航空用TC4/Ti60等鈦合金材料的發(fā)展與應用

引言

由于鈦合金具有高比強度、較寬的工作溫度范圍和優(yōu)異的腐蝕抗力，因而在航空及宇航工業(yè)得以廣泛應用。20世紀50年代，軍用飛機進入了超音速時代，航空發(fā)動機相應地進人噴氣發(fā)動機時代，要求使用在室溫、中溫下具有更高比強度的新材料，原有的鋁、鋼結構已不能滿足新的需求，而鈦合金恰恰在這一時期剛剛具備了工業(yè)生產(chǎn)能力，正適應了超音速軍機發(fā)展的需要。

世界鈦市場中最大的用戶始終屬于航空，當今世界航空工業(yè)的興衰仍對鈦合金的研究、生產(chǎn)和應用起舉足輕重的作用。相應地，衡量一個國家航空工業(yè)發(fā)展水平的一個重要標志就是航空用鈦的需求量占鈦總需求量的百分比。世界范圍內(nèi)航空鈦加工材需求占鈦材總需求量的50%左右，其中美國1990年至1997年期間航空航天工業(yè)的鈦材需求量約占美國鈦材總需求量的70%，在航空航天工業(yè)中民用量又為軍 用量的2倍多，而我國鈦加工材應用于航空工業(yè)的份額不足20%，還有極大的發(fā)展空間。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和大飛機計劃的啟動，先進大飛機及其發(fā)動機對高性能、低成本、高效率、低污染提出了極高要求，是先進航空鈦合金材料和熱工藝發(fā)展的強大驅動力。

1、鈦及鈦合金在航空工業(yè)中的應用

由于碳復合材料和鈦合金都具有密度小、比強度高等優(yōu)異性能，特別是鈦合金與碳復合材料有很好的相容性，因此，鈦是一種較理想的航空結構材料。就目前的趨勢來看，越是先進的新型飛機，越是寬體飛機，用鈦量越大(見圖1)。

由于寬體A350客機碳復合材料用量大，所以用鈦量約100t，高于A380客機的90t。圖2給出了A350客機用鈦的主要部位和部件，主要有起落架、機翼結構、發(fā)動機懸架、機翼高壓油管氣管、緊固件、艙門、機艙面板或隔板、座椅導軌、尾錐和輔助動力艙的隔熱屏等。不僅是機身，目前大飛機用主流的高涵道比渦輪風扇發(fā)動機也大量用鈦。軍機與民用飛機的用材趨勢相同，而且用鈦的比例更高。在20世紀80年代以后美國沒計的先進軍用戰(zhàn)斗機和轟炸機中，鈦合金用量已穩(wěn)定在20%以上。

1.1 飛機機體的鈦用量

在軍機方面，使用新材料的比例遠遠高于民用飛機。此外美國1970年開始服役的C-5上鈦合金的質(zhì)量分數(shù)為6%，而1992年開始服役的C-17已增至10.3%，鈦零件總質(zhì)量達6.8t/架。俄羅斯的伊爾76運輸機的鈦合金用量達12%。此外，美B-2轟炸機、法幻影2000及俄Cy-27CK戰(zhàn)斗機的鈦用量分別為26%、23%、18%，美國2006年以后服役的世界最先進第四代戰(zhàn)斗機F22的用鈦量高達39%～41%。我國20世紀60年代投產(chǎn)的殲七飛機的鈦零件質(zhì)量只有9kg，70年代殲八白天型飛機的鈦零件質(zhì)量增至60kg，80年代抓住殲八Ⅱ研制的機遇，使飛機的鈦用量達到總結構質(zhì)量的2%，鈦零件質(zhì)量達到93kg，殲十的鈦用量進一步增至3%。這些進步雖然得之不易，但與國外第三代、第四代飛機的鈦用量相比，仍然存在很大差距。

表1中列出的F/A18E/F、F/A22、F-35、三大戰(zhàn)斗/攻擊機和2轟炸機是美國在2015年前保持空中優(yōu)勢的4塊“王牌”。由表1可知，總的發(fā)展趨勢是鈦在飛機機體上的用量不斷增大，F(xiàn)/A-18在不斷改型的過程中其鈦用量也不斷增多。

民用飛機的鈦用量也在不斷增大，見表2。在民用客機方面，雙通道飛機的用鈦量大大高于單通道飛機的。如波音公司的一架波音737、747、777鈦用量分別為18t、45t和59t，而一架波音787飛機用鈦量達到136t，占全機質(zhì)量的15%，用鈦量比例增加十分顯著。空客公司亦是如此，一架A320、A330和A340的用鈦量分別為12t、18t和25t，而一架A380采用了全鈦掛架，用鈦量達到146t，占全機質(zhì)量的10％，較之A350的9%有顯著進步。2008下半年空客A380和波音787試飛后其量產(chǎn)期推后了一年半至2010年，預計2011年這兩種型號的飛機將量產(chǎn)，從而帶動世界航空用鈦材的需求。未來大型飛機取代支線，寬體取代窄體將成為趨勢。據(jù)國際航空權威組織Theairlinemonitor預測，2008年2010年僅雙通道飛機一個單項的用鈦量就將達到近7萬t，而鈦加工材產(chǎn)量居于世界第二的中國14家企業(yè)2009年的鈦材總產(chǎn)量只有2.77萬t，市場潛力巨大。但是由于民用飛機更強調(diào)經(jīng)濟性和安全性，因而不能像新型戰(zhàn)斗機一樣達到單架用鈦比例很高的狀態(tài)。我國戰(zhàn)斗機的鈦用量也在不斷增大。20世紀880年代開始服役的殲八系列的鈦用量為2％，兩種新一代戰(zhàn)斗機的鈦用量分別為4%和15%，更新一代的高性能新型戰(zhàn)斗機的鈦用量將達到25%～30%。

1.2 航空發(fā)動機的鈦用量

表3統(tǒng)計了一些西方國家航空發(fā)動機的鈦用量。從表3可知，國外先進發(fā)動機上的鈦用量通常保持在20%～35%。我國早期生產(chǎn)的渦噴發(fā)動機均不用鈦,1978年開始研制并于1988年初設計定型的渦噴13發(fā)動機的鈦用量達到13%，2002年設計定型的昆侖渦噴發(fā)動機是我同笫一個擁有完全自主知識產(chǎn)權的航空發(fā)動機，鈦用量提高至15%，即將設計定型的我國第一臺擁有自主知識產(chǎn)權的渦扇發(fā)動機又進一步把鈦用量提高到25%。

在飛機或發(fā)動機的設計中，主要根據(jù)零件的工作溫度和應力水平選擇合金牌號，同時結合零件的制造工藝方案考慮相應的成型和焊接等丁藝性能。不同類型的鈦合金的特點不同，使用的具體部位也有差別：α型合金不能熱處理強化，只有中等水平的室溫強度，但組織穩(wěn)定，抗蠕變性能好，可在較高溫度下長期穩(wěn)定工作，是創(chuàng)制新型耐熱鈦合金的基礎，一般用作承力較大的鈑金件和鍛件；β型合金在固溶狀態(tài)有良好的工藝塑性，便于加工成形，時效處理后可獲得很高的強度性能，但對雜質(zhì)元素敏感性高，組織不夠穩(wěn)定，耐熱性較低，不宜在高溫下使用，一般用作緊固件和飛機結構件；α+β型合金具有良好的熱強性和冷成型性，綜合性能好，并且可淬火和時效強化，一般用作渦輪發(fā)動機機身構件。

表4足部分典型鈦合金在航空工業(yè)中的應用情況。

1.3 航空用鈦合金分類

鈦合金作為當代飛機和發(fā)動機的主要結構材料之一，可以減輕飛機的質(zhì)量，提高結構效率。在飛機用材中鈦的比例，客機波音777為7%，運輸機C-17為10.3，戰(zhàn)斗機F-4為8%，F(xiàn)-15為25.8%，F(xiàn)-22為39%。幾十年來，國內(nèi)外針對航空應用所研究的鈦合金等均取得了很大進步，許多合金也得到廣泛應用。根據(jù)航空用鈦合金的強度及服役環(huán)境特點，可將其分為高溫鈦合金、高強鈦合金、損傷容限型鈦合金和阻燃鈦合金等。

1.3.1 高溫鈦合金

20世紀50年代以Ti一6Al—4V合金為代表，其使用溫度為350℃，經(jīng)過研究者的努力，最終得到了以IMI834合金為代表的使用溫度600℃高溫鈦合金。目前，國際先進的高溫鈦合金主要有美國的Ti-6242S、Ti-1100，英國的IMI834，俄羅斯的BT36以及中國的Ti-60，表5為600℃部分高溫鈦合金的特點。

Ti-6242S(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si)鈦合金是美國于20世紀60年代為了滿足噴氣發(fā)動機使用要求而研制的一種近α型鈦合金。該合金的最高使用溫度為540℃，室溫的σ_b=930MPa，特點是具有強度、蠕變強度、韌性和熱穩(wěn)定性的良好結合，并具有良好的焊接性能，主要應用于燃氣渦輪發(fā)動機零件、發(fā)動機結構板材零件、飛機機體熱端零件。

Ti-1100(Ti-6Al-2.75Sn4Zr-0.4Mo-0.45Si)合金是近α型鈦合金，使用溫度達到600℃，特點是具有較低的韌性和較大的疲勞裂紋擴展速率。該合金已用于制造萊康明公司T55-712改型發(fā)動機的高壓壓氣機輪盤和低壓渦輪葉片等零件。IMI834(Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si)合金是英國在1984年研制成功的一種近α型鈦合金。該合金在β兩相區(qū)固溶時效處理后，室溫的σ_b≥930MPa，具有高蠕變強度和良好的疲勞強度和變形能力，可適用于鈦的各種方式進行焊接，現(xiàn)已用于波音777機的大型發(fā)動機Trent700上。

BT36(Ti-6.2Al-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-0.1Y5.0W-0.15Si)合金是俄羅斯于1992年研制成功的一種使用溫度在600～650℃的鈦合金。

Ti-60(Ti-5.8Al-4.8Sn-2.0Zr-1.0Mo-0.35Si-0.85Nd)合金是由中國科學院金屬研究所、寶雞有色金屬加工廠共同研帶的一種使用溫度為6OO℃的高溫鈦合金。該合金已進行了半工業(yè)性中試試驗(包括壓氣機盤模鍛)和全面性能測定。

目前，在航空發(fā)動機上應用的傳統(tǒng)高溫鈦合金的最高使用溫度仍為600℃。高于600℃時，蠕變抗力和高溫抗氧化性急劇下降，成為限制鈦合金向更高溫度發(fā)展的兩大主要障礙，因此研制600℃的新型高性能的高溫鈦合金迫在眉睫。

1.3.2 高強鈦合金

高強鈦合金一般指抗拉強度在1000MPa以上的合金。目前，代表國際先進水平并在飛機上獲得實際應用的高強度鈦合金主要有β型鈦合金Ti-10-2-3、Ti-15-3、β-21S、α+β型兩相鈦合金B(yǎng)T22以及中國的TB10等。

Ti-1023(Ti-10V-2Fe-3Al)合金是迄為止應用最廣泛的一種高強韌的近β鈦合金。它是一種為適應損傷容限性設計原則而產(chǎn)生的高結構效益、高可靠性和低制造成本的鍛造鈦合金。其拉伸強度、斷裂韌性和疲勞性能明顯優(yōu)于Ti-6Al-4V，并與飛機結構中常用的30CrMnSiA高強度結構鋼相當。該合金具有優(yōu)異的鍛造性能，在760℃可進行等溫鍛造，提供各種近凈型加工鍛件，現(xiàn)已應用于波音777客機、 A380客機等。

Ti15-3(Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al)合金是一種近β型的高強抗腐蝕合金。熱處理強化板材的σ_b≥1310MPa，δ₅≥5%，顯微組織為β基體和彌散的α相。合金具有優(yōu)良的冷變形性、時效硬化性能和可焊接性能等特點。已應用到波音777上的應用控制系統(tǒng)管道和滅火罐。

β-21S(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si)合金是Fimet公司在1989年為麥道公司提供一種用于航天飛機的鈦金屬基復合材料中所需的抗氧化箔材而開發(fā)的。由于合金具有優(yōu)異的高溫強度和抗蠕變性能，適用于發(fā)動機襯套和噴管等，現(xiàn)已被美國同家宇航局確定用作碳化硅鈦基復合材料的基體材料。

BT22(Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr)合金是前蘇聯(lián)在20世紀70年代研制成功的一種高合金化、高強度的近β型鈦合金。其拉伸強度大于等于1105MPa，已成功用作機身、機翼、起落架和其它高承載部件。

北京有色金屬研究總院自主研制的TB10(Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al)合金具有比強度高、斷裂韌度好、淬透性高等優(yōu)點，現(xiàn)已在我國航空領域得到了實際應用。

現(xiàn)有鈦合金的強度，尤其是強韌性匹配不能滿足航空要求，而且合金成本太高，合金性能對工藝參數(shù)敏感等問題使其應用受到了一定限制。因此，研制強韌匹配、開發(fā)低成本的高強鈦合金得尤為重要。

1.3.3 損傷容限鈦合金

具有很島斷裂韌性和很慢裂紋擴展速率的中強或高強鈦合金，即損傷容限型鈦合金的開發(fā)受到了各國的重視。目前，高斷裂韌度、低裂紋擴展速率的損傷容限鈦合金主要有Ti-6Al-4V(β-ELI)、Ti-62222S合金和新型兩相高強高韌TC21合金。

Ti-6Al-4V(β-ELI)屬于900MPa強度級別的高損傷容限型鈦合金。其鍛件主要性能可達到：σ_b≥895MPa，σ_0.2≥795MPa，δ₅≥8%，φ≥15%，KR≥75MPa.m1/2。Ti-6Al-4V(β-EiI)合金已應用于波音777客機的安定面連接接頭和FA-22飛機的機體。

Ti-6-22-22S(Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si)合金是由美國RMI公司研制的一種航空用α-β型鈦合金。該合金的主要優(yōu)點為：具有良好的強韌性匹配，經(jīng)熱處理后合金的σ_b≥1035MPa，KIC≥77MPa·m1/2；深淬透性(斷面直徑可達100mm)；極好的超塑性成型性能。該合金已作為F-22戰(zhàn)斗機、教練機及聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機用材料。

TC21(Ti-Al-Mo-Sn-Zr-Cr-Si-X系)是西北有色金屬研究院研制的一種新型兩相高強、高韌、高損傷容限型鈦合會L1，具有優(yōu)良的強度、塑性、韌性和低的裂紋擴展速率匹配。該合金已經(jīng)過實驗室、中試及工業(yè)規(guī)模3個周期的深入研究。實驗表明，該合金的φ20mm棒材經(jīng)過(Tβ=20～50℃)×1hAC+600℃×4hAC的固溶、時效處理后，其組織是由等軸α和網(wǎng)籃組織共同構成的雙態(tài)組織，σ_b≥l105MPa、σ_0.2≥1000MPa、δ≥15%、φ≥43%，具有良好的綜合性能。

隨著我國航空系統(tǒng)損傷容限設計技術的迅速普及，對高損傷容限鈦合金的需求將日益迫切。同時，需深入研究鈦合金損傷容限性能機理以及完善對損傷容限性能的表征與評價技術。

1.3.4 阻燃鈦合金

為了避免鈦燃燒并滿足高推重比航空發(fā)動機的需要，各國開展了對阻燃鈦合金的研制。阻燃鈦合金主要有兩個合金系：Ti-V-Cr系，如美國的AlloyC；Ti-Al-Cu系，如俄羅斯的BTT-1、我國的Ti-40。表6為兩種典型阻燃鈦合金的性能。

AlloyC(Ti-35V-15Cr)是美國研制的一種β型鈦合金，是目前工業(yè)用β鈦合金鉬當量最高的合金。該合金產(chǎn)品已應用于F119的尾噴管和加力燃燒室。

BTT-1和BTT-3為俄羅斯研制的阻燃鈦合金，均為Ti-Cu-Al系合金(具體成分未見公布)。BTT-1合金具有良好的熱加工性能，可制成形狀復雜的發(fā)動機零件，如壓氣機機匣和葉片等，工作溫度可達450℃，其典型零件已在試車臺上通過試驗。BTT-3合金的工藝塑性優(yōu)于BTT-1的，阻燃性能也得到了顯著提高，適合于軋制板材和箔材。

Ti-40(Ti-25V-15Cr-0.4Si)合金是西北有色金屬研究院研制的一種新型全β型阻燃鈦合金，室溫下只有β相存在。該合金具有良好的機械性能和優(yōu)良的阻燃性能，其阻燃性能與美國的AlloyC合金相當。該合金的主要缺點是熱加工困難，不能像常規(guī)鈦合金一樣自由鍛造，否則將極易開裂。

目前，除美國和俄羅斯的部分典型阻燃鈦合金得到了實際應用外，其他各國對阻燃鈦合金的研究仍處于研究階段。

阻燃鈦合金的類型較少、成本較高以及對阻燃性能評價方法的不統(tǒng)一都阻礙了阻燃鈦合金的發(fā)展。與Ti-V-Cr系阻燃鈦合金相比，Ti-Cu-Al系阻燃鈦合金的綜合力學性能較差，工作溫度也較低。對如何進一步提高該系合金的力學性能需進行更深入的研究。Ti-V-Cr系阻燃鈦合金含有大量貴金屬元素V，導致成本較高，限制了其應用。國內(nèi)已有學者采用價格較低的Mo部分替代V進行了一定嘗試的研究。

2、鈦加工材在我國航空工業(yè)中的應用

2.1應用現(xiàn)狀

我國航空領域的鈦材需求量在世界航空領域的鈦材需求量中所占的比例很小，在我國鈦材總需求量中所占的比例也一直處于低位。2006年航空領域鈦材需70%。我國航空領域鈦材需求量在總需求量所占比例偏低的主要原因有3條：其一，我國的民用干線飛機都是從國外購買；其二，一些新型軍用飛機尚未批量生產(chǎn)；其三，已批量生產(chǎn)的軍用飛機的鈦用量不高，一般情況下，機體小于等于5，發(fā)動機小于等于20%(所占結構的質(zhì)量分數(shù))。

中國大飛機、航天空間站、嫦娥計劃都會大量使用鈦材。尤其是大飛機項目，鈦材的應用量將逐步增大。盡管我國鈦工業(yè)在近幾年里取得了長足發(fā)展，基本上滿足了國內(nèi)各項建設的需要，但客觀地說，我國鈦工業(yè)還不能立即完全滿足航空工業(yè)大發(fā)展對鈦材的各種需求。因此，我國大飛機項目的啟動對我國鈦工業(yè)來說既是機遇，更是挑戰(zhàn)。

從20世紀50年代至80年代，國際上發(fā)展鈦合金的主要方向是不斷提高性能以滿足工業(yè)發(fā)展需要，特別是軍用飛機及其發(fā)動機減輕結構質(zhì)量的需要，即所謂的“斤斤計較”甚至“克克計較”。雖然我國在高性能鈦合金的研究方面取得了一些成就，但是與國外相比，在高阻燃性能鈦合金、高耐熱性能鈦合金和高強度的β和β型鈦合金等方面仍存在較大差距。而20世紀90年代蘇聯(lián)解體后，雖然美英發(fā)展高性能鈦合金的努力仍在繼續(xù)，但是勢頭已有所減緩，降低成本的呼聲越來越高，從“斤斤計較”轉為“元元計較”的氣氛越來越濃。

2.2我國航空鈦合金新世紀面臨的挑戰(zhàn)

高用量：與國外相比，我國航空發(fā)動機鈦用量存在的差距比飛機機體的要小得多，但要把航空發(fā)動機的鈦用量進一步提高至30%左右，其難度仍相當大。

高性能：與其它航空結構材料一樣，高性能是要求其具有高性能的同時又具有良好的性能匹配，即必須綜合考慮其力學性能、物理性能、化學性能、工藝性能和缺陷的可控性。我國在航空用高性能鈦合金方面的研究與國外鈦合金高性能方面的發(fā)展水平相比還存在一定的差距。

低成本：國外在降低成本方面雖然取得了一些成就，但仍有許多領域有待研究和開發(fā)。以阻燃鈦合金為例，美國發(fā)明的AlloyC雖然具有優(yōu)良的阻燃特性和高溫力學性能，但由于它需要添加大量昂貴的V和較差的可鍛性而導致價格很高，因此只有在F119發(fā)動機中正式應用，其他發(fā)動機均望而卻步。至于圍內(nèi)鈦合金產(chǎn)品在成本方面的問題就更多了，由于管理和技術落后等原岡，產(chǎn)品價格在國際上競爭力差，在國內(nèi)則不利于進一步擴大應朋。因此，必須認真研討降低鈦產(chǎn)品成本的途徑，確定近、中、長期發(fā)展規(guī)劃，確立可降低成本的科研、開發(fā)和技改項目，從而促進我國鈦資源的充分利用，推動我國鈦產(chǎn)品的推廣應用。

3、結語

對現(xiàn)有高溫用鈦合金進行成分調(diào)整或研制具有自主知識產(chǎn)權的新型高強韌鈦合金，研發(fā)新的使用溫度突破600℃的高溫鈦合金，降低鈦合金成本等將成為航空用鈦合金的研究及發(fā)展方向。大力開展計算機模擬和控制鈦合金工藝、組織、性能的研究是我同鈦合金領域提高質(zhì)量和降低成本的根本措施。此外，嘗試用價格較低的合金元素取代較昂貴的金屬元素或改善加工工藝以降低鈦合金成本，進一步擴大其使用范圍。一方面我們要奮起趕超國際高性能鈦合金的先進水平，另一方面應認真研討降低鈦產(chǎn)品成本的途徑，確立相應的科研、開發(fā)和技改項目，從而促進我國鈦資源的充分利用，推動我國鈦產(chǎn)品的推廣應用。