我国钛合金的研制与发展

高强钛合金
我国近年研制的主要高强钛合 金如表２所示， ＴＢ８是超高强钛合金， Ｔ Ｃ ２ １ 是高强高韧损伤容限型钛合 金， ｉ － Ｂ ２ ０ 为高强高冲击韧性钛合 Ｔ 金， Ｔｉ－Ｂ１９为高强高韧耐蚀钛合金。 另外， ＴＢ６和ＴＢ１０高强钛合金的研究 相对较完善， 同时我国目前也正在研 制１ ３ ５ ０ Ｍ Ｐ ａ 以上的超高强钛合金。 ＴＢ６ 、 Ｂ ８ 、 Ｂ １ ０ 和ＴＣ２１已得到实际 Ｔ Ｔ 应用考核。 Ｔ Ｂ ６ 高强钛合金 （名义成分Ｔ ｉ － ３Ａｌ－１０Ｖ－２Ｆｅ） 的主要特点是比强度 高、 断裂韧性好、 锻造温度低和抗应力 腐蚀能力强， 适合于制造高强度的钛 锻件。 该合金的综合力学性能可以通 过热处理在广阔范围内调整， 实现不 同强度、 塑性和韧性水平的匹配。 ＴＢ６ 钛合金在固溶时效状态下使用， 最大 淬透截面为１２５ｍｍ。 主要半成品形式 是棒材和锻件， 特别适合于制造等温 模锻件和热模具模锻件。 ＴＢ６钛合金可 以用各种方式进行焊接， 长时间工作温 度达到３２０℃。 用于代替３０ＣｒＭｎＳｉＡ结 构 钢 可减 轻 结 构 质 量 约４ ０ ％ ， 代替 Ｔ Ｃ ４ 钛合金可减轻结构质量约２ ０ ％ 。 ＴＢ６钛合金在飞机和直升机制造中获 得了应用。 ＴＢ８钛合金 （名义成分Ｔｉ－ １５Ｍｏ－３Ａｌ－２．７Ｎｂ－０．２Ｓｉ） 是一种介 稳定的β型钛合金， 该合金采用较多 的Ｍｏ 元素而不是Ｖ ， 大大改善了合金 的抗氧化性能和抗腐蚀性能， 并具有 与ＴＢ５（Ｔｉ－１５－３）钛合金相似的较好 的冷轧和冷成形能力。 合金经时效后 可达到很高的强度， 且具有较好的焊 接性能、 高温抗氧化性能和耐腐蚀性 能。 因此该合金是一种较为理想的航 空结构材料， 如飞机液压系统、 燃油 箱、 箔材用钛基复合材料的基体以及 化工和石油加工工业。 但是， 由于合金
残余变形量＊ 相 应 的 微 观 组 织
抗拉强度 屈服强度 延伸率 断面收缩率 ％ ＭＰａ ７４５ ７００ ６８０ ６３０ ＭＰａ ６１５ ５８０ ５５０ ５３０ ％ １６ １４ １５ １４ ％ ３１ ２７ ５０ ３０ ０．０３ ０．１ ０．１ ０．１ 等轴α＋ β ｔ ｒ ａ ｎ ｓ 等轴α＋ β ｔ ｒ ａ ｎ ｓ 等轴α＋ β ｔ ｒ ａ ｎ ｓ 片状组织
度因子Ｋ ＩＳＣＣ 为８５．３ＭＰａ ； 在相对流 速为３．０７ｍ／ｓ的天然海水中经２０天实 验， 腐蚀率小于１ ０ ｍｍ／ａ。 ｉ － ３ １ 合 Ｔ
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刷腐蚀和应力腐蚀等综合性能。 该合 金具有良好的加工性， 可生产各种规 格的棒、 丝、 板、 饼等， 并且焊接性能、 工艺性能良好。 Ｔｉ－Ｂ１９合金在６００Ｃ、 ３ ． ５ Ｎ ａ Ｃ ｌ 溶液中无腐蚀发生。 在 １０ｍ／ｓ流速下， 冲刷腐蚀率为２ ． ９ × １０ －４ ｍｍ／ａ，具有良好的抗冲刷性能。 Ｔｉ－ Ｂ１９合金应力腐蚀断裂韧性在３．５％ＮａＣｌ Ｋ 溶液中的ＫＩＳＣＣ 为６９ ＭＰａ ， Ｉ Ｓ Ｃ Ｃ ／ ＫＩＣ≥０．８。 我国于９０年代开始研制声 纳导流罩钛合金， 目前， 我国有两种声 纳导流罩钛合金： 近 α的Ｔｉ９１和Ｔｉ７０ 合金， 合金分别属于Ｔｉ－Ａｌ－Ｆｅ 系和 Ｔｉ－Ａｌ－Ｆｅ－Ｚｒ 系， 两种合金均处于 研究阶段。 ｉ ８ ０ 合金是一种新型的 Ｔ Ｔ ｉ － ６ ． ０ Ａ ｌ － ２ ． ５ Ｎ ｂ － ２ ． ２Ｚｒ－１．２Ｍｏ 系近α钛合金， 具有高强、 高韧、 可焊、 耐蚀等综合性能， 主要用于深潜器和舰 船的耐压壳体。 其配套焊丝为Ｔｉ５３１合 金， 成份为Ｔｉ－５Ａｌ－３Ｎｂ－０．５Ｍｏ。 Ｔｉ８０ 已进行工业性试验， 轧制出２２×１０００ 及４８×２４００×２７００板材。 Ｔｉ８０合金采 用焊接＋热处理焊接工艺可使接头性 能达到焊接系数０ ． ９ ， 焊接性优于
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新材料产业 ＮＯ．１０ ２００７
近α型热强钛合金。 该合金长时间工作 温度可达５５０℃， 用于航空发动机高压 段的压气机盘、 鼓筒和叶片等零件。 Ｔｉ５３ｎ－３Ｚｒ－１Ｎｄ－１Ｍｏ－０．２５Ｓｉ） 是多元 合金化的近α型钛合金， 其主要性能 特点是中等的使用强度和很好的工 艺塑性， 该合金还具有较好的与异种 金属焊接的性能， 能在高温下长时间 工作。 Ｔｉ５３３１１Ｓ钛合金适合于制造耐 热零部件， 已在航天工业中获得了重 要应用。 Ｔｉ６０ 合金 （名义成分为Ｔｉ－ ５．５Ａｌ－４Ｓｎ－２Ｚｒ－１Ｍｏ－０．３Ｓｉ－ １Ｎｄ－０．０５Ｃ） 是在Ｔ ｉ ５ ５ 基础上改进 研制的， 是一种用稀土元素Ｎｄ强化的 综合性能良好的近α型热强钛合金， 该合金长时间工作温度可达６００℃， 用于航空发动机高压段的压气机盘、 鼓筒和叶片等零件。 ｉ － ６ ０ ０合金是 Ｔ Ｔ ｉ － Ａ ｌ － Ｍ ｏ － Ｓ ｎ － Ｚ ｒ － Ｓ ｉ － Ｙ 系一种新 型近α高温钛合金， 该合金具有较好 的综合性能， 尤其是蠕变性能非常优 异， 可在６００～６５０℃下长期使用， 已 在国外得到应用。 可用于６ ５ ０ ℃的 ＴＰ６５０是一种ＴｉＣ颗粒增强的钛基复 合材料， 利用独创的Ｐ Ｔ Ｍ Ｐ 技术制备 的颗粒增强钛基复合材料 Ｔ Ｐ － （ ６５０）具有良好的热强性与室温延性 ， 匹配， 其室温强度达到１ ３ ０ ０ Ｍ Ｐ ａ 以 上， 室温延伸率达５％ 以上； ５ ０ ° 的 ６ Ｃ 拉伸强度达到６５０ＭＰａ以上； ６００° Ｃ的 蠕变强度２１０ＭＰａ， ６５０° Ｃ下的蠕变强 度约１００ＭＰａ ｅ 残＜０．１％） ６５０° （ ， Ｃ下 的持久强度达到２２０ＭＰａ；ＴＰ－６５０的 高周疲劳性能同Ｔｉ－６４、 Ｔｉ－８１１合金 的相当； ＴＰ－６５０同Ｔｉ－６４合金的低 周疲劳极限相当。 总体上来说， 我国６００℃及其以 上高温钛合金还处于研究阶段， 在国 内航空发动机上还没有得到应用。
Ｉｎｓｉｇｈｔ 视 透
赵 永 庆
博士、 授、 导， 北有色金属研究院副总工程师、 研处处长、 合金研 教 博 西 科 钛
究所所长。 要从事钛合金的研究与开发工作， 高温钛合金、 强钛合金、 伤容限 主 如 高 损 钛合金、 低成本钛合金、 用 耐 蚀 钛 合 金 等 ， 船 取得国家、 部省级及厅局级科技成果１ ０ 余 项， 发表论文３ ２ ０ 余篇， 获得专利９ 项， 申请专利２ ０ 余项。
我国钛合金研制
高温钛合金
近１０ 年及将来５－１０年高温钛合 金研发主要集中在５５０～６００℃高温钛 合金和６５０℃用的钛合金及颗粒增强 钛基复合材料等。 ５５０℃高温钛合金 的主要研究对象是Ｔｉ５５、 Ｔｉ５３３１１ｓ、 Ｔｉ６３３Ｇ； ６００℃高温钛合金研究对象 主要是Ｔｉ６０和Ｔｉ６００。 国内高温钛合 金的总体性能不低于国外 （表１ ） 国 。 外一公司已正式订购Ｔｉ６００合金材料， ６５０℃用的颗粒增强钛基复合材料主 要是ＴＰ６５０。 Ｔｉ５５合金 （名义成分为Ｔｉ－５．５Ａｌ－ ４Ｓｎ－２Ｚｒ－１Ｍｏ－０．２５Ｓｉ－１Ｎｄ） 是一种 用稀土元素Ｎｄ强化的综合性能良好的
Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ
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Ｉｎｓｉｇｈｔ 视 透
表 １ ６ ０ ０ ℃高温钛合金的典型性能 室温拉伸性能 合金 抗拉强度 屈服强度 延伸率 断面收缩率 ＭＰａ Ｔｉ６００ Ｔｉ６０ １０６８ １１００ ＭＰａ １０５０ １０３０ ９６０ ８６０
０
６ ０ ０ ℃拉伸性能
中含有较多的Ｍｏ、 Ｎｂ等β稳定元素， ＴＢ８钛合金必须经过三次真空自耗电 极电弧炉熔炼。 ＴＢ８钛合金除了生产 板材、 带材外， 也可生产箔材、 丝材、 管材、 棒材和锻件。 板材主要用于制造 中等复杂程度的飞机冷成形钣金零 件 ，可 以 代 替 强 度 水 平 相 当 于 ３０ＣｒＭｎＳｉＡ 结构钢的零件及热成形 的钛合金零件。 ＴＢ８钛合金板材及其 零件可以在固溶处理状态和固溶时效 状态下使用。 通过不同的时效制度， 可 以实现不同强度和塑性的匹配， 满足 高结构效益、 高可靠性的设计要求。 Ｔ Ｂ １ ０ 合金 （名义成分Ｔ ｉ － ５ Ｍ ｏ － ５ Ｖ － ２Ｃｒ－３Ａｌ） 是一种近β型钛合金， 该合 金具有比强度高， 断裂韧度高， 淬透性 较好， 且热加工工艺性能和机加工性 能十分优异， 加工温度及变形抗力远 低于大多数工业钛合金等一系列优 点， 满足高结构效益、 高可靠性结构件 的使用要求， 理想的结构材料。 是 ＴＢ１０合金的主要半成品有棒材和锻 件， 也可以制成厚板。 用于航天结构 件， 也可以用于制造飞机机身和机翼 结构中的锻造零件。 通过热处理可以 实现不同强度、 塑性和韧性水平的配 合。 ＴＢ１０合金的最高长期工作温度为 ３ ０ ０℃。 Ｃ ２ １是种合金化的Ｔ ｉ － Ａ ｌ － Ｔ Ｓ ｎ － Ｚ ｒ － Ｍ ｏ － Ｃ ｒ － Ｎ ｂ 系α＋ β型两相 具有自主知识产权的结构钛合金， 其 主要性能特点是高强、 高韧、 损伤容 限、 可焊。 ＴＣ２１钛合金最适合于制造 各类结构锻件及零部件， 在航空航天 工业和民用行业中可望获得广泛应 用。 其主要半成品是板材、 棒材、 锻件 等。 在飞机结构中， ＴＣ２１合金主要用 于制造要求高强、 高韧、 损伤容限、 可 焊的重要零部件， 可在５００℃下长期 工作的工作， 已在某一机型上得到实 际应用。
％ １１ １１ １４ １１
％ １３ １８ ２０ １８
ＩＭＩ８３４ １０７０ Ｔｉ１１００ ９６０
＊ 蠕变条件： ０ ０ Ｃ ／ １ ５ ０ Ｍ Ｐ ａ ／ １ ０ ０ ｈ ６
船用钛合金
中国研制出具有自己特色的不同 强度级别的近α型船用耐蚀钛合金 Ｔｉ７５、 Ｔｉ３１、 Ｔｉ９１、 Ｔｉ７０和Ｔｉ８０。 Ｔｉ７５ 合金具有中国自己的知识产权， 它是 ６３０ＭＰａ级的中强高韧性耐蚀钛合金； Ｔｉ３１合金是５００ＭＰａ级的低强高韧耐 蚀钛合金。 二者均具有良好的综合性 能 （表３） 研究均达到工业规模， ， Ｔｉ７５ 和Ｔｉ３１均已趋于成熟， 并已获得实际 应用。 Ｔｉ９１和Ｔｉ７０是中强高塑、 有良 好冷加工性能和可焊性。 Ｔｉ８０是一种 高强、 可焊的α型钛合金， 其拉伸性 能、 断裂韧性、 应力腐蚀抗力和低周疲 劳性能均优于Ｔｉ－６Ａｌ－４ＶＥＬＩ。 Ｔｉ７５是低合金化的Ｔｉ－Ａｌ－Ｍｏ－ Ｚｒ系近α型钛合金， 主要性能特点是 比ＴＡ５高的使用强度和很好的工艺塑 性， 该合金还具有良好的焊接性能和 耐腐蚀性能。 Ｔｉ７５钛合金最适合于制 造形状复杂的板材冲压并焊接的零部 件， 在舰船行业和医用中获得了广泛 应用。 其主要半成品是板材、 棒材、 管 材、 锻件、 型材和丝材等。 Ｔｉ７５合金在 ６０℃的天然海水中试验２３天， 光亮如 初， 腐蚀率小于１ ０ － ４ ｍｍ／ａ； 在６ ０ ℃ ３．５％ＮａＣｌ溶液中１８１天试验， 缝隙腐 蚀率为０ ． ０ ０ ０ １ ～０ ． ０ ０ ０ ５ ｍ ｍ ／ ａ ， 与 Ｂ３０的电偶腐蚀率为０．００００５ ｍｍ／ａ， 电偶腐蚀效应为１２％； 在室温天然海 水中测得Ｔｉ７５合金的应力腐蚀断裂强
我国钛合金的研制与发展
◇赵永庆 西北有色金属研究院
钛及钛合金因具有低密度、 高比 强、 耐高温、 耐腐蚀、 无磁、 生物相容 等等优异的综合性能， 在航空、 航天、 舰船、 兵器、 石油、 化工、 医疗等等领 域得到广泛的应用， 受到世界各国的 高度重视。 中国钛工业的发展经历了 近５０年， １９７０年之前为起步阶段， 钛加 工材年产量不超过１００ｔ； １９７０年至２０００ 年为发展阶段， 钛加工材产量逐年升 高， 如１９８５年约为１０００ｔ、 ２０００年约为 ２０００ｔ； ２０００年之后为快速增长阶段， 产 量快速增加， 如２００２年为５４８２．１ｔ、 ２００３ 年为７０８０．２ｔ、 ２００４年为８５１３ｔ、 ２００５年 ２００６年为１３ ８７９．１ｔ。 我 为１０ １３５．４ｔ、 国已形成了完整的钛工业体系， ２００６ 年均为海绵钛及加工材的净出口国。 在钛工业快速发展的同时， 作为我国 钛工业发展技术支撑的钛合金研究也 取得良好结果： 研制出７０多种钛合金， ５０多种钛合金列入国家标准， 基本形 成了我国的钛合金体系。 近１０年， 中国 新型钛合金研究十分活跃， 创新研制 出许多具有中国知识产权的新型钛合 金， 参与钛合金研究的单位逐渐增加， 形成了具有中国特色的工业钛合金牌 号， 基本满足了我国各行各业对不同 钛合金的需求。 近１ ０ 年来， 中国新型钛合金研究 与开发主要集中在高温钛合金、 高强钛 合金、 船用耐蚀钛合金、 低成本钛合金、 阻燃钛合金、 低温钛合金和医用钛合金 等方面， 本文针对这些合金进行介绍。