有更高比强度的新资料，，，原有的铝、钢结构已不能满足新的需要，，，而钛合金刚好在这一时期刚刚具备了工业出产能力，，，正适应了超音速军机发展的必要。

世界钛市场中最大的用户始终属于航空，，，当现代界航空工业的兴衰仍对钛合金的钻研、出产和利用起举足轻重的作用。相应地，，，衡量一个国度航空工业发展水平的一个重要标志就是航空用钛的需要量占钛总需要量的百分比。世界领域内航空钛加工材需要占钛材总需要量的50%左右，，，其中美国1990年至1997年期间航空航天工业的钛材需要量约占美国钛材总需要量的70%，，，在航空航天工业中民用量又为军 用量的2倍多，，，而我国钛加工材利用于航空工业的份额不及20%，，，还有极大的发展空间。随着国民经济的发展和大飞机打算的启动，，，先进大飞机及其发起机对高机能、低成本、高效能、低传染提出了极高要求，，，是先进航空钛合金资料和热工艺发展的壮大驱动力。

1、钛及钛合金在航空工业中的利用

由于碳复合伙料和钛合金都拥有密度小、比强度高档优异机能，，，出格是钛合金与碳复合伙料有很好的相容性，，，因而，，，钛是一种较梦想的航空结构资料。就目前的趋向来看，，，越是先进的新型飞机，，，越是宽体飞机，，，用钛量越大(见图1)。

由于宽体A350客机碳复合伙料用量大，，，所以用钛量约100t，，，高于A380客机的90t。图2给出了A350客机用钛的重要部位和部件，，，重要有起落架、机翼结构、发起机悬架、机翼高压油管气管、紧固件、舱门、机舱面板或隔板、座椅导轨、尾锥和辅助动力舱的隔热屏等。不仅是机身，，，目前大飞机用主流的高涵道比涡轮电扇发起机也大量用钛。军机与民用飞机的用材趋向一样，，，并且用钛的比例更高。在20世纪80年代以来美国没计的先进军用战斗机和轰炸机中，，，钛合金用量已不变在20%以上。

1.1 飞机机体的钛用量

在军机方面，，，使用新资料的比例远远高于民用飞机。此外美国1970年起头服役的C-5上钛合金的质量分数为6%，，，而1992年起头服役的C-17已增至10.3%，，，钛零件总质量达6.8t/架。俄罗斯的伊尔76运输机的钛合金用量达12%。此外，，，美B-2轰炸机、法幻影2000及俄Cy-27CK战斗机的钛用量别离为26%、23%、18%，，，美国2006年以来服役的世界最先进第四代战斗机F22的用钛量高达39%～41%。我国20世纪60年代投产的歼七飞机的钛零件质量只有9kg，，，70年代歼八白日型飞机的钛零件质量增至60kg，，，80年代抓住歼八Ⅱ研制的机缘，，，使飞机的钛用量达到总结构质量的2%，，，钛零件质量达到93kg，，，歼十的钛用量进一步增至3%。这些进取固然得之不易，，，但与国外第三代、第四代飞机的钛用量相比，，，依然存在很大差距。

表1中列出的F/A18E/F、F/A22、F-35、三大战斗/攻击机和2轰炸机是美国在2015年前维持空中优势的4块“王牌”。由表1可知，，，总的发展趋向是钛在飞机机体上的用量不休增大，，，F/A-18在不休改型的过程中其钛用量也不休增多。

民用飞机的钛用量也在不休增大，，，见表2。在民用客机方面，，，双通道飞机的用钛量大大高于单通道飞机的。如波音公司的一架波音737、747、777钛用量别离为18t、45t和59t，，，而一架波音787飞机用钛量达到136t，，，占全机质量的15%，，，用钛量比例增长极度显著。？？湛凸疽嗍侨绱，，，一架A320、A330和A340的用钛量别离为12t、18t和25t，，，而一架A380选取了全钛挂架，，，用钛量达到146t，，，占全机质量的10％，，，较之A350的9%有显著进取。2008下半年空客A380和波音787试飞后其量产期推后了一年半至2010年，，，预计2011年这两种型号的飞机将量产，，，从而带头世界航空用钛材的需要。将来大型飞机取代支线，，，宽体取代窄体将成为趋向。据国际航空权威组织Theairlinemonitor预测，，，2008年2010年仅双通道飞机一个单项的用钛量就将达到近7万t，，，而钛加工材产量居于世界第二的中国14家企业2009年的钛材总产量只有2.77万t，，，市场潜力巨大。但是由于民用飞机更强调经济性和安全性，，，因而不能像新型战斗机一样达到单架用钛比例很高的状态。我国战斗机的钛用量也在不休增大。20世纪880年代起头服役的歼八系列的钛用量为2％，，，两种新一代战斗机的钛用量别离为4%和15%，，，更新一代的高机能新型战斗机的钛用量将达到25%～30%。

1.2 航空发起机的钛用量

表3统计了一些西方国度航空发起机的钛用量。从表3可知，，，国外先进发起机上的钛用量通常维持在20%～35%。我国早期出产的涡喷发起机均不用钛,1978年起头研制并于1988岁首设计定型的涡喷13发起机的钛用量达到13%，，，2002年设计定型的昆仑涡喷发起机是我同笫一个占有齐全自主知识产权的航空发起机，，，钛用量提高至15%，，，即将设计定型的我国第一台占有自主知识产权的涡扇发起机又进一步把钛用量提高到25%。

在飞机或发起机的设计中，，，重要凭据零件的工作温度和应力水平选择合金商标，，，同时结合零件的制作工艺规划思考相应的成型和焊接等丁艺机能。分歧类型的钛合金的特点分歧，，，使用的具体部位也有差距：：：α型合金不能热处置强化，，，只有中等水平的室温强度，，，但组织不变，，，抗蠕变机能好，，，可在较高温度下持久不变工作，，，是创制新型耐热钛合金的基础，，，通常用作承力较大的钣金件和锻件；；β型合金在固溶状态有优良的工艺塑性，，，便于加工成形，，，时效处置后可获得很高的强度机能，，，但对杂质元素敏感性高，，，组织不够不变，，，耐热性较低，，，不宜在高温下使用，，，通常用作紧固件和飞机结构件；；α+β型合金拥有优良的热强性和冷成型性，，，综合机能好，，，并且可淬火和时效强化，，，通常用作涡轮发起机机身构件。

表4足部门典型钛合金在航空工业中的利用情况。

1.3 航空用钛合金分类

钛合金作为现代飞机和发起机的重要结构资料之一，，，能够减轻飞机的质量，，，提高结构效能。在飞机用材中钛的比例，，，客机波音777为7%，，，运输机C-17为10.3，，，战斗机F-4为8%，，，F-15为25.8%，，，F-22为39%。几十年来，，，国内外针对航空利用所钻研的钛合金等均获得了很猛进取，，，很多合金也得到宽泛利用。凭据航空用钛合金的强度及服役环境特点，，，可将其分为高温钛合金、高强钛合金、危险容限型钛合金和阻燃钛合金等。

1.3.1 高温钛合金

20世纪50年代以Ti一6Al—4V合金为代表，，，其使用温度为350℃，，，经过钻研者的致力，，，最终得到了以IMI834合金为代表的使用温度600℃高温钛合金。目前，，，国际先进的高温钛合金重要有美国的Ti-6242S、Ti-1100，，，英国的IMI834，，，俄罗斯的BT36以及中国的Ti-60，，，表5为600℃部门高温钛合金的特点。

Ti-6242S(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si)钛合金是美国于20世纪60年代为了满足喷气发起机使用要求而研制的一种近α型钛合金。该合金的最高使用温度为540℃，，，室温的σ_b=930MPa，，，特点是拥有强度、蠕变强度、韧性和热不变性的优良结合，，，并拥有优良的焊接机能，，，重要利用于燃气涡轮发起机零件、发起机结构板材零件、飞机机体热端零件。

Ti-1100(Ti-6Al-2.75Sn4Zr-0.4Mo-0.45Si)合金是近α型钛合金，，，使用温度达到600℃，，，特点是拥有较低的韧性和较大的委顿裂纹扩大速度。该合金已用于制作莱康明公司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。IMI834(Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si)合金是英国在1984年研制成功的一种近α型钛合金。该合金在β两相区固溶时效处置后，，，室温的σ_b≥930MPa，，，拥有高蠕变强度和优良的委顿强度和变形能力，，，可合用于钛的各类方式进行焊接，，，现已用于波音777机的大型发起机Trent700上。

BT36(Ti-6.2Al-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-0.1Y5.0W-0.15Si)合金是俄罗斯于1992年研制成功的一种使用温度在600～650℃的钛合金。

Ti-60(Ti-5.8Al-4.8Sn-2.0Zr-1.0Mo-0.35Si-0.85Nd)合金是由中国科学院金属钻研所、宝鸡有色金属加工厂共同研带的一种使用温度为6OO℃的高温钛合金。该合金已进行了半工业性中试试验(蕴含压气机盘模锻)和全面机能测定。

目前，，，在航空发起机上利用的传统高温钛合金的最高使用温度仍为600℃。高于600℃时，，，蠕变抗力和高温抗氧化性急剧降落，，，成为限度钛合金向更高温度发展的两大重要阻碍，，，因而研制600℃的新型高机能的高温钛合金火烧眉毛。

1.3.2 高强钛合金

高强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β型钛合金Ti-10-2-3、Ti-15-3、β-21S、α+β型两相钛合金BT22以及中国的TB10等。

Ti-1023(Ti-10V-2Fe-3Al)合金是迄为止利用最宽泛的一种高强韧的近β钛合金。它是一种为适应危险容限性设计准则而产生的高结构效益、高靠得住性和低制作成本的铸造钛合金。其拉伸强度、断裂韧性和委顿机能显著优于Ti-6Al-4V，，，并与飞机结构中常用的30CrMnSiA高强度结构钢相当。该合金拥有优异的铸造机能，，，在760℃可进行等温铸造，，，提供各类近净型加工锻件，，，现已利用于波音777客机、 A380客机等。

Ti15-3(Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al)合金是一种近β型的高强抗侵蚀合金。热处置强化板材的σ_b≥1310MPa，，，δ₅≥5%，，，显微组织为β基体和弥散的α相：：：辖鹩涤辛己玫睦浔湫涡、时效硬化机能和可焊接机能等特点。已利用到波音777上的利用节制系统管道和灭火罐。

β-21S(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si)合金是Fimet公司在1989年为麦道公司提供一种用于航天飞机的钛金属基复合伙猜中所需的抗氧化箔材而开发的。由于合金拥有优异的高温强度和抗蠕变机能，，，合用于发起机衬套和喷管等，，，现已被美国同家宇航局确定用作碳化硅钛基复合伙料的基体资料。

BT22(Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr)合金是前苏联在20世纪70年代研制成功的一种高合金化、高强度的近β型钛合金。其拉伸强度大于等于1105MPa，，，已成功能作机身、机翼、起落架和其它高承载部件。

北京有色金属钻研总院自主研制的TB10(Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al)合金拥有比强度高、断裂韧度好、淬透性高档利益，，，现已在我国航空领域得到了现实利用。

现有钛合金的强度，，，尤其是强韧性匹配不能满足航空要求，，，并且合金成本太高，，，合金机能对工艺参数敏感等问题使其利用受到了肯定限度。因而，，，研制强韧匹配、开发低成本的高强钛合金得尤为重要。

1.3.3 危险容限钛合金

拥有很岛断裂韧性和很慢裂纹扩大速度的中强或高强钛合金，，，即危险容限型钛合金的开发受到了列国的器重。目前，，，高断裂韧度、低裂纹扩大速度的危险容限钛合金重要有Ti-6Al-4V(β-ELI)、Ti-62222S合金和新型两相高强高韧TC21合金。

Ti-6Al-4V(β-ELI)属于900MPa强度级此外高危险容限型钛合金。其锻件重要机能可达到：：：σ_b≥895MPa，，，σ_0.2≥795MPa，，，δ₅≥8%，，，φ≥15%，，，KR≥75MPa.m1/2。Ti-6Al-4V(β-EiI)合金已利用于波音777客机的安谧面衔接接头和FA-22飞机的机体。

Ti-6-22-22S(Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si)合金是由美国RMI公司研制的一种航空用α-β型钛合金。该合金的重要利益为：：：拥有优良的强韧性匹配，，，经热处置后合金的σ_b≥1035MPa，，，KIC≥77MPa·m1/2；；深淬透性(断面直径可达100mm)；；极好的超塑性成型机能。该合金已作为F-22战斗机、锻练机及结合攻击战斗机用资料。

TC21(Ti-Al-Mo-Sn-Zr-Cr-Si-X系)是西北有色金属钻研院研制的一种新型两相高强、高韧、高危险容限型钛合会L1，，，拥有良好的强度、塑性、韧性和低的裂纹扩大速度匹配。该合金已经过尝试室、中试及工业规模3个周期的深刻钻研。尝试批注，，，该合金的φ20mm棒材经过(Tβ=20～50℃)×1hAC+600℃×4hAC的固溶、时效处置后，，，其组织是由等轴α和网篮组织共同组成的双态组织，，，σ_b≥l105MPa、σ_0.2≥1000MPa、δ≥15%、φ≥43%，，，拥有优良的综合机能。

随着我国航空系统危险容限设计技术的迅速遍及，，，对高危险容限钛合金的需要将日益火急。同时，，，需深刻钻研钛合金危险容限机能机理以及美满对危险容限机能的表征与评价技术。

1.3.4 阻燃钛合金

为了预防钛点火并满足高推重比航空发起机的必要，，，列国发展了对阻燃钛合金的研制。阻燃钛合金重要有两个合金系：：：Ti-V-Cr系，，，如美国的AlloyC；；Ti-Al-Cu系，，，如俄罗斯的BTT-1、我国的Ti-40。表6为两种典型阻燃钛合金的机能。

AlloyC(Ti-35V-15Cr)是美国研制的一种β型钛合金，，，是目前工业用β钛合金钼当量最高的合金。该合金产品已利用于F119的尾喷管和加力点火室。

BTT-1和BTT-3为俄罗斯研制的阻燃钛合金，，，均为Ti-Cu-Al系合金(具体成分未见颁布)。BTT-1合金拥有优良的热加工机能，，，可制成状态复杂的发起机零件，，，如压气机机匣和叶片等，，，工作温度可达450℃，，，其典型零件已在试车台上通过试验。BTT-3合金的工艺塑性优于BTT-1的，，，阻燃机能也得到了显著提高，，，适合于轧制板材和箔材。

Ti-40(Ti-25V-15Cr-0.4Si)合金是西北有色金属钻研院研制的一种新型全β型阻燃钛合金，，，室温下只有β相存在。该合金拥有优良的机械机能和良好的阻燃机能，，，其阻燃机能与美国的AlloyC合金相当。该合金的重要弊端是热加工难题，，，不能像通例钛合金一样自由铸造，，，不然将极易开裂。

目前，，，除美国和俄罗斯的部门典型阻燃钛合金得到了现实利用外，，，其他列国对阻燃钛合金的钻研仍处于钻研阶段。

阻燃钛合金的类型较少、成本较高以及对阻燃机能评价步骤的不统一都故障了阻燃钛合金的发展。与Ti-V-Cr系阻燃钛合金相比，，，Ti-Cu-Al系阻燃钛合金的综合力学机能较差，，，工作温度也较低。对若何进一步提高该系合金的力学机能需进行更深刻的钻研。Ti-V-Cr系阻燃钛合金含有大量贵金属元素V，，，导致成本较高，，，限度了其利用。国内已有学者选取价值较低的Mo部门代替V进行了肯定尝试的钻研。

2、钛加工材在我国航空工业中的利用

2.1利用近况

我国航空领域的钛材需要量在世界航空领域的钛材需要量中所占的比例很小，，，在我国钛材总需要量中所占的比例也一向处于低位。2006年航空领域钛材需70%。我国航空领域钛材需要量在总需要量所占比例偏低的重要原因有3条：：：其一，，，我国的民用干线飞机都是从国外采办；；其二，，，一些新型军用飞机尚未批量出产；；其三，，，已批量出产的军用飞机的钛用量不高，，，通常情况下，，，机体小于等于5，，，发起机小于等于20%(所占结构的质量分数)。

中国大飞机、航天空间站、嫦娥打算城市大量使用钛材。尤其是大飞机项目，，，钛材的利用量将逐步增大。只管我国钛工业在近几年里获得了长足发展，，，根基上满足了国内各项建设的必要，，，但客观地说，，，我国钛工业还不能立即齐全满足航空工业大发展对钛材的各类需要。因而，，，我国大飞机项主张启动对我国钛工业来说既是机缘，，，更是挑战。

从20世纪50年代至80年代，，，国际上发展钛合金的重要方向是不休提高机能以满足工业发展必要，，，出格是军用飞机及其发起机减轻结构质量的必要，，，即所谓的“斤斤计较”甚至“克克计较”。固然我国在高机能钛合金的钻研方面获得了一些成就，，，但是与国皮毛比，，，在高阻燃机能钛合金、高耐热机能钛合金和高强度的β和β型钛合金等方面仍存在较大差距。而20世纪90年代苏联崩溃后，，，固然美英发展高机能钛合金的致力仍在持续，，，但是势头已有所减缓，，，降低成本的呼声越来越高，，，从“斤斤计较”转为“元元计较”的空气越来越浓。

2.2我国航空钛合金新世纪面对的挑战

高用量：：：与国皮毛比，，，我国航空发起机钛用量存在的差距比飞机机体的要小得多，，，但要把航空发起机的钛用量进一步提高至30%左右，，，其难度仍相当大。

高机能：：：与其它航空结构资料一样，，，高机能是要求其拥有高机能的同时又拥有优良的机能匹配，，，即必须综合思考其力学机能、物理机能、化学机能、工艺机能和缺点的可控性。我国在航空用高机能钛合金方面的钻研与国外钛合金高机能方面的发展水平相比还存在肯定的差距。

低成本：：：国外在降低成本方面固然获得了一些成就，，，但仍有很多领域有待钻研和开发。以阻燃钛合金为例，，，美国发现的AlloyC固然拥有良好的阻燃个性和高温力学机能，，，但由于它必要增长大量昂贵的V和较差的可锻性而导致价值很高，，，因而只有在F119发起机中正式利用，，，其他发起机均望而生畏。至于围内钛合金产品在成本方面的问题就更多了，，，由于治理和技术落后等原冈，，，产品价值在国际上竞争力差，，，在国内则不利于进一步扩大应朋。因而，，，必须当真钻研降低钛产品成本的蹊径，，，确定近、中、持久发展规划，，，确立可降低成本的科研、开发和技改项目，，，从而推进我国钛资源的充分利用，，，推动我国钛产品的推广利用。

3、结语

对现有高温用钛合金进行成分调整或研制拥有自主知识产权的新型高强韧钛合金，，，研发新的使用温度突破600℃的高温钛合金，，，降低钛合金成本等将成为航空用钛合金的钻研及发展方向。大力发展推算机仿照和节制钛合金工艺、组织、机能的钻研是我同钛合金领域提高质量和降低成本的底子措施。此外，，，尝试用价值较低的合金元素取代较昂贵的金属元素或改善加工工艺以降低钛合金成本，，，进一步扩大其使用领域。一方面我们要奋起赶超国际高机能钛合金的先进水平，，，另一方面该当真钻研降低钛产品成本的蹊径，，，确立相应的科研、开发和技改项目，，，从而推进我国钛资源的充分利用，，，推动我国钛产品的推广利用。