中國航空結構用新型TC17/TC21鈦合金研究進展

1、前言

鈦合金由于具有比強度高、使用溫度范圍寬(-269℃～600℃)、抗腐蝕性好和良好的加工性能等，被廣泛應用于航空航天及其發動機結構中。近幾年來，世界鈦產業發展迅速，其中50％的市場份額屬于航空工業。中國鈦產業在最近的6年來也快速增長，其中海綿鈦(TitaniumSponge)和鈦材(TitaniumProducts)產量都達到10000t以上，創歷史新高，中國鈦產量占世界鈦產量的比例2004年以來一直名列第4位。但是，中國的鈦產品結構不是很理想，化工和體育等用板材和管材占近50％左右，而航空用大棒材、鍛件等半成品產量只占10％左右。

中國鈦產業近幾年來雖然得到了快速發展，但航空結構用鈦合金產品(鈦鍛件和大棒材等半成品)只占10％左右，距離世界水平的50％差距甚遠。所以，加強航空結構用新型鈦合金材料技術及其應用研究，提高航空結構用鈦合金的加工技術和應用水平，建立具有中國特色的航空結構用鈦合金材料體系，是提高鈦合金在航空工業用量的重要推動力和保障。本文從分析國內外鈦合金產業結構特點出發，重點闡述航空結構用新型鈦合金材料及熱工藝技術等方面的最新研究進展。

2、航空結構用新型鈦合金的研究進展

中國40余年來一直致力于航空結構用新型鈦合金方面的研究，已基本形成了航空結構用鈦合金材料體系，滿足了航空結構應用的需要。目前，我國研究的鈦合金共有72個牌號，其中，投入工業化應用的鈦和鈦合金牌號有40多個，相α或近α型鈦合金(TA1～TA28)共22個，β或近β型鈦合金(TB2～TB9)共9個，α-β型鈦合金(TC1~TC24)共24個等。

2.1飛機結構用新型鈦合金研究

開展飛機結構用新型鈦合金研究是提高飛機結構鈦合金用量和應用水平的重要保證。經過幾十年的努力，中國已經具備自主研發航空結構用新型鈦合金的條件和能力。現在，中國已經引進了許多先進的鈦合金熔煉與加工設備，例如，自動稱重與混料系統，5t~15t真空自耗熔煉爐，2400kW電子束冷床熔煉爐，2500／3000t和3500／4000t快鍛機，1300t精鍛機，以及先進的棒線材自動生產線等。

為了滿足飛機結構用鈦合金的發展需要，近年來，我國自主研發了幾種新型的結構鈦合金材料，例如，低強高韌性的絲材鈦合金(NbTi)和管材合金(TA18)，中強高韌高損傷容限型鈦合金(TC4-DT)，高強高韌高損傷容限型鈦合金(TC21)，1300MPa-2000MPa系列超高強度鈦合金(TB8、TiB19、TiB20)等，初步形成了具有中國特色的飛機結構用新型鈦合金材料體系，奠定了新一代飛機結構用鈦合金的應用框架結構(見表1)。

2.1.1TC21高強高韌高損傷容限鈦合金

TC21鈦合金是具有我國自主知識產權的新型飛機結構用鈦合金，目前該合金300mm以下大鈦棒材具備穩定批量供應的條件。TC21鈦合金具有高強度、高韌性、高可焊性、低da／dN等性能，其綜合力學性能比美F一22飛機應用的Ti一6—22—22S(美)和蘇一27系列飛機廣泛應用的BT20(俄)鈦合金更加優異，特別是具有非常優異的電子束焊接性能(見表2)，適合于制造飛機大型整體框梁類重要承力構件。

2.1.2TC4一DT中強高韌高損傷容限鈦合金

TC4一DT鈦合金是我國結合純凈化熔煉技術和新型的處理工藝技術而研發的新型中強度高損傷容限型鈦合金，該合金具有很高的韌性、低的疲勞裂紋擴展速率(da／dN)、優異的焊接性能、優良的工藝性能和較低的成本等綜合性能，特別適合制造飛機大型整體框梁類重要承力構件。目前，TC4一DT鈦合金300mm以下大棒材具備批量供應的能力。

2.1.3 44.5NbTi低強高韌性線材鈦合金

Ti44.5Nb低強高韌性線材鈦合金是美國在航空航天產品中大量使用的鉚釘材料，在退火態具有較好的拉伸性能(441MPa~490MPa)、剪切強度(365MPa)和高的塑性(延伸率10％，斷面收縮率50％)，適宜用于復合材料連接結構的連接，與其它的航空鉚釘材料相比，比強度最高，在美國已淘汰了純鈦鉚釘，在航空航天產品中全部改用鈦鈮鉚釘。國內某型號機在生產時，復合材件的鉚接就采用了進口的這種鈦鈮鉚釘，單機使用上千件。在其它型號機上仍采用純鈦鉚釘，性能低且不穩定。西北有色金屬研究院早在20世紀60年代中期就開始了超導材料用NbTi合金的研究，并于70年代成功研制出了NbTi合金棒、NbTi單芯線和多芯線材，目前，正在開發新一代飛機用鉚釘緊固件(見圖1)，以滿足航空用緊固件的需要。

2.2鈦合金新型加工技術研究

我國在結構鈦合金新型加工技術方面積累了豐富的經驗，通過加工工藝技術創新性的研究，不斷開發新型的制造技術，提高了鈦合金的應用水平，拓展了傳統鈦合金和新型鈦合金的應用范圍，產生了巨大的技術和經濟效益。

目前，發展最成熟和已經在航空結構件中得到應用的新型鈦合金加工技術主要包括新型造和處理技術、等溫鍛造技術、激光快速成形技術、先進焊接技術等。

2.2.1新型“準β鍛造工藝”及在鈦合金飛機構件上的應用

鈦合金構件當采用高溫鍛造工藝代替常規的α+β鍛造時，由于變形溫度高、抗力小、易于成形、成品率高等特點，在國內外生產上受到高度的重視。同時，高溫鍛造獲得的網籃組織正是大應力高溫長時間使用條件下的零件(如盤類零件)所希望得到的組織，也是高損傷容限長壽命設計所需的高斷裂韌性、低疲勞裂紋擴展速率(da／dN)的基本保證，在飛機結構件的應用方面具有廣泛的前景。但普通的艘造工藝由于生產控制難、組織與性能穩定性差、特別是室溫塑性常常降低到不可接受的地步等原因，在實際生產中難以實施。為此，發展了一種新型的鈦合金“準鍛造工藝”，通過控制鈦合金復雜構件低倍組織和高倍顯微組織均勻性，從根本上解決了網籃組織塑性偏低的難題。該工藝可使普通時鈦合金獲得高塑性的網籃組織(見圖2)，同時提高鈦合金的應用水平，為損傷容限鈦合金的應用奠定了技術基礎。該工藝已經分別在中強度TC6(BT3-1)鈦合金、高強度TC18(BT22)鈦合金以及高強韌TC21鈦合金等實際構件中得到了應用(見圖3)。對TC6鈦合金，相比普通鍛造工藝、近β鍛造工藝，“準β鍛造”工藝得到的模鍛件KIC提高25％以上，da／dN明顯降低，光滑疲勞極限提高14％以上。并且，經準β鍛造和普通退火處理后鍛件的KIC值和ak值都明顯高于常規鍛造得到的鍛件的KIC值和ak值，由此可以看出準鍛造工藝較常規鍛造具有優越性，而且通過普通退火鍛后熱處理可以獲得強度．塑性的最佳匹配。

2.2.2新型β熱處理工藝及在鈦合金飛機構件上的應用

β熱處理工藝已經被廣泛應用于航空結構鈦合金構件中。通過熱處理工藝，可以提高鈦合金的損傷容限性能和高溫蠕變性能，所以在航空發動機盤件以及飛機重要承力結構件中都得到了應用。例如，美F-22飛機上采用Ti-6AI-4VELI和Ti-6-22-22S合金制造的大型飛機框梁結構件就是采用熱處理工藝來提高該兩個主干鈦合金的損傷容限性能的。同時，熱處理工藝也被應用到鈦合金鑄件中，以提高鈦合金鑄件的靜強度和疲勞性能。圖4為通過一種新型熱處理工藝獲得的TC4-DT鈦合金片層組織結構特征。

此外，鈦合金的等溫鍛造技術這幾年發展也較迅速，上海寶鋼特鋼公司通過等溫鍛造技術，成功的研制出了Ti-17鈦合金整體葉盤鍛件。鈦合金的激光快速成形技術(LRF)則是一種由高功率激光鍍覆技術與快速原型技術結合而成的金屬粉末熔化和直接沉積的新工藝J，該工藝特點是不需要模具、工裝夾具等硬件而在軟件驅動下進行柔性加工，生產周期短、成本低、近凈成形，特別適合大型復雜薄壁整體結構件的制造，力學性能達到或超過鍛件的水平。此外，LFR工藝也被成功應用于鈦合金和高溫合金鍛件或鑄件的損傷缺陷修復中。我國西工大、北航、清華大學等也在激光快速成形技術方面開展了廣泛的研究工作，其主要力學性能可達到鍛件的水平。

鈦合金的先進焊接工藝技術包括自動氬弧焊、電子束焊、摩擦焊(線性、慣性、攪拌)等技術在鈦合金整體化制造技術中得到了廣泛的應用，例如，美F-22飛機中大量采用高效、性能穩定的電子束焊接技術，并獲得了較高的減重效果(例如，采用電子束焊接技術在大型前、后梁組合件中實現減重182kg)。如今，摩擦焊技術先在鋁合金中得以實現，再進一步推廣到鈦合金的盤一葉片結構、飛機次承力構件上，然后再推廣應用到鈦合金的承力構件上，這一過程還需要突破疲勞性能、變形控制等關鍵技術。

3、結論

1)近幾年中國鈦合金得到了快速的發展，中國已經具備自主研發新型鈦合金的能力和條件。但我國鈦材結構比例還不合理，航空航天用鈦材產量只占總量的10％左右，與世界的50％水平仍存在相當的差距。

2)通過自主研發新型鈦合金材料，發展新型鈦合金在航空航天結構件上的應用，提高鈦合金的應用水平，是增加鈦合金在航空航天工業領域的用量、縮短與世界發達國家差距的重要途徑和保障。

3)通過國家多年的立項研究，我國已經自主研發了象44.5NbTi、TA18、TC4一DT、TC21、TB8和TiB19等飛機結構用鈦合金，滿足了新一代飛機結構材料的需要，逐漸擺脫“雜”、“亂”、“散”的局面，初步形成了飛機結構用鈦合金材料體系。

4)新型的β鍛造和β熱處理技術、等溫鍛造技術、激光快速成形技術、先進焊接技術等鈦合金加工與制造技術的應用，在提高鈦合金構件的性能的同時，也促進了鈦合金在航空航天領域的應用水平和用量。

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