鈦合金材料在航空工業的應用類型與發展方向

鈦是以希臘神話中的大力神（Titans）來命名的，它的發現要追溯到18世紀末期。1791年，英國牧師兼業余礦物學家威廉·格列戈爾從一種黑色的磁鐵礦砂（鈦磁鐵礦）中發現了一種新元素，并稱其為“墨納昆”。1795年，德國化學家M·H·克拉普羅特從一種非磁性的氧化物礦（天然金紅石礦）中發現了一種新元素命名為“鈦土”。幾年后證明，這兩種礦物中發現的所謂“墨納昆”和“鈦土”其實是同一種元素（Ti）的氧化物。

鈦化學活性高，在熔煉溫度下會與許多元素反應，包括與耐火材料表面發生反應，故鈦提煉相當困難。1910年，美國科學家采用“鈉法”（鈉還原TiCl4）獲得純度較高的金屬鈦，但鈦工業并沒有立即發展起來。直到第二次世界大戰后，盧森堡科學家發明的“鎂法”（鎂還原TiCl4）在美國用于生產之后鈦工業才開始起步。1948年杜邦公司已經可以生產出噸位級海綿鈦，海綿鈦的規?；a奠定了鈦工業的基礎。

20世紀50年代以來，隨著航空航天工業的快速發展，鈦合金材料及其應用得到了極大發展。1953年首飛的道格拉斯DC-7飛機，首次將鈦合金應用在發動機艙和隔熱板的設計中。1964年，首個“全鈦”高空高速戰略偵察機SR-71“黑鳥”首飛，鈦合金用量達到了飛機結構總重量的93%。

鈦合金的用量常被當作衡量飛機選材先進程度和航空工業發展水平的指標，與飛機作戰能力密切相關。美國F-15飛機結構鈦合金重量占比約26%，第四代戰斗機F-22飛機結構鈦合金重量占比則高達38.8%。F15飛機配備的F100-PW100渦輪風扇發動機鈦用量為25%～30%，F-22的V2500發動機鈦用量提高到了31%。

目前，航空工業的鈦材用量占世界鈦材市場總量一半以上，是實至名歸的航空材料。

1、航空鈦及鈦合金

鈦元素分布廣泛，其含量超過地殼質量的0.4%，全球探明儲量約34億噸，在所有元素中含量居第10位。海綿鈦經過粉碎、放入真空電弧爐里熔煉，才能鑄成鈦錠，而后經加工制成各種鈦材。盡管真空熔煉工藝要求嚴格、設備復雜、成本高，但仍是獲得優質鈦、鈦合金鑄錠的唯一可行途徑，這也是鈦合金成本高昂的原因之一。按照相關標準，航空用鈦合金鑄錠需經過三次真空熔煉獲得，以確保其成分的均勻性。

海綿鈦生產是鈦工業的基礎環節，近年來我國海綿鈦的產量已經位居世界前列，但高品質的海綿鈦產量偏低，優質零級海綿鈦生產比例僅為40%。我國的鈦合金產品總體質量仍需提高、產業結構仍需優化。

純鈦的強度很低，做成航空航天結構材料沒有工業實用價值。第一個得到工業化應用的鈦合金是1953年美國凱斯勒和翰森開發的Ti-6Al-4V（TC4）。由于它具有耐熱、強韌、可焊接、耐腐蝕和抗疲勞等優異性能，已成為目前應用范圍最廣的一種鈦合金。20世紀70年代以來，在TC4鈦合金基礎上又開發出了一系列的耐蝕鈦合金。目前，結構鈦合金已逐漸向高強、高韌、高模量、抗疲勞和損傷容限等方向發展。

2、鈦合金分類及制造方式

在鈦合金材料命名方面，國內通常將α型鈦合金（包括近α型合金）以TA命名，β型鈦合金（包括近β型合金）以TB命名，兩相混合的α+β型鈦合金以TC命名。如應用最為廣泛的兩項混合型鈦合金Ti-6Al-4V，其對應的國內牌號為TC4。國家標準GB/T3620.1-2007在1994年版本基礎上，新納入54個牌號、刪除兩個牌號，鈦及鈦合金牌號總數量達到76個。鈦合金的材料種類有棒材、絲材、板材、帶材、鍛件等。

經過最近三個“五年計劃”的材料研制，具有中國特色的新一代飛機骨干鈦合金材料已初具規模。我國自主研發的中強高損傷容限型鈦合金TC4-DT，名義成分與TC4相同，但降低了氧含量、斷裂韌度得到提高。Ti45Nb（絲材）、TA18（管材）、TB8（板材、絲材、鍛件）、TC21（鍛件）等新材料也得到了良好的應用。結合已有的TC1/TC2（板材）、TC4（鍛件、板材、絲材）和ZTC4鑄造鈦合金，形成了從低強高塑性、中強高塑性、高強高塑性、超高強鈦合金和鑄造鈦合金的完整主干材料體系。

鈦合金及其零部件的制備與加工方法主要包括真空熔煉、鍛造、機械加工、熱處理、凈近成形、焊接及表面處理。由于鈦具有高化學活性，鈦及其合金的鑄錠熔煉必須采用真空熔煉方法。鍛造變形是改變鑄鈦組織、獲得所需要的組織類型的關鍵手段。鈦合金的機械加工主要包括銑削加工、車削、鏜孔、鉆孔、攻絲等。高切削溫度、與刀具發生化學反應、彈性模量較低是鈦合金難以加工的主要原因。鈦合金的熱處理主要有退火、固溶和時效等。

近凈成形技術包括精密鑄造、等溫鍛造、粉末冶金、超塑成形/擴散連接、激光快速成形、粉末注射成形等。近凈成形是提高材料利用率、通過工藝控制可達到一定的性能和外形尺寸要求的先進加工技術。先進的鈦合金焊接技術有激光焊接、電子束焊接等。鈦合金對表面狀態、表面完整性非常敏感，由于其表面硬度低而易發生微動磨蝕等問題。近些年來，鈦合金表面處理技術也獲得了長足的發展。熱滲鍍、氣相沉積、三束改性、轉化膜、形變強化、熱噴涂、化學鍍、電鍍等技術發展迅速。

3、鈦合金在航空航天上的應用

鈦合金在航空工業上的應用分為飛機結構鈦合金和發動機結構鈦合金。航天方面，鈦合金主要作為火箭、導彈及宇宙飛船等的結構、容器制造材料。飛機結構鈦合金使用溫度要求一般為350℃以下，要求具有高的比強度、良好的韌性、優異的抗疲勞性能、良好的焊接工藝性能等。發動機用鈦合金要求具有高的比強度、熱穩定性好、抗氧化、抗蠕變等性能。航天飛行器除航空用鈦合金的性能需求外，還要求能夠耐高溫、抗輻射等。

飛機鈦合金結構件主要應用部位有起落架部件、框、梁、機身蒙皮、隔熱罩等。俄羅斯的伊爾-76飛機采用高強度BT22鈦合金制造起落架和承力梁等關鍵部件。波音747主起落架傳動橫梁材料為Ti-6Al-4V，鍛件長6.20米、寬0.95米，質量達1545千克。高強高韌Ti-62222S鈦合金被用在C-17飛機水平安定面轉軸關鍵部位。F-22飛機發動機所處的后機身區域及機尾隔熱罩設計為鈦合金薄壁結構，具備良好的耐溫性能。

航空發動機方面，鈦合金材料的應用領域有壓氣機盤、葉片、鼓筒、高壓壓氣機轉子、壓氣機機匣等。現代渦輪發動機結構重量的30%左右為采用鈦合金材料制造，鈦合金的應用降低了壓縮機葉片和風扇葉片的質量，同時還延長了零部件的壽命與檢查間隔。波音747-8GENX發動機風扇葉片的前緣與尖部，采用了鈦合金防護套，在10年的服役期內僅做過3次更換。

航空用鈦合金鍛件需要經過鑄錠、制坯、模鍛、機加等過程，獲得所需要的材料組織和性能，往往用其來制造飛機骨架主承力構件和發動機轉子等。按照HB5024-1989，大型鍛件的外徑不小于500毫米。隨著飛機和發動機的發展，航空鍛件的質量要求越來越高、尺寸越來越大、形狀越來越復雜。飛機結構件外形復雜，材料利用率一般不超過10%。F-22飛機四個大型主承力加強框材料為Ti-6Al-4V ELI，模鍛件的投影面積為4.06～5.67平方米。近年來，我國航空鈦合金的專業化鍛造設備有了大幅度提升，現已經可以生產出5平方米級別的鈦合金整體鍛件。

航天飛行器在超高溫、超低溫、高真空、高應力、強腐蝕等極端條件下工作，除需要高超的結構設計技術外，還依賴材料所具有的優異特性和功能。鈦合金在制造燃料儲箱、火箭發動機殼體、火箭噴嘴導管、人造衛星外殼等方面得到了典型應用。

由于鈦合金材料優異的性能，某些航空飛行器的重點部位也采用鈦合金材料制造。如進氣道唇口是采用鈦合金材料3D打印方式制造的零件，實現了結構件與功能件的整體化設計、制造等。

航空航天工業中常用的鈦合金緊固件主要包括鉚釘、螺栓及特種緊固件等。

美國F-22飛機上使用的鈦合金緊固件有：高強鈦合金螺栓、環槽釘、光桿錐度高鎖螺栓、自夾持螺栓、鈦鈮鉚釘及粘接螺母。我國2014年首飛的國產商用大飛機C919，單機鈦合金緊固件用量達20萬件以上。鈦合金緊固件的開發和應用，為飛機結構的進一步減重提供了可能。波音747飛機緊固件以鈦代鋼后，其結構重量減輕1814千克。俄羅斯的伊爾-96飛機一架用14.2萬緊固件，以鈦代鋼后減重600千克。

鈦合金具有優異的耐腐蝕性能，其正電位與碳纖維復合材料相匹配，可有效防止緊固件的電位腐蝕。Ti45Nb合金是美國航空航天工業大量應用的鉚釘材料，該材料在退火狀態具有較好的拉伸性能和剪切強度，可替代純鈦鉚釘。Ti45Nb材料還具有較高的塑性，適合于復合材料制造用連接鉚釘。

近年來，美鋁公司開發的Timeta1555鈦合金高強螺栓，其固溶時效后抗拉強度達1300MPa以上、雙剪切強度大于745MPa，延伸率大于10%。為了緊跟國際高端鈦合金緊固件的發展趨勢，西工大超晶公司與信陽航天標準件廠聯合研發了緊固件專用TB8鈦合金棒絲材，用其制造的螺栓抗拉強度高達1280MPa。鈦合金緊固件研發是一項非常復雜和長期的工作。

4、鈦合金產業發展方向

未來航空飛行器對鈦合金的需求應該是兼具更高強度、更高韌性、更高損傷性能、更高耐高溫性能等。鈦合金材料應用發展方向將是：新型高超強度結構鈦合金、高性能的損傷容限型鈦合金、低成本抗疲勞鈦合金、新型高溫結構鈦合金、先進TiAl基材料、鈦基復合材料等方面。

現代飛行器對結構減重的需求越來越迫切，除鈦合金材料外，復合材料在飛行結構上也得到了大量應用。波音787飛機復合材料用量達到了50%，空客A380復材用量也達到了25%。就目前來講，復合材料還不能全面替代金屬，金屬材料還不可或缺。鈦合金與碳纖維增強的復合材料彈性模量匹配、熱膨脹系數相近；并具有很好的化學相容性，不易發生電位腐蝕。F-18“大黃蜂”的翼身接頭曾采用了鈦合金接頭零件與復合材料蒙皮階梯形粘接的設計。經過數年的服役考驗，該項設計的可靠性得到了驗證。伴隨復材用量的增長，鈦合金材料用量也將進一步增加。

從近年來的開源信息可知，美國對下一代飛機結構材料的要求是更輕質高效、成本可控。按照2006年幣值計算，F-22的單機成本約為3.61億美元。F-35最初成本目標為3500萬美元，后增至1.38億美元。在龐大的成本開支中，鈦合金制造成本高是一個不可忽視的因素。低成本鈦合金是用Fe、O等元素代替比較昂貴的V、Mo等元素。美國Timetal公司采用廉價的Fe-Mo中間合金形式添加Fe元素，代替價格昂貴的V元素，開發出了一種高強度低成本的β型鈦合金Timetal-LCB，目標是替代價格較貴的Ti-10V-2Fe-3Al合金。

鈦合金焊接、近凈成形、冷成形等也是提高材料利用率、降低工藝成本的有效方式。電子束焊接、激光焊接等先進焊接技術，已在國內的一些型號上得到了成功應用。北航、西工大等一批激光成形團隊，在鈦合金新技術應用方面取得了不錯的成績。

在新型高溫鈦合金研究方面，國內曾在英國IMI829的550℃高溫鈦合金和美國的600℃的Ti-1100高溫鈦合金的基礎上，分別添加不到1%的稀土元素Gd和Y元素，通過形成稀土氧化物，凈化晶界、細化晶粒，提高了合金的強度、蠕變和持久性能。TA12（Ti55）是中科院金屬所與寶鈦集團、北京航空材料研究院共同研制的一種近α型高溫鈦合金，設計使用溫度為550℃。目前，Ti55材料相對成熟，穩定的使用溫度范圍為550℃～600℃。Ti65材料的設計使用溫度為600℃～650℃，相應的研究工作正在有序開展中。

近年來國外把采用快速凝固/粉末冶金技術、纖維或顆粒增強復合材料研制鈦合金作為高溫鈦合金的發展方向，使鈦合金的使用溫度可提高到650℃以上。中科院金屬所研發的鎢芯鈦基復合材料，已經在一定范圍內得到了應用。