钛合金研究新进展及应用现状概要

第25卷第2期 V ol.25 No.2 2008年 4月 April 2008

收稿日期:2007-08-20

作者简介:訾群(1968-,女,工程师,主要从事钛及钛合金的研发工作,电话:0379-********,E-mail: ziqun1111@ 。

钛合金研究新进展及应用现状

訾群

(洛阳船舶材料研究所,河南洛阳 471039

摘要:综述了钛合金的发展历程及当今的研究应用新进展,并对我国钛合金的应用前景做出展望。关键词:钛合金;发展;研究;应用

1 钛合金的发展历程

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属,钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家如美国、日本、俄罗斯以及中国等都认识到钛合金材料的重要性,并相继对其进行了研究开发,得到了实际应用[1~3]。

美国钛工业起步较早,其规模和技术目前都处在世界领先地位,一开始就注重钛合金材料的基础研究,并以此指导钛合金材料的应用和开发,取得了举世瞩目的成就。第一个实用的钛合金就是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V 合金,由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好,而成为钛合金工业中的王牌合金,该合金使用量已占全部钛合金的75%~85%。

20世纪50~60年代,主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金,70年代开发出一批耐蚀钛合金,80年代以来,耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。耐热钛合金的使用温度已从50年代的400 ℃提高到90年代的

600~650℃。α2 (Ti 3Al和γ(TiAl 基合金的出现,使钛在发动机的使用部位正由发动

机的冷端(风扇和压气机向发动机的热端(涡轮方向推进。结构钛合金向高强、高塑、高强高韧、高模量和高损伤容限方向发展。目前,美国航空航天用钛量最大,在20世纪80年代以后设计的各种先进军用战斗机和轰炸机中,钛合金的用量已稳定在20%以上[4,5]。

2 钛合金的研究新进展

近年来,各国正在开发低成本和高性能的新型钛合金,努力使钛合金进入具有巨大市场潜力的民用工业领域。国内外钛合金材料的研究新进展主要体现在以下几方面[6]。 2.1 高温钛合金

世界上第一个研制成功的高温钛合金使用温度仅为300~350 ℃。随后相继研制出使用温度达400℃的IMI550,BT3-1等合金,以及使用温度为450~ 500 ℃的

IMI679,IMI685,Ti-6246,Ti-6242等合金。目前已成功的应用在军用和民用飞机发动机中的新型高温钛合金有英国的IMI829,IMI 834合金;美国的Ti-1100合金;俄罗斯的BT18Y ,BT36合金等。近几年国外把采用快速凝固/粉末冶金技术、纤维或颗粒增强复合材料研制钛合金作为高温钛合金的发展方向,使钛合金的使用温度可提高到650 ℃以上。美国麦道公司采用快速凝固/粉末冶金技术成功研制出一种高纯度、高致密性钛合金,在760 ℃下其强度相当于目前室温下使用的钛合金强度[7]。

2.2 钛铝化合物为基的钛合金

与一般钛合金相比,钛铝化合物为基的Ti 3Al (α2和TiAl (γ金属间化合物的最大优点是高温性能好(最高使用温度分别为816 ℃和982 ℃、抗氧化能力强、抗蠕变性能好和质量轻(密度仅为镍基高温合金的1/2,这些优点使其成为未来航空发动机及飞机结构件最具竞争力的材料。

目前,已有两个Ti 3Al 为基的钛合金Ti-21Nb-14Al 和Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo 在美国开始批量生产,前者已用作高压压气机机闸、高压涡轮支撑环、导弹尾翼和燃烧室喷管密封片等,后者

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通过形变热处理可获得良好的强度和塑性。 2.3 高强高韧β型钛合金

β型钛合金最早是20世纪50年代中期由美国Crucible 公司研制出的

B120VCA 合金。β型钛合金具有良好的冷热加工性能,易锻造,可轧制、焊接,可通过固溶-时效处理获得较高的力学性能、良好的环境抗力及强度与断裂韧性的很好配合。新型高强高韧β型钛合金最具代表性的有以下几种:

Ti1023是为适应损伤容限设计原则而研制的具有高的结构效益、可靠性、低成本的可锻钛合金。该合金与飞机结构件中常用的30CrMnSiA 高强度结构钢性能相当,具有优异的锻造性能,目前已在波音757,737,A300,A320,F14,F18上得到应用[8]。

Ti153合金冷加工性能比工业纯钛还好,可在固溶状态下进行各种复杂零件的冷成型,时效后的室温抗拉强度可达1000 MPa 以上,目前已用于飞机短舱、紧固件、液压管、弹簧、直升机旋翼等。

β21S 合金是由美国钛金属公司Timet 分部研制的一种新型抗氧化、超高强钛合金,具有良好的抗氧化性能,冷热加工性能优良,其应用范围也非常广泛。

2.4 阻燃钛合金

常规钛合金在特定的条件下有燃烷的倾向,这在很大程度上限制了其应用。针对这种情况,各国都展开了对阻燃钛合金的研究并取得一定突破。美国研制出的Alloy C (也称为Ti-1720,名义成分为Ti-35V-15Cr ,是一种对持续燃烧不敏感的阻燃钛合金,具有较高的室温及高温强度、良好的室温及高温塑性、良好的抗蠕变和疲劳性能,可制成板材、带材、棒材及锻件,目前己用于F119发动机。BTT-1和BTT-3为俄罗斯研制的阻燃钛合金,均为Ti-Cu-Al 系合金,具有相当好的热变形工艺性能,可用其制成复杂的零件。

3 钛合金在主要领域的发展及应用

3.1 钛合金在军事工业上的发展及应用

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属,其最早的应用,就是为军事航空工业提供高性能材料。随着各国军事工业的发展,钛的应用领域被不断拓宽。至今,钛已在航空航天、核能、舰船、兵器等诸多领域获得越来越多的应用,成为重要的战略金属材料。其应用水平也成为衡量一个

国家武器装备先进程度,反映一个国家的军事水平和军事实力的重要指标[9]。

钛在军事工业上使用,主要是基于钛及钛合金具有的优异性能:质量轻、比强度高、耐高温、耐腐蚀性好,另外可与复合材料结构匹配。除上述特性外,钛还具有高韧性、高弹性、无磁等诸多优点。这些都为钛在军事工业中的应用提供了可选择的条件。

3.1.1 钛合金在飞机上的应用

钛合金是当代飞机和发射机的主要结构材料之一,美国在20世纪80年代以后设计的各种先进军用战斗机和轰炸机中,钛的用量已在20%以上。如第3代F-15战斗机的钛合金用量占27%,而第4代F-22战斗机的钛合金用量占41%。F-22战斗机是美国洛克西德公司、波音公司和通用动力公司设计的战术战斗机,是目前世界上具有代表性的第4代战斗机。它首次将隐身、高机动性和敏捷性、不加力超音速巡航等特性融于一体,将作为美国空军2000年以后的主力制空机种。

F-22的发动机上还采用了美国新发展的阻燃钛合金Alloy C ,E ,用于高压压气机机匣、加力燃烧室筒体及尾喷管上。

在舰载飞机F/A-18中,钛合金主要用于飞机的承力框纵梁、翼根和尾部结构等关键部位。所用钛合金主要有Ti-6Al-4V 和Ti-15-3 (Ti-15Mo-3Al-3Sn-3Cr。机身和机翼接头均采用β退火的Ti-6Al-4V ,而制动器扭力管用Ti-6Al-4V 铸件。另外,为