航空航天钛合金研究现状

航空航天钛合金研究现状

摘要介绍了钛合金在航空航天领域中应用的进展情况和未来的发展趋势。关键词钛合金，航空航天，应用，发展

引言大量采用现金钛合金极其应用技术，提高钛合金用量，是新一代飞机和发动机先进性的显著标志之一，可大幅度提高结构减重效果和安全

可靠性。如美国第四代战斗机F/A-22的用钛量占结构的38.8%，其

中大部分零件是按照耐久性/损伤容限设计准则选用现金的Ti6Al4V

ELI和Ti-6-22-22S损伤容限型钛合金制造的，真是“一代材料，一

代飞机”。同样，航空发动机结构的钛合金用量也在不断提高，如F100

的用钛量为25%。F119的用钛量达40%。

飞机结构钛合金在飞机上的应用可以取得良好的减重效益，满足军用飞机高机动性、高可靠性和长寿命的设计需要。早在世纪50年代初期，国外一些军用飞机上就开始用工业纯钛制造后机身的隔热板、机尾整流罩、减速板等受力不大的结构件。20世纪60年代，钛合金在飞机结构上的应用，进一步扩大到襟翼滑轨、承力隔框、中央翼盒型梁、起落架梁、直升机桨毂等主要受力构件。到20世纪70年代，钛合金在飞机结构上的应用又从战斗机扩大到军用大型轰炸机和运输机，而且在民用飞机上也开始大量采用钛合金构建。例如，波音747大型客机的起落架支承梁，是由Ti6Al4V合金制造的大型锻件。长6cm，质量1.8t。波音787大型客机的起落架转向架梁，是由TI-5553高强度钛合金制造的大型锻件，强度级别为1240MPa，质量约为2.0t。随着钛合金的研究和生产的发展，飞机上的用钛量也越来越大，美国第四代战斗机代表机型FA-22的用钛量已经占到飞机结构的38.8%。F/A-22飞机主要使用7个牌号的钛合金，分别是：中强度钛合金

Ti6Al4V、强高韧钛合金TiAl2Sn4Zr2Mo、Ti10V2Fe3al、Ti15V3Cr3Sn3Al，损伤容限型钛合金Ti6Al4VELI、Ti6Al2Sn2Zr2Mo2Cr0.2Si以及管材专用钛合金TiAl2.5V，这些合金满足了飞机上不同部位对钛合金的设计需求。

飞机结构钛合金按设计用途和材料特性可分为低强度高塑性钛合金、中强度钛合金、高强度钛合金和损伤容限型钛合金等。抗拉强度低于700Mpa的钛合金属于低强度高塑性钛合金，主要有TA18、TC1、TC2等。其主要特点是低合金化、高塑性和高韧性，并具有高可焊接性、可成形性等，主要用来制造各种钣金件，蒙皮，管材零件等。抗拉强度在700MPa~1000MPa范围的钛合金为中强度钛合金，主要有TA15、TC4、TC6等。这类合金的主要特点的是具有良好的综合性能既有较高的强度，又有足够的塑性以及优良的焊接性能，多用于制造承力构件。抗拉强度超过1000MPa范围的钛合金为高强度钛合金，主要有TB5、TB6、TC16、TC18等。这类合金主要用于制造强度要求高、代替钢可达到高减重效果的承力构件，钣金件和紧固件等。具有高断裂韧度和低疲劳裂纹扩展速率的中/高强度钛合金称为损伤容限型钛合金，主要有TC4-DT和TC21等。这类合金是按照耐久性/损伤容限设计准则用于飞机结构的承力构件，可以进一步提高飞机设计使用寿命和降低使用寿命期内的维修和维护成本。

现代军用战斗机的战术机动性、短距起飞、超声速巡航等优异作战性能在很大程度上依赖于现金的高推重比航空发动机的应用，而高推重比航空发动机的发展与高温钛合金的大量应用密切相关。国外现

金航空发动机中，高温钛合金用量已占到发动机结构的25%~40%。我国第二代航空发动机钛合金用量约为13%~15%，使用温度一般不超过400℃，第三代航空发动机中钛用量达到25%。高温钛合金主要用于制造航空发动机压气机叶片、盘和机匣等零部件，这些零件要求材料在高温工作条件下（300℃~600℃）具有较高的比强度、高温蠕变抗力、疲劳强度、持久强度和组织稳定性。经过几十年的发展，固溶强化型的高温钛合金最高工作温度由350℃提高到了600℃。

发动机风扇和低压压气机工作温度在300~350℃之间，可用BT6c，Ti64，IMI318，BT22c，Ti6264，Ti17等合金；高压压气机工作温度在450~500℃之间，可以使用BT8-1c，Ti6242s，IMI550，IMI685等合金；高压压气机工作温度在550℃，可使用BT25Yc，IMI829，IMI834等合金；工作温度为600℃的高压压气机所使用的钛合金有BT18Yc，IMI829，IMI834等。俄罗斯将BT6，BT8-1，BT22合金用于发动机风扇和低压压气机盘。从合金的设计角度分析，增加合金强度会降低材料的其他性能。例如增加合金的强度会降低材料抵抗疲劳裂纹扩展性能。因此，BT6和BT8-1合金更适合用于制造科技引擎。俄罗斯早起研发的BT3-1，BT8，BT9，BT18等合金在使用过程存在一定的局限性。如BT3-1合金含有共析型β元素Cr和Fe，在热稳定性、热强性及使用寿命等方面存在不足；BT9合金热稳定性差，在550℃下仅允许使用100h。为了提高合高温钛合金的综合性能，延长使用寿命，在原有合金基础上，和螺丝相继改进和研发了一些新合金。如BT8-1，BT8M，BT8M-1，BT25y，BTI8y等。另外，综合性能优

良的BT22，BT6合金也被列入航空发动机选用材料系列中。这些合金的热强性能由低到高的顺序一次为BT22→BT6→BT8→BT8M-1→BT9→BT25y→BT18y→BT36，当工作温度不大于350℃时，使用BT22和BT6合金；而在400~500℃范围使用BT8-1，BT8M-1合金；在500~550℃范围使用BT25y合金；在550~600℃范围使用BT18y合金。使用温度在600℃以上的BT36合金尚在进行适用性研究，而BT3-1，BT9，BT25等合金仅在老式发动机上使用。

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