引言

鈦是20 世紀50 年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦及鈦合金具有密度低、比強度和比剛度高、耐腐蝕性能和低溫性能好、抗疲勞和蠕變性能好、無毒、無磁性，并且與碳纖維復(fù)合材料的相容性較好等許多優(yōu)異特性，是一種具有很大發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的新型功能材料，是航空航天工業(yè)中極其重要的結(jié)構(gòu)材料，被譽為正在崛起的“第三金屬”、“智能金屬”等，是重要的戰(zhàn)略金屬材料[1-5] 。

1954 年美國研制出第一個實用型鈦合金———Ti-6Al-4V合金，由于具有較高的強度和較好的耐熱性、塑性、韌性、成形性、可焊性以及耐蝕性， 其使用量占到了鈦合金總使用量的75％~85％，成為眾多鈦合金中的王牌合金[6] 。

近年來，世界鈦工業(yè)和鈦材加工技術(shù)得到了飛速發(fā)展，海綿鈦和鈦合金加工材的生產(chǎn)和消費都達到了很高的水平。我國鈦資源豐富，儲量居世界前列，隨著“等離子高溫分離 鈦-鋁礦”技術(shù)的研發(fā)成功，中國成為繼美國和俄羅斯之后能直接生產(chǎn)金屬鈦粉末的世界第三大鈦工業(yè)國。在航空領(lǐng)域中，鈦及鈦合金已經(jīng)成為不可或缺的材料，發(fā)揮著關(guān)鍵作用[2，7] 。

航空鈦合金的應(yīng)用水平已成為衡量新一代飛機和新型發(fā)動機先進性的重要標志之一，可大幅度提高結(jié)構(gòu)減重效果和安全可靠性[8] 。目前常用的航空鈦合金主要有高溫鈦合金，如美國的Ti-6242S、Ti-1100，英國的IMI834，俄羅斯的BT36 以及中國的Ti-60 等;高強鈦合金，如β 型鈦合金Ti-1023、Ti-15-3、β-21S、α-β 型兩相鈦合金B(yǎng)T22 以及中國的 TB8、TB10、Ti-1300 等;損傷容限鈦合金，如Ti-62222S 合金、TC4-DT 和TC21 合金等;阻燃鈦合金，如美國的Alloy C(Ti-35V-15Cr)、英國的Ti-25V-15Cr-2Al-xC 阻燃合金以及中國的Ti-40 等[3，9-13] 。

1、航空鈦合金的應(yīng)用

航空鈦合金主要應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)件、發(fā)動機結(jié)構(gòu)件以及航空緊固件等[14-17] 。飛機結(jié)構(gòu)鈦合金使用溫度要求一般為350 ℃以下，要求其具有高的比強度、良好的韌性、優(yōu)異的抗 疲勞性能、良好的焊接工藝性能等，主要應(yīng)用部位有起落架部件、框、梁、機身蒙皮、隔熱罩等。發(fā)動機用鈦合金要求具有高的比強度、熱穩(wěn)定性好、抗氧化和抗蠕變性能良好，主要應(yīng)用領(lǐng)域有壓氣機盤、葉片、鼓筒、高壓壓氣機轉(zhuǎn)子、壓氣機機匣等。航空緊固件用鈦合金要求具有較好的加工性、無磁性、耐腐蝕性等，主要包括鈦合金鉚釘、鈦合金螺栓等。

1.1 鈦合金在國外航空工業(yè)中的應(yīng)用

在軍用飛機方面，國外第三代戰(zhàn)斗機用鈦量占機體結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的20％ ~ 25％，美國第五代戰(zhàn)斗機F-35 用鈦量達到27％(質(zhì)量分數(shù)，下同)，F(xiàn)-22 戰(zhàn)機用鈦量則高達41％，其機身 主承力梁和框架采用鈦合金整體鍛造而成，創(chuàng)造了迄今為止戰(zhàn)斗機鈦用量的最高世界紀錄。美國B1 轟炸機和B2 轟炸機鈦合金用量分別為21％和26％。史上用鈦量最大的飛機 是美國空軍使用的噴氣式遠程高空高速戰(zhàn)略偵察機SR-71(黑鳥)，其鈦合金使用量高達93％，被稱為“全鈦飛機”。美國運輸機用鈦量也由早期服役的C5 的6％ 增至C17 的 10.3％，俄羅斯伊爾76 運輸機用鈦量更是達到了12％[18-21] 。

在民用飛機方面，鈦合金用量也在逐步增長，空客飛機鈦用量已從第三代A320 的4.5％增至第四代A340 的6％，A380 的用鈦量增加到了10％，單機用鈦量就達60 t，而A350客機的鈦用量進一步提高到14％左右。同時，波音飛機用鈦量從最初波音707 的0.5％逐漸增至波音747 的4％，再到波音777 的7％，而波音787 的用鈦量已提高到15％左右，其增速基本與空客飛機保持同步。俄羅斯的新型客機MS21 鈦合金用量占比高達25％， 是目前民用運輸機中的最高紀 錄[19-21] 。

1.2 鈦合金在國內(nèi)航空工業(yè)中的應(yīng)用

我國的航空鈦合金用量也在不斷提升。軍用殲擊機從初始用鈦量只有2％的殲8，逐漸增加至用鈦量為4％的殲10，殲11 用鈦量增加到15％，殲20 用鈦量為20％，直到殲31用鈦量增至25％。大型軍用運輸機“運20”(鯤鵬)的鈦合金用量為10％，與美國先進的C-17 運輸機的鈦合金用量(10.3％)相當。

在民用飛機上，商用客機ARJ21 的鈦合金用量為4.8％，而C919 大型客機廣泛采用鈦合金，其用鈦量已達到9.3％，略高于波音777(7％)。C919 飛機鈦合金主要應(yīng)用部位有機 頭、吊掛、尾翼、外翼和中央翼盒等[3，22] 。

3、我國航空鈦合金應(yīng)用的現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)

2.1 我國航空鈦合金應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著我國航空事業(yè)的發(fā)展，對航空鈦合金的需求也逐漸增大。我國鈦資源儲量十分豐富，居世界首位，然而約42％的鈦材被用于傳統(tǒng)化工領(lǐng)域，用于航空領(lǐng)域的鈦材占比不到 20％，遠遠低于50％左右的國際平均水平。我國民用航空飛機正處于發(fā)展時期，兩款主力機型—ARJ-21 和C919 將需要大量的航空鈦材，中俄聯(lián)合研制的寬體客機CR929 預(yù)計鈦合金使用量將達到15％左右。未來空軍新老機型的加速更替將是大勢所趨，即將大量列裝我國空軍的新一代運輸機和新一代戰(zhàn)斗機，預(yù)計用鈦量遠遠高出傳統(tǒng)機型，將產(chǎn)生數(shù)以倍 計的高端鈦合金增量需求。

目前，我國航空鈦合金產(chǎn)業(yè)取得了很大的發(fā)展，自主研發(fā)的新型鈦合金數(shù)量已超過30 種，其中許多已成熟并批量用于飛機機體和發(fā)動機，建成了具有一定規(guī)模的航空鈦合金研制與生產(chǎn)基地，建立了整套航空鈦合金材料、熱工藝及理化檢測標準，但與鈦工業(yè)發(fā)達國家相比仍有一定差距，尚不能滿足國家工程的需求[8，10] 。

2.2 我國航空鈦合金應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，我國航空鈦合金從設(shè)計、制備及工程應(yīng)用等方面都取得了很大進展，并得到了廣泛的應(yīng)用，但仍然面臨新的挑戰(zhàn)。

首先，在性能上，國內(nèi)近十年來在新型鈦合金的研究方面非常活躍，鈦合金研究水平與國外相當，在某些方面甚至超過國外水平。但是前期的研制主要是在仿制的基礎(chǔ)上，經(jīng)過長期的摸索，我國部分鈦合金的研制已經(jīng)具有自主知識產(chǎn)權(quán)，如損傷容限的TC21 鈦合金等，然而在新型鈦合金的工程應(yīng)用方面還有很大的發(fā)展空間[23-28] 。

其次，在成本上，航空鈦合金產(chǎn)品由于原材料價格昂貴、加工工藝復(fù)雜，以及航空產(chǎn)品的性能要求高等特點，航空鈦合金產(chǎn)品的成本不可避免地處于較高的水平。針對降低高性能鈦合金的使用成本，研究者目前主要從兩方面做出努力:一方面，降低鈦合金原料本身的成本，如利用更廉價的元素(如Fe 等)來取代鈦合金中的貴重元素(V、Cr 等);另一方面，降低鈦合金的加工成本，增加材料利用率，如利用近凈成形技術(shù)來替代傳統(tǒng)的鑄鍛工藝。目前鈦合金的低成本化大多還處于研制階段，尚未實現(xiàn)航空鈦合金產(chǎn)品的工程應(yīng) 用[6，29-33] 。

最后，隨著航空鈦合金近凈成形新工藝的發(fā)展，激光增材制造技術(shù)為航空鈦合金的加工成形開辟了一條新的工藝路徑。經(jīng)過眾多學者的研究，在性能方面激光增材制造鈦合金的強度、硬度、塑性及致密度等指標都已經(jīng)達到鍛件水平，但是由于制造過程中，熔池和基板存在很大的溫度梯度，最終成形件在不同方向的力學性能各向異性明顯。另外增材制造專用航空鈦合金開發(fā)滯后、金屬增材制造構(gòu)件無損檢測方法的不完善以及相關(guān)增材制造技術(shù)系統(tǒng)化標準的缺乏，在很大程度上制約了航空鈦合金增材制造技術(shù)的工程應(yīng)用[34-35] 。

3、航空鈦合金的發(fā)展趨勢

隨著航空科技的迅速發(fā)展，面對不斷提高的國防建設(shè)要求，新一代飛機必須滿足超高速、高空、長航時、超遠航程的需求。為了提高飛機的可靠性，先進飛機和發(fā)動機越來越多 地增加了鈦合金等高性能材料的用量，且結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜[34] 。因此，航空鈦合金將向著低成本、高性能的方向發(fā)展，同時不斷進行新型牌號的自主研發(fā)和新工藝的開發(fā)。

3.1 強化低成本航空鈦合金的研究

航空工業(yè)對材料的要求更加注重性能與成本的平衡，不再一味追求高性能，低成本化將貫穿選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、檢測評價以及維護等產(chǎn)品的全生命周期，降低鈦合金成 本已經(jīng)是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢[7] 。用普通的Fe 元素替代昂貴的Nb、Mo 和V 等元素，以及大力發(fā)展近凈成形技術(shù)將成為降低航空鈦合金工程應(yīng)用成本的兩個重點方向。

3.2 強化高性能航空鈦合金的研究

盡管鈦合金具有良好的綜合性能，但現(xiàn)有的航空鈦合金仍不能完全滿足航空領(lǐng)域?qū)Σ牧细咝阅艿囊蟆Ｄ壳案邷剽伜辖饘嶋H長時使用很難突破600 ℃，對于600 ℃以上航空鈦合金的研究仍處于試驗及中試階段，與大范圍開發(fā)應(yīng)用還有很大的距離[8] 。另外，阻燃鈦合金、高強高韌及損傷容限型鈦合金的批次穩(wěn)定性研究及應(yīng)用已成為眾多學者關(guān)注的重點。

未來對于高性能航空鈦合金的研究將傾向于對現(xiàn)有合金進行深入挖掘，同時開發(fā)新牌號合金的研究。

3.3 加強增材制造在航空鈦合金中的應(yīng)用

隨著近年來增材制造技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，激光增材制造鈦合金技術(shù)克服了傳統(tǒng)技術(shù)難以生產(chǎn)復(fù)雜鈦合金構(gòu)件、鈦合金冷加工變形抗力大等缺點，對大型整體結(jié)構(gòu)件的制造提供了新的技術(shù)途徑，且其具有與鍛件相當?shù)牧W性能，北京航空航天大學已成功研制了(某大型轟炸機)某發(fā)動機鈦合金加強框[35-40] 。航空鈦合金的增材制造技術(shù)的研究及應(yīng)用將為航空鈦合金加工成形開辟一條新的先進制造途徑。

4、結(jié)語

一代材料，一代裝備。航空鈦合金在軍事需求牽引和高新技術(shù)的推動下正在高速向前推進，材料技術(shù)發(fā)展的又一次飛躍即將到來。未來我國航空用鈦合金的需求將會有較大程度的增長。因此，我國各科研及生產(chǎn)單位應(yīng)加強科研力度，在積累實際經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，發(fā)揮自主創(chuàng)新能力，扭轉(zhuǎn)仿制，獨立創(chuàng)新材料牌號，建立具有中國特色的航空鈦合金材 料體系。

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