一種輕質(zhì)高強(qiáng)度耐蝕結(jié)構(gòu)材料，在武器裝備中具有廣泛應(yīng)用前景，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、化工、石油、電力、醫(yī)療、建筑、體育用品等領(lǐng)域。
作為飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料之一，鈦合金的應(yīng)用水平是衡量飛機(jī)選材先進(jìn)程度的重要標(biāo)志之一，是影響飛機(jī)戰(zhàn)術(shù)性能的一個(gè)重要方面。在國外第三代戰(zhàn)斗機(jī)上，鈦合金用量占機(jī)體結(jié)構(gòu)重量比為20%～25%，在第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-22(EMD)上已高達(dá)41%，其應(yīng)用呈大幅度上升趨勢。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的用鈦量也在逐步增加，國外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦用量已達(dá)30%左右，例如V2500發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦用量就高達(dá)31%，第四代發(fā)動(dòng)機(jī)F119的鈦合金用量為40%。在民用飛機(jī)方面，鈦合金用量也在逐步增長，A380用鈦占總重量的10%，單機(jī)用鈦材約60噸(圖1)。空中客車的鈦用量已從第三代A320的4.5%增至第四代A340的6%，而即將問世的A350客機(jī)的鈦用量進(jìn)一步提高至15%。
世界各國國防系統(tǒng)和民航系統(tǒng)日新月異的發(fā)展，要求飛機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)通過減輕結(jié)構(gòu)重量等有效途徑不斷改善使用性能，提高安全可靠性和降低全壽命成本。60年來，鈦合金通過持續(xù)的合金創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新和工程應(yīng)用，永不止步地一再挖掘出鈦潛在的能力，其比強(qiáng)度、耐熱性、抗蝕性等方面的優(yōu)越性日益充分地發(fā)揮出來，成本較高的問題則逐漸得到不同程度的解決，使用可靠性也隨設(shè)計(jì)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的日積月累而不斷提高。鈦合金的發(fā)展態(tài)勢恰恰適應(yīng)了航空工業(yè)不斷提升的需求，甚至在某些方面以超前的姿態(tài)促進(jìn)了飛機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展。
飛機(jī)結(jié)構(gòu)用鈦合金
飛機(jī)結(jié)構(gòu)鈦合金按抗拉強(qiáng)度這一特征要素可分為低強(qiáng)度鈦合金、中強(qiáng)度鈦合金、高強(qiáng)度鈦合金、超高強(qiáng)度鈦合金。
低強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鈦合金抗拉強(qiáng)度<700MPa，如TA1(370MPa)、TA2(440MPa)、TA3(540MPa)、TA16(480～667MPa)、TA17(638～882MPa)、TA18(620MPa)、TA21、TC1(590MPa)、TC2、Ti31(637MPa)、ZTA5(480MPa)、TA5(TA5-A)(585MPa)、Ti70(700MPa)、ZTi60(590MPa)等合金，其共同的特點(diǎn)是低合金化、高塑性和高韌性，并具有高可焊性、可成型性和優(yōu)良的耐海水腐蝕性等，主要用來制造各種鈑金件、蒙皮、管材零件等。根據(jù)低強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鈦合金在各應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用情況分析，確定低強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鈦合金主干牌號(hào)有TA17(板材)、TC2(板材)、TA18(管材)、Ti31(板材、鍛件、管材)、Ti70(板材)、ZTi60(鑄件)等。
中強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鈦合金700MPa≤抗拉強(qiáng)度<1000MPa，主要有TC4、TC4-DT、TC6、TA15、Ti75(730MPa)、Ti80(880MPa)等，其主要特點(diǎn)是具有良好的綜合性能，既有較高的強(qiáng)度，又有足夠的塑性以及優(yōu)良的焊接性能，多用于制造承力構(gòu)件與厚板。經(jīng)分析，中強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鈦合金主干牌號(hào)有TA7(板材、鍛件)、TC4(厚板、鍛件、絲材)、TA15(厚板、鍛件)、Ti75(鍛件)、Ti80(板材、鍛件)。
高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鈦合金1000MPa≤抗拉強(qiáng)度<1250MPa，主要有TB5、TB6、TB8、TC16、TC18、TC21等，主要用于制造強(qiáng)度要求高、代替鋼可達(dá)到高減重效果的承力結(jié)構(gòu)件、鈑金零件和緊固件等。經(jīng)綜合分析，高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鈦合金主干牌號(hào)確定為TC21(鍛件)、TC16(絲材)、TB6(鍛件)。
其中，TC21鈦合金是“十五”期間我國自主研發(fā)的第一個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高強(qiáng)、高韌、高模量、損傷容限型鈦合金，其綜合力學(xué)性能比在美F-22飛機(jī)上應(yīng)用的Ti-6-22-22S(美)和蘇-27系列飛機(jī)廣泛應(yīng)用的BT20(俄)鈦合金更加優(yōu)異，特別是具有非常優(yōu)異的電子束焊接性能，焊接接頭的強(qiáng)度、斷裂韌性、疲勞性能等綜合性能與母材相當(dāng)，特別適合制造飛機(jī)大型整體框、梁、接頭類等重要承力構(gòu)件。
TC16鈦合金退火狀態(tài)的組織中含有約25%的?相，可以通過熱處理進(jìn)行強(qiáng)化。冷變形加工的TC16螺栓的工作量與成本大約是熱鐓和固溶時(shí)效工藝制造的TC4螺栓的1/2～1/3，但疲勞性能比TC4低。
由于直升機(jī)起飛重量不斷提高，原來采用的Ti-6Al-4V鈦合金已經(jīng)不能滿足要求，必須采用強(qiáng)度更高、高周疲勞壽命更長和剛性較低的TB6鈦合金，使用的拉伸強(qiáng)度水平為1170MPa。許多直升機(jī)公司都選用TB6鈦合金制造半剛性旋翼，其中包括槳轂、套筒、支座、旋翼軸、槳葉與軸的連接接頭等零件。
超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鈦合金抗拉強(qiáng)度≥1250MPa，屬于可熱處理強(qiáng)化的亞穩(wěn)定?型鈦合金，目前主要牌號(hào)有TB8、TB19、TB20等。其主要特點(diǎn)是：經(jīng)過合金化和熱處理強(qiáng)化等手段，在獲得超高強(qiáng)度的同時(shí)，合金仍具有較高的斷裂韌性、可焊接性和成形性能等。經(jīng)綜合分析，確定超高強(qiáng)度鈦合金主干牌號(hào)為TB19(鍛件)。
發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)用鈦合金類型
高溫鈦合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金是指具有較高的高溫蠕變抗力、持久強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和高溫疲勞等性能，能夠滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件在高溫環(huán)境下長期工作要求的鈦合金，主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片、輪盤和機(jī)匣等零件。航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金以能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高溫零部件長期工作的最高溫度進(jìn)行分類。
400℃使用的高溫鈦合金主干材料為TC17鈦合金和TC6鈦合金。TC17應(yīng)用于FWS10和推重比10等新型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)盤，目前已經(jīng)研制出TC17整體葉盤。TC6鈦合金應(yīng)用于WP13和WS11等發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件、風(fēng)扇葉片等多種零件。
450℃使用的TA11鈦合金是我國仿制美國的Ti-811鈦合金，只應(yīng)用于WS10發(fā)動(dòng)機(jī)1～3級(jí)高壓轉(zhuǎn)子葉片，其它機(jī)型未選用，而且該合金可用TC11鈦合金替代，因此不作為主干材料。
500℃使用的高溫鈦合金主干材料為TC11，該合金是我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用數(shù)量最多的鈦合金，綜合力學(xué)性能好，生產(chǎn)TC11葉片和盤件及其半成品的工藝穩(wěn)定，二十多年在我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用中沒有發(fā)生過因TC11合金材料問題造成的故障，因此推薦TC11合金用于生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)500℃及以下溫度使用的壓氣機(jī)葉片、盤和軸頸等。
550℃使用的高溫鈦合金有TA12，但該合金尚未在我國的航空發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得應(yīng)用。
600℃使用的高溫鈦合金有Ti60，尚處于研制階段，新研制的推重比10發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)整體葉盤選用了該合金。
650℃工作時(shí)固溶強(qiáng)化型鈦合金性能已經(jīng)無法滿足使用要求，Ti3Al基金屬間化合物TD3合金是可以在該溫度下長期工作的較好材料。
TiAl系合金它的主要應(yīng)用優(yōu)勢體現(xiàn)在：
(1)TiAl合金比航空發(fā)動(dòng)機(jī)其他常用結(jié)構(gòu)材料的比剛性高約50%，高剛性對要求低間隙的部件(如箱體、構(gòu)件以及支撐件等)有利，同時(shí)可延長葉片等部件的使用壽命；
(2)TiAl合金在700℃～850℃具有高于普通高溫合金的比強(qiáng)度，設(shè)計(jì)上可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重或減少對相關(guān)支撐件的負(fù)荷；
(3)TiAl合金具有良好的阻燃性，可替換一些昂貴的阻燃設(shè)計(jì)用Ti合金。基于上述特點(diǎn)，TiAl合金被認(rèn)為是新型高推比航空發(fā)動(dòng)機(jī)與航天推進(jìn)系統(tǒng)的靜止件和轉(zhuǎn)動(dòng)件極具潛力的候選材料，亦為制造其他部件如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用增壓渦輪和排氣閥等的理想材料。
Ti3Al基合金是Ti-Al系金屬間化合物中重要的一類，是650℃～700℃溫度范圍長期使用的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。通過添加Nb等元素使Ti3Al基合金的室溫塑性、韌性有了較大幅度的提高，因此得到了廣泛深入研究，而且多種零件進(jìn)行了試車考核。
由于Ti3Al基合金鑄錠開坯、鍛造及板坯軋制都可利用常規(guī)的鈦合金加工設(shè)備來完成，在上世紀(jì)80年代末，國外Ti3Al的研制就已從實(shí)驗(yàn)規(guī)模發(fā)展到工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模。Ti3Al基合金鑄錠重達(dá)4500kg，并且能夠提供棒材、板材和箔材。
阻燃鈦合金由于鈦合金具有很高的氧化生成熱同時(shí)導(dǎo)熱性又很差，一旦出現(xiàn)諸如葉片與機(jī)匣間的高能摩擦，就會(huì)增加在發(fā)動(dòng)機(jī)這種高溫、高壓以及高的氣流速度發(fā)生“鈦火”的傾向性，典型的“鈦火”燃燒持續(xù)時(shí)間僅為4～20秒，且難以采取有效的滅火措施，由此帶來了嚴(yán)重的安全隱患。為此，美國、俄羅斯、英國、中國都開展了阻燃鈦合金的研究，主要有Ti-V-Cr系和Ti-Cu-Al系兩種合金體系的阻燃鈦合金。
與Ti-6Al-4V合金相比，Alloy C合金具有良好的阻燃性能，Alloy C合金可制成厚板、薄板、帶材、棒材、鍛件以及鑄件，長期使用溫度為540℃。該合金已用于F119-PW-100發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)環(huán)、靜子葉片和噴口調(diào)節(jié)片等多種零部件。
Ti40合金是我國自主研發(fā)的阻燃鈦合金，在500℃時(shí)具有優(yōu)異的蠕變性能，但500℃以上蠕變抗力急劇降低，由此決定了Ti40合金長期使用溫度不能超過500℃。目前能夠制備Ti40噸級(jí)鑄錠、大規(guī)格棒材和環(huán)鍛件。
BTT-1和BTT-3是俄羅斯研制的兩種Ti-Cu-Al系阻燃鈦合金。BTT-1合金適合加工棒材和鍛件，使用溫度為450℃；BTT-3合金由于具有更好的工藝塑性，適合加工板材、箔材，使用溫度為400℃。
SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料以SiC連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料(SiCf/Ti)為主要代表的金屬基復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用潛力已明顯呈現(xiàn)出急速上升的趨勢，據(jù)美國航空航天及宇航總署(NASA)預(yù)測，在未來的航空發(fā)動(dòng)機(jī)用材料中，鈦基復(fù)合材料約占30%，鈦鋁基復(fù)合材料約占15%。SiCf/Ti具有高比強(qiáng)度、高比剛度、耐高溫、抗蠕變、疲勞性能，是理想的適用于600℃?800℃的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。研究表明，SiCf/Ti具有良好的高溫性能，可使發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比大大提高，由于鈦基復(fù)合材料單向排布性能優(yōu)異，在環(huán)類轉(zhuǎn)動(dòng)件上的優(yōu)勢尤其明顯，與鎳合金與鈦合金相比分別減重80%和60%。