鈦合金在航空領域的發展與應用

鈦合金具有比強度高、耐蝕性好和耐高溫的顯著

特點，在20世紀50年代開始，首先由于航空航天技術

的迫切需要，鈦工業得到了迅速的發展， 目前，鈦合

金已經廣泛應用于航空、航天、武器、化工、汽車、

體育、醫療等領域。根據鈦合金的性能特點與用途，

鈦合金大致可分為三種主要類別：結構合金、耐蝕合

金以及生物合金。航空領域中，結構材料要保證飛機

機體和發動機零件在復雜條件下具有良好的工作能力，

在．250～600℃之間，鈦的比強度居于常用金屬材料之

首，與密度更輕的鋁合金相比，尤其具有更好的高溫

強度，因此鈦合金作為結構材料，很適用于航空發動

機部件以及其它航空構架的結構材料，航空材料已成

為鈦合金最主要的應用之一。近年來，隨著航空技術

的發展，軍用及民用飛機不斷換代，航空鈦合金的發

展呈現兩個特點：高用量和高性能。如美國F22戰斗機

的鈦用量達~142％ ，V2500發動機的鈦用量達到3 1％，

民用飛機用量也在不斷增長，預計到2020年，民用飛

機的鈦市場將達到2．8萬噸，對于高性能鈦合金，新型

飛機逐漸追求輕量化，要求鈦材具有更高的強度，先

進航空發動機需要更高的推重比，也要求鈦材具有更

好的高溫強度和阻燃性?？梢哉f，鈦合金的應用與發

展已成為航空技術發展的重要因素之一。

1 鈦合金在航空領域的應用現狀

1．1 鈦合金在飛機機身構架中的應用

鈦合金在機身構架中主要用于防火壁、蒙皮、隔

框、大梁、艙門、起落架、翼肋、緊固件、導管、拉

桿等部件。鈦合金在使用初期，鈦合金主要應用于受

力不大的結構件，如飛機支座、接頭、框架、隔熱板、

減速板等，其中不乏鑄件，其中最早應用的鈦合金鑄

件之一是襟翼滑軌。經過早期的這些相對簡單的非關

鍵性結構件在飛機上的應用證明：鈦合金在飛機上應

用是可靠的。從20世紀80年代開始，隨著鈦合金部件

成型技術和本身質量的大幅提升，不少受力結構件也

開始選用鈦合金，如波音飛機上吊裝CF6．80發動機的

安裝吊架，是受力條件非常嚴峻的結構 ”。近年來，

美國、俄羅斯等發達國家對飛機機身上鈦合金的用量

不斷增加。在軍用飛機領域，鈦合金的用量發展是非

常迅速的，俄羅斯的伊爾76運輸機的鈦用量達到12％，

法國幻影2000和俄羅斯CY一27CK戰斗機的鈦用量分別

達到23％和180／／0[2]。表1為美國主要軍用飛機上鈦合金

的用量引，其中F．22和F．35戰斗機、B1和B2轟炸機的鈦

合金用量達到了20％以上。民用飛機的鈦用量也在不

斷擴大，目前國外主流民航機中機體用鈦材量占機身

總重達到6％以上。表2為美國及歐洲民航飛機的鈦用

量【 ，其中美國波音787飛機在研制過程中，為了達到

大幅減重以達到降低20％的油耗，投人3億美元研發經

費，大量采用鈦合金替代鋁合金，最終整個飛機機體

鈦合金用量達到11％，在民用飛機領域已達到了很高

的比重。俄羅斯正在研制的新一代客機MS-21的鈦合

金用量達到了25％ ，計劃在2016年向市場推出，將成

為世界上鈦合金用量最高的民用飛機。

為了降低成本，鈦合金鑄件的應用范圍也在不斷

擴大。在20世紀90年代中期，美國研制的高性能第四

代殲擊機F．22上已采用了大量的鈦合金鑄件，總重達

到600 kg，其中有些是非常重要的關鍵件，如機身壁

肋鑄件和方向舵傳動裝置支架。軍用運輸機C一17的吊

掛頭錐帽為鈦合金整體薄壁精鑄件，最薄壁厚1．25 mm，

最大壁厚差近9 mm[4]。美國波音757、767、777及787

也都采用了大量的鈦合金鑄件，其中波音777使用了兩

種典型的鈦合金鑄件，一件是Apu風導管，另一件是

長度達到3 048 mm的形狀復雜的隔熱屏。歐盟國家制

造的A330／A340空中客車上也選用了大量鈦合金鑄件，

其中典型的是內著陸襟翼系統上的耳軸和飛機支撐

架_5]，A380客機的鈦合金剎車扭力管由英國Doncasters

公司采用離心熔模精鑄鑄造技術研制，首次取代了鍛

件[6】。我國在軍用飛機上鈦合金的應用起步較晚，我國

在20世紀80年代研發的殲八戰斗機鈦合金的用量僅為

2％，重量為93 ，殲十戰斗機鈦合金的用量提高到

3％，但與國外第三代、第四代軍用飛機的鈦用量相

比，仍然存在很大差距。近年來，我國加大了鈦合金

在軍用航空領域的應用，預計我國新一代高性能戰斗

機的鈦用量將達到25％～30％l 3_。在民用飛機領域，我

國商用支線客機ARJ21的鈦合金用量為4．8％ ，我國自

主研發的C919大型客機的鈦合金用量達到了9．3％，超

過了美國波音777飛機，2014年9月，C919客機首架機

在中國商飛公司新落成的總裝制造中心正式開始機體

對接，這標志著C919大型客機研制項目全面進入結構

總裝攻堅階段，項目力爭年底完成首架機機體結構對

接，2015年底實現首飛。

1．2 鈦合金在航空發動機中的應用

噴氣發動機是飛機的心臟，其部件承受著高溫、

高壓環境的考驗，要求合金在650℃ 以下有著良好的

抗高溫強度、抗蠕變性和抗氧化性。因鋁合金使用溫

度過低，鋼的密度太大，所以鈦合金成為了最佳選擇。

目前，鈦合金以其優異的特性在飛機上的應用日趨擴

大，在噴氣發動機中可用于壓氣盤、靜葉片、動葉片、

機殼、燃燒室外殼、排氣機構外殼、中心體、噴氣管、

機匣等_1_。其中，葉片、機匣等部件目前已采用鈦合金

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

Engine Alliance(GP7200)兩家公司生產的A380空中

客車新型發動機的風扇直徑為3 m左右，并采用中空鈦

風扇葉片。隨著航空發動機對推重比和剛度要求的提

高，要求一些關鍵鈦合金結構件做成大型復雜薄壁的

整體精鑄件，因此目前大型復雜薄壁鈦合金整體結構

精鑄技術已得到了充分發展。表3為歐美國家一些航空

發動機的鈦用量 ?？梢钥闯?，國外先進航空發動機的

鈦用量一般在25％以上。我國早期研制的航空發動機

鈦用量很低，1978年研制的渦噴13系列發動機的鈦用

量達到13％，2002年設計的昆侖渦噴發動機的鈦用量

達到150／／0[7]，預計我國新一代航空渦扇發動機的鈦用量

將達30％以上。

2 航空用高性能鈦合金的發展現狀

2．1 高強度鈦合金

高強度鈦合金是為了滿足機身減重和高負載部件

的使用而提出的，在飛機上用于機身的承力隔梁、起

落架的扭力臂、支柱等。目前高強度鈦合金的研究主

要以p鈦合金為主，也包括 +p兩相合金，合金化的主

要特點是加入較多的B穩定元素，如v、Cr、Mn、Fe等

元素，嚴格控制N、H、0等氣體元素含量，并在高溫

下的固溶時效處理得到穩定的B相組織。目前，具有代

表性的高強度鈦合金主要有Ti1023、Ti153、21S、

Ti6—22．22S和BT22等，合金時效后的抗拉強度達到

1 000 MPa以上。美國研制的Ti一1023(Ti．IOV一2Fe．3A1)

是目前應用最為廣泛的高強韌近13鈦合金，已成功應用

于C．17大型運輸機的起落架、波音777客機的起落架以

及大型客機A380的主起落架支柱聞。Ti153(Ti．15V一

3Cr．3A1．3Sn)具有良好的冷變形性，已應用于波音777

上的控制系統管道和滅火罐，替代了低強度普通鈦合

金[9]。[321S (Ti．15Mo一3A1．2．7Nb．0．2Si)除了具有較高

的強度外，還具有良好的抗蠕變性能，被用于波音777

飛機的引擎P&W4084、GE90和Trent800中的噴嘴、蒙

皮和各種縱梁結構[ 。Ti6．22—22S (Ti一6A1—2Sn一2Zr一

2Mo．2Cr一0．2Si)是美國RMI公司研制的c~+13型合金，

具有良好的強韌性匹配，熱處理后具有深淬透性(斷

面直徑達100 mm)和極好的超塑性成型能力，用于

F22戰斗機下部龍骨的翼弦 。俄羅斯研制的BT22

(Ti．5V．5Mo一1Cr．1Fe．5A1)退火狀態下為c~+13結構，該

合金塑性和焊接性能優異，已用于IL一86和IL一96—300的

機身、機翼、起落架等高負載航空部件，為了進一步

提高強度，研發人員對BT22進行了改進，在其中加入

sn、zr等元素， 即BT22M合金，其室溫強度達到

1 200 MPa以上，用于生產飛機發動機盤和葉片?]。

我國上世紀60年代開始自主開發了TB6、TB10、

TC21等高強度鈦合金，其中TC21和TB10最為典型，

TC21強度達到l 100 MPa，韌性好，具有優異的高損傷

容限性能和疲勞性能，是目前我國綜合力學性能最佳

的高強度鈦合金，適用于制造飛機大型整體框梁類重

要承力構件_l2]，TB10比強度高，斷裂韌度好，淬透性

高，已在我國航空領域獲得了實際應用。

2．2 高溫鈦合金

高溫鈦合金是現代航空發動機的重要材料，主要

用于飛機發動機的壓氣機盤、機匣和葉片等部件，以

減輕發動機重量，滿足發動機更高的工作溫度，提高

推重比。常規鈦合金工作溫度較低，一般小于500℃，

目前，美、英等國已研制出了使用溫度550～600℃的

高溫鈦合金，如美國Ti6242S、Til100，英國IMI829、

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

2Sn．4Zr．2Mo一0．1si)是美國早期研制的一種高溫鈦合

金，屬于近0【型結構，強度達N93o MPa，最高使用溫

度為540℃『l ，研發人員通過對Ti6242S的合金元素含

量進行調整，研制出了Til 100(Ti．6A1—2．75Sn．4Zr一0．4

Mo一0．45Si)，使其使用溫度提高到600℃ ，該合金已應

用于T55．712發動機的高壓壓氣機輪盤和低壓渦輪葉片

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

0．35Si)是IMI829的改進型，合金中Nb的加入在保證

熱穩定性的基礎上，最大限度提高了合金的強度，室

溫強度達到1 070 MPa[ j，該合金焊接性能優異，已應

用于波音777飛機的Trent 700發動機上。BT36 (Ti．6．

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

世紀90年代研制的一種重要的高溫合金，使用溫度達

N6oo～650℃f14]，合金中加入Y達到細化晶粒改善塑性

的效果，加入w提高了合金的熱強性。美國惠普公司

最近研制出的Ti．1270高溫鈦合金，試驗過程中使用溫

度可達700℃ ，計劃用于x．33演示機及聯合戰斗機。

我國研制了Ti．55、Ti一60、Ti一600、Ti一5331lS及

7715等高溫合金。Ti一53311s使用溫度在550。C左右，

其成分與IMI829類似，但Mo含量更高，高溫瞬時強度

大，高溫下具有良好的承載能力，在航空領域已獲得

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

屬于Ti55的改型，其使用溫度達~16oo℃ ，室溫強度達

到1 100 MPa，合金元素Nd改善了合金的熱穩定性。

Ti600合金的600℃強度達~1J74o MPa以上，同時保持

良好的伸長率和斷面收縮率 6]。

由于未來航空發動機推重比將達到l0以上，因此

要求材料的使用溫度更高。近年來，鈦鋁合金開始受

到關注，主要以Ti3A1和TiA1為基礎，最高使用溫度達

~lJ8oo℃以上，抗氧化能力強，抗蠕變性能好，且質

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

3V．0．5Mo在美國已開始批量生產 ]。但目前研制的鈦

鋁合金塑性較差，使其在航空發動機上的應用受到了

限制。

2．3 阻燃鈦合金

用于航空發動機的某些鈦合金部件工作溫度較高，

易發生燃燒，因此，美、俄等國從上世紀70年代開始，

開展了阻燃鈦合金的研究。美國研制出了AlloyC

(Ti一35V．15Cr)阻燃鈦合金，屬于B型合金，該合金具

有良好的高溫強度和抗氧化能力，但在高溫(特別足

482℃ 以上時)工作時，合金易發生脆化，該合金已

應用于Fll9發動機的高壓壓氣機機匣、導向葉片和矢

量尾噴管 。俄羅斯研制出Ti．Cu．A1系BTT一1、BTT．3

阻燃鈦合金，BTT一1合金具有良好的熱加工性，被用

于發動機壓氣機機匣和葉片 ，BTT．3合金與BTT—l相

比，塑性更高，阻燃性更好，可用于制備更加復雜的

發動機零件，但這兩種合金的整體力學性能和鑄造性

能較差，至今未能工程化。

我國對于阻燃鈦合金的研究起步較晚，西北有色

研究院研制出了Ti．40(Ti一25V．15Cr．0．4Si)阻燃鈦合金，

該合金V含量較低，具有良好的機械性能，阻燃性能

與AlloyC性能相當，在500℃可長期使用，該合金已進

入工業規模的研究階段。北京航空材料研究院~AlloyC

合金為基礎，進一步優化si和C的含量，研發出TF550

合金，該合金在550℃具有很好的蠕變和持久性能。

3 我國航空用鈦合金的發展趨勢

3．1 繼續開展高性能航空鈦合金材料的研究與應用

現有鈦合金的強度仍不能完全滿足航空領域的應

用，其強韌性仍不如超高強韌合金鋼(1 500 MPa以

上)，需要研制抗拉強度大于1 350 MPa并且韌性良好

的高強鈦合金。繼續擴大高溫鈦合金的使用溫度，使

其達到650℃ 以上，通過多元素合金化提高合金的高

溫性能，繼續探究稀土元素對于高溫性能的影響。對

于阻燃鈦合金，我國發展相對緩慢，需要制定評價鈦

合金阻燃性能的統一標準。

3．2 積極拓寬航空鈦合金精密鑄件的應用范圍

與鈦合金鍛件相比，鈦合金精密鑄件可極大降低

產品的生產周期和生產成本，并適用于批量生產。我

國鈦合金精密鑄造技術近年來發展較快，已廣泛應用

于航天、軍工等領域，但由于航空鈦合金鑄件的內部

質量和表面質量要求很高，關鍵航空鈦合金部件還很

難采用鈦合金鑄件，并且目前航空鈦合金鑄件的成品

率還不是很高，因此仍需要提升我國航空鈦合金部件

的精密鑄造技術，如造型技術、熔煉成形工藝等。

3．3 開展低成本航空鈦合金的研制

航空鈦合金產品的研制與生產目前已經成熟化、

商業化，低成本航空鈦合金將受到極大關注，除了對

生產過程進行控制、提高成品率之外，還需要對材料

本身進行改進，如在合金化方面，用便宜的Fe元素替

代昂貴的V、Mo等元素l 2 J_，在保證強度和韌性的同時，

降低金屬材料成本，在鑄造成形方面，可以通過研制

低成本高穩定性的氧化物鑄型材料，降低鑄造的成本。

通過降低成本，鈦產品在航空領域的應用將得到進一

步推廣。

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