钛合金的特性、种类及应用领域

钛合金具有密度小、比强度高、耐蚀性好和热强度高的特点，有利于降低飞行器的结构质量，提高飞行器的结构效率，是航空航天飞行器较为理想的结构材料。钛合金是当代飞机和发动机的主要结构材料之一。据统计，钛在航空航天上的应用约占钛总产量的70%左右，包括军用飞机、民用飞机、航空发动机、航天器、人造卫星壳体连结座、高强螺栓、燃料箱、导弹尾翼、弹头壳体等。美国在这方面走在世界前列，早在20世纪60年代，美国就把阿波罗载人飞船送上了月球，飞船机体材料的5%为钛合金。进入20世纪80年代，美国飞机每年用钛达1.3～1.9万t，其中军用飞机占整个飞机的用钛量的41%～70%，如F-15战斗机，每架用钛半成品30t（最终成品5t）。美国的新型战斗机F-22用钛量约占机体总质量的45%，其中发动机的叶轮盘、叶片和机匣、燃烧室筒体和尾喷管等均采用了钛合金。制造一架隐形战略轰炸机B-1B的发动机及壳体结构用钛量近90t。

目前，钛合金在航空航天领域的应用日趋广泛，钛合金在新型战斗机的机体结构上用量已经超过了铝合金。随着国外各种飞机的更新换代，钛合金在飞机上的用量（结构质量所占比例）呈现不断提高的总趋势，如美国战斗机各种材料结构质量分数呈现上升趋势（见表3-1）；民用客机的钛合金用量也逐步提高，其中波音757用钛量约占6%，波音777用钛约占9%。

表3-1 美国战斗机各种材料结构质量分数

1.按组织结构的分类

钛是同素异构体，熔点为1668℃，在低于882℃时呈密排六方晶格结构，称为α钛；在882℃以上呈体心立方晶格结构，称为β钛。利用钛的上述两种结构的不同特点，添加适当的合金元素，使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金。根据室温下钛合金的基体组织，可分为α钛合金、β钛合金和α+β钛合金。

（1）α钛合金

α钛合金是α相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均为α相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在500～600℃的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。

（2）β钛合金

β钛合金是β相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强度，淬火、时效后合金得到进一步强化，室温抗拉强度可达1372～1666 MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。

（3）α+β钛合金

α+β钛合金是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50%～100%；高温强度高，可在400～500℃下长期工作，其热稳定性次于α钛合金。

三种钛合金中最常用的是α钛合金和α+β钛合金；α钛合金的切削加工性最好，α+β钛合金次之，β钛合金最差。在我国，α钛合金代号为TA，β钛合金代号为TB，α+β钛合金代号为TC。

2.按使用性能的分类

根据钛合金使用性能的特点，可以将其分为高强度钛合金、高温钛合金、阻燃钛合金和高损伤容限钛合金。

图3-1 采用Ti-10V-2Fe-3Al的波音777客机起落架

（1）高强度钛合金

一般指抗拉强度在1000MPa以上的钛合金。目前，代表国际先进水平并在飞机上获得实际应用的高强度钛合金主要有β型钛合金Ti-10V-2Fe-3Al，Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al，B-21S（Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si），α-β型两相钛合金BT22（Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr）以及我国的TB10（Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al）等。以Ti-10V-2Fe-3Al合金为例，该合金是美国Timet公司于1971年研制成功的，是迄今为止应用最为广泛的一种高强韧近β钛合金。它是一种为适应损伤容限性设计原则而产生的高结构效益、高可靠性和低制造成本的锻造钛合金。现已应用于波音777客机起落架主梁（见图3-1），以及欧洲空客公司制造的载客量达500人以上的A380客机的主起落架支柱。

（2）高温钛合金

高性能航空发动机的发展对高温钛合金提出了更高要求，促使钛合金的使用温度逐步提高。从20世纪50年代以Ti-6Al-4V合金为代表的350℃，经过IMI679和IMI829提高到了以IMI834合金为代表的600℃。目前，代表国际先进水平的高温钛合金有美国的Ti-6242S（Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si）、Ti-1100（Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si），英国的IMI834（Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si），俄罗斯的BT36（Ti-6.2Al-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-0.1Y-5.0W-0.15Si），以及我国的Ti-60（Ti-5.8Al-4.8Sn-2.0Zr-1.0Mo-0.35Si-0.85Nd）。Ti-1100（Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si）合金是美国于1988年研制成功的高热强性近α型钛合金。该合金在Ti-6242S合金成分的基础上，通过调整Al、Sn、Mo和Si元素的含量，使其使用温度达到600℃。合金对杂质元素O和Fe含量的控制十分严格，要求w_O＜0.07%，w_Fe＜0.02%，其特点是具有较低的韧性和较大的疲劳裂纹扩展速率。据报道，Ti-1100合金已用于制造莱康明公司T55-712改型发动机的高压压气机轮盘和低压涡轮叶片等零件。美国F22飞机中型机身挡板采用钛合金（见图3-2），其宽为4.90m、厚为1.80m、高为0.20m。

图3-2 F-22飞机中型机身挡板

（3）阻燃钛合金

普通钛合金在作为航空发动机材料使用时，可能会产生钛燃烧，为了解决这个问题并满足高推重比航空发动机的需要，各国开展了对阻燃钛合金的研制。目前，国内外典型的阻燃钛合金有美国的Alloy C（Ti-35V-15Cr）、俄罗斯的BTT-1、BTT-3以及我国的Ti-40（Ti-25V-15Cr-0.4Si）。Alloy C合金是美国于20世纪80年代由P&W公司研制成功的一种β型钛合金。Alloy C合金的Mo当量为47.5%，是目前工业用β钛合金Mo当量最高的合金。合金中的Cr元素使合金具有很高的高温强度，改善了合金的抗氧化能力。合金还具有良好的室温和高温塑性、抗蠕变和抗疲劳性能。其主要缺点为合金中的合金元素密度和熔点差异较大，容易造成偏析；合金在高温（特别是482℃以上）工作时，α相颗粒会在晶界析出，易造成合金脆化。合金通过冷热加工，已获得各种半成品，如板材、箔材、带材、扩散焊接的蜂窝板、冷成形的支架和加强杆、轧制和焊接的环以及熔模铸件。据报道，已将Alloy C的产品应用于F119的尾喷管和加力燃烧室，并成功地进行了飞行试验。

（4）高损伤容限钛合金

为了适应损伤容限设计的要求，国际上十分重视发展具有很高断裂韧性和很慢裂纹扩展速率的中强或高强钛合金，即高损伤容限钛合金（或称损伤容限型钛合金）。目前，国外已经研制出高断裂韧度、低裂纹扩展速率的损伤容限型钛合金，即低间隙Ti-6Al-4V（β-ELI）和Ti-6-22-22S（Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si）。我国研制出了新型两相高强高韧TC21（Ti-Al-Mo-Sn-Zr-Cr-Si-X系）合金。Ti-6Al-4V（β-ELI）属于900MPa强度级别的高损伤容限型钛合金，已应用于波音777客机的安定面连接接头和F/A-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公司于20世纪70年代研制的一种航空用A-B型钛合金。通过添加Si使该合金能够在中温下保持较高的强度。Ti-6-22-22S合金已被美国空军选定作为F-22战斗机用材料，如飞机下部龙骨的翼弦用的就是Ti-6-22-22S合金锻件，同时该合金还计划用于X-33教练机、可重复使用的运载火箭及联合攻击战斗机。Ti-6Al-4V合金用于座舱窗户框架（见图3-3），以防止高载荷，如鸟的撞击，而对其他窗户框架，铝合金即可提供足够强度。现代喷气式发动机的大型前端风扇叶片也是钛合金制作的。图3-4所示为Ti-6Al-4V合金制造的Rolls-Royce Trent喷气式发动机前风扇。

图3-3 Ti-6Al-4V制造的商用飞机驾驶舱窗户框架

图3-4 Ti-6Al-4V合金制造的Rolls-Royce Trent喷气式发动机前风扇

3.钛合金的应用

钛合金不仅在航空航天领域有着广泛的应用，在其他领域也有较多的应用，如船舶工业、医疗行业、储氢材料、燃料电池、医疗器械等。

（1）船舶工业

钛合金在海洋条件下有着极其优良的耐蚀性、高的比强度、无磁等特点，因而被广泛应用于船舶工业。目前，钛在舰船上已应用的部位有耐压壳体、螺旋桨和桨轴、通海管路、阀及附件、各类管接头、热交换器、冷却器、冷凝器、发动机零部件、升降装置及发射装置、声学装置零部件等。

钛制耐压壳体主要用在深海潜水器和潜艇上，在美国、法国、日本，以及我国都有一定的应用。如美国的“海崖”号深潜器装备了钛观察舱和操纵舱，日本的“深海6500”使用了Ti-6Al-4V ELI合金。但在大型潜艇上大量用钛的只有俄罗斯，如俄罗斯生产的阿尔法级和台风级核潜艇，每艘用海绵钛3000t到9000t不等。钛合金抗空泡腐蚀性能远远优于钢和铜镍合金，在海水中的腐蚀疲劳强度同在大气中的疲劳强度相比没有降低反而略有提高，因此作为舰船的螺旋桨和桨轴可降低空泡腐蚀速度，延长使用寿命并提高推进效率。钛合金抗高速海水冲刷，在流速13 m/s条件下使用也不会出现冲刷腐蚀现象，特别适用于工作介质为高压、高流速海水的管路。用钛材制造舰船的通海管路和阀还能减少管径，减薄管壁。船舶工业中采用的钛合金及使用部位见表3-2。

表3-2 船舶工业中采用的钛合金及使用部位

（2）医疗行业

医用钛合金无毒、质轻、比强度高，具有极好的生物相容性和耐蚀性，是较理想的医用金属材料，可用作植入人体的植入物等。针对常用的Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb等合金析出对人体有害的钒和铝离子。科学家研制了无铝、无钒，具有更好生物相容性的钛合金。如日本已开发出一系列具有优良生物相容性的α+β钛合金，包括Ti-15Zr-4Nb-4Ta-0.2Pd、Ti-15Zr-4Nb-4Ta-0.2Pd（0.2～0.05）、Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pd、Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pd-0.2O。这些合金强度高，切口性能和韧性好，适于作为人体植入物。医用钛合金弹性模量接近于人体骨骼，因此钛合金人工关节，包括膝关节、肘关节、踝关节等被广泛用于人体矫形手术中。德国在20世纪80年代开发了钛合金精铸假肢，它的应用推动了现代功能假肢的发展，从此各国钛合金精铸假肢得到了推广应用。1992年国际假肢矫形器大会认为，假肢将逐渐淘汰钢零件，完全向钛合金迈进。最近，钛轮椅在美国进入了设计和生产阶段，并在高端市场与铝轮椅竞争。钢轮椅重约22.6kg，铝轮椅重约11.34～13.6kg，而钛轮椅仅重6.35～9.07kg，为使用者提供了方便，可以避免因长期使用轮椅而引起胳膊和肩关节疾病。图3-5所示为钛合金髋关节植入件。据统计，钛的医用市场每年正以5%～7%的速度增长。可见，钛在医疗行业有广阔的发展前景。

图3-5 钛合金髋关节植入件

（3）其他行业

钛合金在其他行业中也有着广泛的应用。如利用钛合金的低密度及良好的耐蚀性，可作为质子交换膜燃料电池中的电极材料，如图3-6所示。在航天工业中，钛合金比强度高、密度小的特点使其受到了广泛应用。如图3-7所示为美国航天飞机计划中的钛合金压力容器。

图3-6 质子交换膜燃料电池中的钛合金电极

图3-7 美国航天飞机计划中的钛合金压力容器

钛合金使用温度相对较低，一般低于500℃，多用于一些低温工作的部件。而钛铝合金可在较高的温度下使用，近几十年来，TiAl基合金作为下一代新型轻质高温结构材料引起了国内外学者的广泛关注，TiAl基合金有许多突出的特点，它具有良好的综合性能：第一，具有相对较低的密度，比目前使用的耐高温材料-高温镍基合金50%还要低；第二，具有较高的比强度和比弹性模量，并且在高温时仍能保持足够高的强度和刚度；第三，具有良好的抗蠕变及抗氧化能力。在700～1000℃范围内，TiAl基合金与其他合金相比，其比强度具有明显优势，如图3-8所示。

图3-8 不同温度时TiAl基合金的比强度与其他合金比较

随着现代航空航天事业的迅猛发展，对发动机的推重比要求越来越高，而发动机性能的提高，很大程度上取决于叶片性能的提高，而TiAl基合金的这些特点使其成为发动机叶片的首选材料之一。据美国NASA估计，到2020年整个发动机材料总量的20%～25%将是TiAl基合金。早在1993年美国GE发动机公司已经开始将Howmat公司铸造的Ti-47Al-2Cr-2Nb合金低压涡轮叶片装在CF6-80C2上做1000个模拟飞行周次的考核，结果TiAl合金叶片完整无损。1996年又有NASA的“AITP”计划，做GE-90发动机5级和6级涡轮叶片，工作主要包括叶片设计、近终形叶片制备工艺发展和实际考核，目标是要取代原来的Rene77叶片，可降低质量80kg。图3-9是TiAl基合金高压压缩机叶片。图3-10所示为CF6-80C2喷气式发动机的第五级低压涡轮，涡轮叶片由Ti-47Al-2Cr-2Nb铸造合金制造，共98个叶片，单个叶片长50cm。

图3-9 TiAl基合金高压压缩机叶片

图3-10 CF6-80C2喷气式发动机的第五级低压涡轮

严格来讲，钛铝合金与钛合金存在重要的差别。但从熔炼的角度来看，两者具有相似特点。而在实际中，所采用的熔炼方法与熔炼设备基本相同。因此，我们将钛合金与钛铝合金放在一起讨论其熔炼方法。