全球航空業(yè)將保持強(qiáng)勁增長的勢頭，據(jù)空客預(yù)測，到2035年航空市場對新增飛機(jī)的需求將帶來超過5萬億美元的投資。而為了降低燃料消耗和減少碳排放，減重成為飛機(jī)制造商關(guān)注的核心問題。鈦合金材料由于具有獨(dú)特的高強(qiáng)度-重量比性能，最早應(yīng)用于航空工業(yè)部門，用在航空器的多個部件，如起落架、發(fā)動機(jī)部件、彈簧、襟翼導(dǎo)軌、氣動系統(tǒng)管道和機(jī)身部件等。航空工業(yè)對鈦合金材料的性能提出了越來越高的要求，如高強(qiáng)度-重量比，高抗氧化性能，斷裂韌性、耐腐蝕性能、疲勞強(qiáng)度和抗蠕變性能[1]。

航空業(yè)已成為鈦合金最大用戶，美國的鈦材主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，約占使用總量的60%。在美國戰(zhàn)斗機(jī)的更新?lián)Q代中，鈦合金和復(fù)合材料的使用比例不斷上升，第五代戰(zhàn) 斗機(jī)F-35用鈦量達(dá)到27%,F-22戰(zhàn)機(jī)用鈦量則高達(dá)41%，其中發(fā)動機(jī)的葉輪、盤、葉片、機(jī)匣、燃燒室筒體和尾噴管等均為鈦合金材料制造[2，3]。

本文按材料顯微組織類型，對國外開發(fā)的航空航天領(lǐng)域鈦及鈦合金主要牌號、應(yīng)用及發(fā)展趨勢進(jìn)行了介紹和分析。

1、α型鈦合金及應(yīng)用

α合金包括工業(yè)純鈦（CommerciallyPure,簡稱CP）及只含α穩(wěn)定元素和/或中性元素的鈦合金[1,4]。

1.1工業(yè)純鈦

工業(yè)純鈦主要由密排六方晶體(HCP)α相構(gòu)成，同時由于源自海綿鈦原料殘存雜質(zhì)或人為添加帶來的Fe元素，工業(yè)純鈦中還含有少量的（<5%）的β相，按拉伸強(qiáng)度按240-550MPa分4個牌號(ASTM標(biāo)準(zhǔn)中G1、G2、G3和G4)，牌號越高其中可以發(fā)揮間歇固溶強(qiáng)化的氧濃度越高，因此強(qiáng)度也越高[5]。

CP鈦主要用于要求具有良好的耐腐蝕性和焊接性能，但對強(qiáng)度要求不高的領(lǐng)域。在航空領(lǐng)域，CP鈦主要用于機(jī)翼前緣除冰系統(tǒng)的空氣加熱管，機(jī)艙環(huán)境控制系統(tǒng)管道，液壓管道以及各種夾持和支架裝置。

1.2鈦合金Ti-5Al-2.5SnELI

另一類α型鈦合金含有α穩(wěn)定元素Al和中性合金元素Sn，目的是獲得比CP更高的強(qiáng)度。航空領(lǐng)域最常見的α型鈦合金包括Ti-5Al-2.5SnELI（Extralowinterstitial，超低間歇），由俄羅斯和美國開發(fā)，俄羅斯牌號為BT5-1。該合金是在普通鈦合金Ti-5Al-2.5Sn基礎(chǔ)上，通過降低間歇元素含量,顯著提升其在極低溫下的強(qiáng)度和韌性，在20K（-250℃）低溫 條件下仍具有良好的韌性和較低的熱導(dǎo)率[6]，主要用于低溫容器、低溫管道以及液體火箭發(fā)動機(jī)渦輪油泵葉輪，如圖1所示。

2、近α型鈦合金及應(yīng)用

這類合金主要含Al、Sn和Zr以及少量（不超過重量2%）低擴(kuò)散率β穩(wěn)定元素，如Mo或Nb、V及Si(不超過0.5%)。加入Mo或Nb可在室溫下穩(wěn)定少量被保留的β相， 以起到某種強(qiáng)化作用。

近α型鈦合金在室溫下強(qiáng)度不如α+β或β合金，但具有優(yōu)越的抗高溫蠕變性能，由于在高溫下仍可保持足夠強(qiáng)度，這一點(diǎn)對于高溫應(yīng)用尤為重要。

航空業(yè)最常見的近α型鈦合金主要牌號包括Ti-3-2.5、Ti-6-2-4-2S、Ti-1100、IMI834以及BT-36。

（1）Ti-3Al-2.5V(Ti-3-2.5)。

Ti-3Al-2.5V是美國開發(fā)的一種近α型鈦合金，在室溫和高溫下強(qiáng)度比純鈦高出20%~50%,適用于飛機(jī)和發(fā)動機(jī)液壓和燃油等管路系統(tǒng)。在 波音，除驅(qū)動主起落架的起落架艙液壓管道外，飛機(jī)的所有液壓管道均采用Ti-3-2.5。航天飛機(jī)上的大量油壓管路采用Ti-3Al-2.5V合金無縫管做配管，能使管路減重40% [7,8]。

（2）Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si(Ti-6-2-4-2S)。

由于近α型鈦合金抗高溫蠕變強(qiáng)度優(yōu)于α+β合金，在現(xiàn)代發(fā)動機(jī)中，壓氣機(jī)葉片使用兩種材質(zhì)，前級葉片燃?xì)鉁囟鹊陀?00℃，材質(zhì)為Ti-6-4，其余末級材質(zhì)采用高蠕變強(qiáng)度合   金Ti-6-2-4-2S，可以在高達(dá)540℃下使用。70年代,美國RMI（ReactiveMetalsInc）通過添加Si元素,開發(fā)了使用溫度超過500℃的Ti-6242S合金，采用細(xì)化β晶粒控制針狀 組織的方法,實(shí)現(xiàn)了合金疲勞強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度兼顧,使之在565℃下具有高強(qiáng)度、高剛度、抗蠕變和好的熱穩(wěn)定性,廣泛應(yīng)用于渦輪發(fā)動機(jī)部件[4]。

（3）Ti-1100（Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si-0.7O2-0.2Fe）

。Ti-1100近α高溫鈦合金是Timet為滿足新型航空發(fā)動機(jī)對高溫鈦合金高抗蠕變性能和高斷裂韌性的需求,而在20世紀(jì)80年代研制的,該合金實(shí)際上是Ti-6242Si的發(fā)展型,其使用溫度達(dá)可593℃,目前已用于美國萊康明發(fā)動機(jī)公司(LYCOMING)的T55-712型發(fā)動機(jī)[9,10]。

（4）Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.5Mo-0.7Nb-0.35Si-0.06C（IMI834）。

IMI834是英國勞斯萊斯公司(Rolls-Royce，歐洲最大的航空發(fā)動機(jī)企業(yè))研制的發(fā)動機(jī)用高溫合金，工作溫度可達(dá)600℃。目前，一般認(rèn)為它是已投入工業(yè)生產(chǎn)的最高溫近α鈦合金。834合金主要用于航空發(fā)動機(jī)環(huán)件、壓氣機(jī)輪盤及葉片。

（5）Ti-6.2Al-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-0.1Y-5.0W-0.15Si(BT36)。

BT36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,該合金在BT18Y的基礎(chǔ)上用5%的高熔點(diǎn)W代替1%Nb，W的加入對合金的室溫強(qiáng)度、蠕變和持久性有明顯的改善，提高了合金的熱穩(wěn)定性[11]。

3、α+β合金及應(yīng)用

α+β合金是迄今為止應(yīng)用最廣泛的鈦合金。其具有更高含量的（4-6%）β元素，因此與近α型鈦合金相比，其β相含量更高，可以通過熱處理獲得更高的強(qiáng)度。主要強(qiáng)化機(jī)制包括在室溫下保留亞穩(wěn)β相，通過淬火到室溫從原始β相生成馬氏體。通過對含有亞穩(wěn)β相的合金進(jìn)行時效處理，可以在該區(qū)域生成片狀α，這樣可以在盡可能減少塑性損失的情況下提高強(qiáng)度。

最常用的α+β合金是Ti-6Al-4V（Ti-6-4），其他航空用α+β合金包括Ti-6Al-6V-2Sn(Ti-662)，Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si（6-2-2-2-2S），IMI550(Ti-4Al-2Sn-4Mo-0.5Si)。

（1）Ti-6Al-4V（Ti-6-4）。

Ti-6-4是應(yīng)用最廣泛的鈦合金材料，具有良好的綜合性能，常在退火態(tài)下使用，最低拉伸強(qiáng)度896MPa(130ksi)。

Ti-6-4屬于可熱處理強(qiáng)化鈦合金，具有較好的焊接性能、成形性和鍛造性能,是機(jī)身結(jié)構(gòu)件使用的主要鈦合金，同時用于制造噴氣發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)葉片、葉輪以及起落架和結(jié)構(gòu)件，緊固件，支架，飛機(jī)附件，框架，桁條結(jié)構(gòu)、管道。

（2）Ti-6Al-6V-2Sn(Ti-662)。

Ti-662拉伸強(qiáng)度1030MPa,屈服強(qiáng)度970MPa，強(qiáng)度高于Ti-6-4，耐腐蝕性能優(yōu)異，焊接和加工性能中等，用于飛機(jī)機(jī)身、火箭發(fā)動機(jī)、核反應(yīng)堆部件，近年在石油鉆井上應(yīng)用增多[12,13]。

（3）Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si（6-2-2-2-2S）。

6-2-2-2-2S由RMI在1970年代開發(fā)，具有優(yōu)異的強(qiáng)度、斷裂韌性、高溫性能，以及良好的加工性能和焊接性能，適用于厚型結(jié)構(gòu)件。用于機(jī)身、機(jī)翼、發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)件[14]。該合金強(qiáng)度高，在退火態(tài)的強(qiáng)度1068MPa，經(jīng)固溶強(qiáng)化和時效，可達(dá)到最大強(qiáng)度1241MPa，并具有較大的損傷容限，廣泛用于戰(zhàn)斗機(jī)結(jié)構(gòu)件，如美國空軍F-22Raptor戰(zhàn)斗機(jī)[15,16]。

（4）Ti-4Al-2Sn-4Mo-0.5Si（IMI550）。

IMI550由英國帝國金屬公司（IMI）研制，拉伸強(qiáng)度達(dá)1100MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)940MPa，使用溫度達(dá)到400℃，用于機(jī)身和發(fā)動

機(jī)結(jié)構(gòu)件[17]。最早作為抗蠕變合金用于勞斯萊斯飛馬和奧林匹斯（RollsRoycePegasusandOlympus）發(fā)動機(jī)，后來又用于歐洲民用和軍用飛機(jī)機(jī)身，如美洲虎（Jaguar）、 狂風(fēng)（Tornado）和空客(Airbus)。

4、β合金及應(yīng)用

β合金是強(qiáng)度最高的鈦合金，拉伸強(qiáng)度可達(dá)1240MPa。 在經(jīng)過快速冷卻后仍可在室溫下保留100%的亞穩(wěn)β相。通過運(yùn)用不同的時效溫度和時間，可以控制某個合金β相基體中α相析出的大小和比例，從而獲得比α+β合金更高的強(qiáng)度，選定適宜的時效溫度和時間可以獲得不同的性能。

除了少數(shù)例外，β合金不用于高溫應(yīng)用，因?yàn)橐话闱闆r下，隨著溫度的升高，β合金的強(qiáng)度會比近α和α+β合金下降更快，并且不如近α型鈦合金那樣具有抗蠕變性能。

β合金主要用于強(qiáng)度要求較高的結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)起落架，從波音777開始，已在多款新型大型商用飛機(jī)上應(yīng)用。波音777和787采用β合金的其他構(gòu)件包括襟翼滑軌、彈簧、輔助   動力單元支柱（APUStrut）、滅火罐、夾子和托架以及排氣管。

用于航空的β合金包括Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr、Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr、Ti-35V-15Cr和Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si。

（1）Ti-10V-2Fe-3Al(Ti-10-2-3)。

Ti-10V-2Fe-3Al(Ti-10-2-3)合金是由美國Timet公司、Boeing公司、Wyman-Gordon于20世紀(jì)70年代共同研制的高強(qiáng)近β合金，成功應(yīng)用于飛機(jī)起落架主承重梁、機(jī)翼和轉(zhuǎn)軸等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件[18]。該合金經(jīng)過在波音757上試用后，獲批正式用在波音777的起落架上，如圖3所示。此后，空客也使用Ti-10-2-3用作A380飛機(jī)的起落架。

（2）Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr(Ti-5553)。

Ti-5553合金是由俄羅斯上薩爾達(dá)（VSMPO）與歐洲空客公司聯(lián)合研制的一種新型高強(qiáng)高韌近β鈦合金，其名義成分為Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr，比Ti-10-2-3合金強(qiáng)度稍高（大約1240MPa），經(jīng)熱處理后，抗拉強(qiáng)度可超過1500MPa，有一定加工性能優(yōu)勢，淬透性更佳。特別適用于制造大規(guī)格承力構(gòu)件，如機(jī)翼/吊掛接頭、起落架/機(jī)翼接頭以及起落架等零件。波音新型787飛機(jī)起落架大部分部件使用Ti-5553合金，空客A350-1000的起落架部件也使用該合金[19,20]。

（3）Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al(Ti-15-3-3-3)。

Ti-15-3-3-3是美國70年代研制成功的亞穩(wěn)定β型鈦合金。經(jīng)800℃30minAC+540℃8hAC處理,室溫拉伸強(qiáng)度達(dá)1100MPa,延伸率仍在9%以上。該合金具有優(yōu)良的壓延性、冷成形性和焊接性能，是一種理想的航空構(gòu)件材料[21]。

主要用作機(jī)身結(jié)構(gòu)件和航空緊固件，還可用來制作彈簧，如圖4所示。用β鈦合金代替鋼質(zhì)彈簧可以獲得70%的減重。

（4）Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo（Ti-6-2-4-6）。

Ti-6-2-4-6是美國Timet公司在20世紀(jì)60年代開發(fā)的一種高M(jìn)o含量的高溫鈦合金，具有耐高溫性能（使用溫度在420℃）、良好的強(qiáng)度、耐腐蝕、焊接及加工性能。該合金在固溶時效或雙重退火后的低周疲勞強(qiáng)度明顯高于相應(yīng)的Ti-6Al-4V合金，同時具有較高的高溫蠕變強(qiáng)度和瞬時強(qiáng)度，可制造渦輪發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)盤件和葉片[22]。

（5）Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr（Ti-17）。

Ti-17是美國通用電氣公司在70年代初期開始研究與開發(fā)的β型合金，強(qiáng)度高、韌性好,室溫下屈服強(qiáng)度為1137~1166MPa，

抗拉強(qiáng)度為1196~1235MPa，延伸率為8%以上。同時具有良好的抗裂紋生長/疲勞性能和斷裂韌性。主要用作一些新研制強(qiáng)度要求較高的大型飛機(jī)發(fā)動機(jī)風(fēng)扇盤和氣壓機(jī)盤。美國通用電氣公司和WymanGordon公司采用Ti-17合金制造了發(fā)動機(jī)用盤件和直升飛機(jī)轉(zhuǎn)子卡軸。日本神戶制鋼所也開始研制該合金并用于制造發(fā)動機(jī)盤件[23]。

（6）Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr(β-C)。

β-C是1969年美國RMI公司開發(fā)的亞穩(wěn)β鈦合金。該合金含有更多的固溶體，拉伸強(qiáng)度可達(dá)到1240MPa，由于強(qiáng)度高，其塑性和容損性能（斷裂韌性和疲勞裂紋生長速率）低于α+β合金，因此不常用于關(guān)鍵承重部件，通常用作飛機(jī)彈簧、緊固件、連接件及導(dǎo)彈部件。

研究表明，將少量C(0.1%)加入β-C，在時效前進(jìn)行一定的冷變形，可以加快時效期間α相析出，同時減少晶界α（GBα）形成，并促使晶粒細(xì)化,可以在獲得高達(dá)1500MPa強(qiáng)度的同時，保持較好的延性[24]。

（7）Ti-35V-15Cr（AlloyC）。

只有一種真正的（穩(wěn)定）β合金具有有限的商業(yè)應(yīng)用價值，這就是AlloyC,名義成分為Ti-35V-15Cr-0.05C，由普·惠（Prattand Whitney公司，美國最大的兩家航空發(fā)動機(jī)制造公司之一）開發(fā)。由于β穩(wěn)定合金含量相當(dāng)高，因此AlloyC在服役溫度下β相不會像普通β合金那樣分解成α+β相。該合 金室溫拉伸性能1071MPa，屈服強(qiáng)度1023MPa，延伸率14.7，蠕變溫度540℃，由于具有防火（不燃燒）性能，而被普·惠用作軍用發(fā)動機(jī)的排氣系統(tǒng)[25]。而其他鈦合金在高 質(zhì)量流速下（比如噴氣發(fā)動機(jī)氣流），會發(fā)生燃燒，供燃燒的“燃料”就是幾乎所有鈦合金中都必不可少的鈦和鋁。

（8）Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si（β-21S）。

β-21S(Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si)是TIMET開發(fā)的一種超高強(qiáng)度新型β合金。該合金強(qiáng)度高，塑性好，通過熱處理，時效到很高的強(qiáng)度水平（抗拉強(qiáng)度>1450MPa），塑 性仍保持在Ti-1023的水平。β-21S在加工和使用期間具有顯著的抗氧化性能，更適合加工成薄板。β-21S比其它β合金能承受更高的溫度，長時間工作溫度可達(dá)540℃[26]。 由于具有更好的耐高溫性能，這種合金可以用作航空發(fā)動機(jī)尾椎，如圖5所示，此處噴口暴露于發(fā)動機(jī)尾氣。用β-21S代替鎳基合金可以大幅度減輕噴口和尾椎的重量。

5、鈦鋁合金及應(yīng)用

鈦鋁合金，比近α型鈦合金具有更好的耐高溫性能。鈦鋁合金有多種金屬間化合物，主要有Al含量較少的Ti3Al（α2）和Al含量較多的TiAl（ϒ）兩種。其中ϒ合金耐高溫 能力達(dá)到725℃，高于常規(guī)鈦合金的工作溫度。目前已有ϒ合金用于發(fā)動機(jī)制造，在商用飛機(jī)發(fā)動機(jī)中用作低壓渦輪葉片，如圖6所示。

目前波音787的GEnx發(fā)動機(jī)以及空客A-320NEO和波音737MAX的CFMLEAP發(fā)動機(jī)最后兩級低壓渦輪（LPT）工作葉片均釆用ϒ合金Ti-48Al-2Nb-2Cr制造。 使用這種合金使GEnx發(fā)動機(jī)每級葉片減重約90kg。2006年美國GE公司使用Ti-48Al-2Nb-2Cr合金作為在GEnx發(fā)動機(jī)中第6、7級低壓渦輪葉片。這是鈦鋁合金首次大規(guī) 模進(jìn)入實(shí)際關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用[27]。圖7為用ϒ合金制造的GEnx發(fā)動機(jī)低壓渦輪轉(zhuǎn)子。

6、結(jié)語

對美歐航空航天鈦及鈦合金牌號的梳理分析表明，近年來國外開發(fā)的高溫鈦合金、低溫鈦合金、高強(qiáng)高韌β型鈦合金、阻燃鈦合金和損傷容限型鈦合金在航空航天領(lǐng)域得到了 廣泛應(yīng)用，代表了航空航天高性能鈦合金材料的發(fā)展方向。

（1）高溫鈦合金。

20世紀(jì)50年代開發(fā)的高溫鈦合金以美國開發(fā)的Ti-6Al-4V合金為代表，其適應(yīng)溫度為300-350℃[28]。后來開發(fā)的高溫鈦合金以近α型為主，以美國開 發(fā)的Ti-6-2-4-2S、Ti-1100，英國開發(fā)的IMI834以及俄羅斯開發(fā)的BT-36為代表，使用溫度高達(dá)600℃。高溫鈦合金以其優(yōu)良的熱強(qiáng)性和高的比強(qiáng)度，在航空發(fā)動機(jī)中獲得 了廣泛的應(yīng)用。高溫鈦合金的另一個發(fā)展趨勢是鈦鋁合金，即以鈦鋁為基礎(chǔ)的Ti3Al（α2）和TiAl（ϒ）金屬間化合物，其中ϒ合金耐高溫能力達(dá)到725℃。鈦鋁合金成為未來航空發(fā)動機(jī)及飛機(jī)結(jié)構(gòu)件最具競爭力的材料。

（2）低溫鈦合金。

一些鈦和鈦合金在低溫和超低溫下仍能保持其原有的機(jī)械性能。美國對于低溫鈦合金的研究主要集中于α型Ti-5Al-2.5SnELI以及α+β型鈦合金Ti-6Al-4VELI[6]，通過降低間歇元素含量,兩種鈦合金在20K極低溫度下保持良好的強(qiáng)度和韌性，用于低溫容器、低溫管道以及液體火箭發(fā)動機(jī)葉輪。

（3）高強(qiáng)鈦合金。高強(qiáng)度鈦合金一般指抗拉強(qiáng)度在1,000MPa以上的鈦合金，國外高強(qiáng)鈦合金研發(fā)主要以美國和俄羅斯為主。β合金是強(qiáng)度最高的鈦合金，目前代表國際先進(jìn)水平并在航空領(lǐng)域獲得實(shí)際應(yīng)用的高強(qiáng)度鈦合金主要為β型鈦合金，如美國Ti-10-2-3、Ti-15-3-3-3和β-21S，俄羅斯Ti-5-5-5-3-1等，主要用于強(qiáng)度要求較高的結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)起落架以及機(jī)身等部件。

（4）阻燃鈦合金。

為解決航空發(fā)動機(jī)用鈦合金材料的“鈦燃燒”問題，以滿足高推重比發(fā)動機(jī)的需要，美國和俄羅斯從20世紀(jì)70年代開始就開展阻燃鈦合金的研制。阻燃 鈦合金主要包括兩個合金系：美國的Ti-V-Cr系A(chǔ)lloyC（T-35V-15Cr）；俄羅斯的Ti-Cu-Al系BTT-1、BTT-3[3]。其中AlloyC是一種穩(wěn)定β型阻燃鈦合金，具有較高的室溫和高溫強(qiáng)度，良好的蠕變強(qiáng)度，優(yōu)異的疲勞強(qiáng)度和冷成形性，已成功應(yīng)用于F119發(fā)動機(jī)的高壓壓氣機(jī)機(jī)匣、導(dǎo)向葉片和矢量尾噴管。

（5）損傷容限鈦合金。

為了滿足新型飛機(jī)對材料比強(qiáng)度、抗疲勞性能、裂紋擴(kuò)展性能、斷裂韌性、壽命期成本等綜合性能的要求，國外已研制出高斷裂韌性和低裂紋擴(kuò)展速率的 損傷容限型鈦合金，以美國開發(fā)的α+β型合金Ti-6Al-4VELI及Ti-6-2-2-2-2S為代表。Ti-6Al-4VELI為中強(qiáng)損傷容限鈦合金，Ti-6-2-2-2-2S為高強(qiáng)損傷容限鈦合金，在美國F-22戰(zhàn)斗機(jī)得到大量應(yīng)用[29]。

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