全(quan)球航(hang)空(kong)业将保持(chi)强劲增(zeng)长(zhang)的(de)势(shi)头,据(ju)空客(ke)预(yu)测(ce),到(dao)2035 年航(hang)空市场对新增(zeng)飞机(ji)的(de)需(xu)求(qiu)将带(dai)来(lai)超(chao)过(guo)5 万亿美(mei)元(yuan)的投资。而(er)为(wei)了降低燃料消耗(hao)和减少(shao)碳(tan)排(pai)放,减(jian)重成为(wei)飞机(ji)制(zhi)造商关注的(de)核心问(wen)题。钛合金材(cai)料由于具(ju)有(you)独特(te)的高(gao)强(qiang)度(du)- 重(zhong)量(liang)比(bi)性能(neng),最(zui)早(zao)应(ying)用(yong)于(yu)航空工(gong)业(ye)部门(men),用(yong)在(zai)航空器(qi)的多(duo)个部件,如起落架(jia)、发(fa)动(dong)机部(bu)件(jian)、弹(dan)簧、襟(jin)翼(yi)导(dao)轨、气动(dong)系(xi)统管道和(he)机身部件(jian)等(deng)。航(hang)空(kong)工(gong)业对钛(tai)合金材料的(de)性(xing)能提出了(le)越(yue)来越高(gao)的要(yao)求(qiu),如高(gao)强度- 重量比(bi),高抗氧(yang)化(hua)性(xing)能(neng),断裂(lie)韧(ren)性、耐腐蚀性(xing)能、疲(pi)劳强度(du)和(he)抗(kang)蠕(ru)变性(xing)能[1]。

航空(kong)业已(yi)成(cheng)为钛(tai)合金最大(da)用户(hu),美(mei)国的钛材(cai)主要应(ying)用于(yu)航空(kong)航(hang)天领(ling)域(yu),约(yue)占(zhan)使用总量(liang)的60%。在美国(guo)战斗(dou)机的更新换(huan)代(dai)中(zhong),钛合金和复合材(cai)料(liao)的使(shi)用比(bi)例(li)不(bu)断上(shang)升,第五代(dai)战斗(dou)机F-35 用(yong)钛(tai)量达(da)到27%,F-22 战机用钛(tai)量(liang)则高达(da)41%,其中(zhong)发(fa)动机的叶(ye)轮、盘(pan)、叶片(pian)、机(ji)匣、燃烧室(shi)筒体和(he)尾(wei)喷(pen)管等(deng)均为(wei)钛(tai)合(he)金(jin)材(cai)料(liao)制(zhi)造(zao)[2,3]。
本(ben)文(wen)按材(cai)料显(xian)微组织(zhi)类(lei)型,对(dui)国外(wai)开(kai)发的(de)航空(kong)航(hang)天领域钛(tai)及钛(tai)合金主要牌(pai)号、应用(yong)及发(fa)展趋势(shi)进行(xing)了介(jie)绍和(he)分(fen)析(xi)。
1 、α型钛(tai)合(he)金及应用(yong)
α 合金(jin)包(bao)括工(gong)业(ye)纯(chun)钛(Commercially Pure, 简称CP)及(ji)只(zhi)含α 稳定(ding)元(yuan)素和(he)/ 或(huo)中(zhong)性元素(su)的(de)钛(tai)合(he)金(jin)[1,4]。
1.1 工业纯钛
工(gong)业(ye)纯(chun)钛(tai)主要(yao)由(you)密排六(liu)方晶(jing)体(ti)(HCP)α 相构成,同时由(you)于源(yuan)自(zi)海(hai)绵(mian)钛(tai)原料(liao)残(can)存(cun)杂质或人为(wei)添加(jia)带来的Fe 元(yuan)素(su),工业(ye)纯(chun)钛(tai)中还含(han)有(you)少量的(de)(<5%)的β 相(xiang),按(an)拉(la)伸(shen)强(qiang)度按(an)240-550MPa 分(fen)4 个牌号(hao)(ASTM 标(biao)准(zhun)中(zhong)G1、G2、G3 和(he)G4),牌(pai)号越高(gao)其(qi)中可以(yi)发(fa)挥(hui)间(jian)歇(xie)固溶(rong)强化(hua)的氧浓(nong)度(du)越(yue)高(gao),因此(ci)强度(du)也越高[5]。
CP 钛(tai)主(zhu)要(yao)用(yong)于要求具(ju)有良好的耐腐(fu)蚀性和焊(han)接性能,但对(dui)强度(du)要求(qiu)不(bu)高的(de)领域。在航空领域(yu),CP 钛主(zhu)要(yao)用(yong)于(yu)机翼(yi)前缘除冰(bing)系统的空气(qi)加(jia)热(re)管,机(ji)舱环(huan)境控制(zhi)系统(tong)管(guan)道,液(ye)压(ya)管道以(yi)及(ji)各(ge)种(zhong)夹持(chi)和支架(jia)装置(zhi)。
1.2 钛合金Ti-5Al-2.5SnELI
另一(yi)类α 型(xing)钛合(he)金含(han)有α 稳(wen)定(ding)元素(su)Al 和(he)中(zhong)性(xing)合(he)金(jin)元(yuan)素(su)Sn,目(mu)的(de)是获得比(bi)CP 更高的(de)强(qiang)度(du)。航(hang)空领域最常(chang)见的α 型钛(tai)合金包(bao)括Ti-5Al-2.5Sn ELI(Extra low interstitial,超(chao)低(di)间(jian)歇(xie)),由俄(e)罗(luo)斯和(he)美国(guo)开发(fa),俄(e)罗(luo)斯(si)牌号(hao)为BT5-1。该合金(jin)是(shi)在普(pu)通(tong)钛合金(jin)Ti-5Al-2.5Sn基础(chu)上(shang),通(tong)过(guo)降低(di)间(jian)歇(xie)元素(su)含(han)量,显(xian)著提(ti)升(sheng)其(qi)在极(ji)低(di)温下的(de)强度和(he)韧性,在20K(-250℃)低温(wen)条(tiao)件(jian)下仍具有良好(hao)的韧性(xing)和(he)较低的(de)热(re)导(dao)率(lv)[6],主(zhu)要(yao)用于(yu)低温容器(qi)、低(di)温管道(dao)以(yi)及(ji)液(ye)体(ti)火(huo)箭(jian)发(fa)动机(ji)涡轮(lun)油(you)泵叶(ye)轮,如图1 所(suo)示。

图1 航天飞机(ji)主(zhu)发(fa)动机(ji)使用的(de)Ti-5Al-2.5Sn 油(you)泵叶轮[5]
2 、近(jin)α型钛合金及(ji)应用(yong)
这类合金主(zhu)要含Al、Sn 和Zr 以及少(shao)量(liang)(不超(chao)过(guo)重量(liang)2%)低扩(kuo)散率β 稳定元(yuan)素(su),如(ru)Mo 或(huo)Nb、V 及(ji)Si( 不超过(guo)0.5%)。加入(ru)Mo 或Nb 可(ke)在(zai)室温(wen)下稳(wen)定(ding)少(shao)量(liang)被(bei)保留(liu)的(de)β 相,以起(qi)到某(mou)种(zhong)强化(hua)作(zuo)用(yong)。有优越(yue)的抗(kang)高温(wen)蠕(ru)变(bian)性能(neng),由于在高温下仍(reng)可(ke)保(bao)持(chi)足(zu)够强(qiang)度,这(zhe)一点(dian)对于(yu)高(gao)温应(ying)用尤为(wei)重要。
航空业最(zui)常(chang)见(jian)的(de)近α 型(xing)钛合金(jin)主(zhu)要牌(pai)号(hao)包括Ti-3-2.5、Ti-6-2-4-2S、Ti-1100、IMI834 以及BT-36。
(1)Ti-3Al-2.5V(Ti-3-2.5)。Ti-3Al-2.5V 是(shi)美国(guo)开发(fa)的(de)一(yi)种近α 型(xing)钛合(he)金,在室(shi)温(wen)和高(gao)温(wen)下(xia)强度(du)比纯钛(tai)高(gao)出20%~50%, 适(shi)用于飞(fei)机(ji)和(he)发(fa)动(dong)机液(ye)压和燃油等(deng)管(guan)路(lu)系(xi)统。在(zai)波(bo)音(yin),除(chu)驱动(dong)主起落(luo)架(jia)的起(qi)落架(jia)舱液(ye)压管(guan)道(dao)外,飞机(ji)的(de)所有液(ye)压(ya)管道均(jun)采(cai)用(yong)Ti-3-2.5。航天飞(fei)机上(shang)的大(da)量(liang)油(you)压管(guan)路(lu)采用Ti-3Al-2.5V 合金无缝管(guan)做配(pei)管,能使管(guan)路(lu)减(jian)重(zhong)40%[7,8]。
(2)Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si(Ti-6-2-4-2S)。由(you)于近α 型钛合(he)金(jin)抗高温蠕(ru)变强(qiang)度优于α+β 合金(jin),在(zai)现代(dai)发(fa)动(dong)机中,压气机(ji)叶(ye)片(pian)使用(yong)两(liang)种材(cai)质,前级(ji)叶(ye)片(pian)燃(ran)气温(wen)度低于300℃,材(cai)质为Ti-6-4,其(qi)余末级材(cai)质采(cai)用高蠕变强(qiang)度合(he)金Ti-6-2-4-2S,可以在高达(da)540℃下(xia)使(shi)用。70 年代(dai), 美国(guo)RMI(Reactive Metals Inc)通过(guo)添(tian)加Si 元素(su), 开(kai)发了(le)使用(yong)温(wen)度超(chao)过500℃的(de)Ti-6242S 合金(jin),采用细(xi)化(hua)β 晶(jing)粒控(kong)制针状(zhuang)组(zu)织(zhi)的(de)方法(fa), 实(shi)现了(le)合金疲(pi)劳强度和(he)蠕变(bian)强度(du)兼顾(gu), 使之(zhi)在565℃下(xia)具(ju)有(you)高强度(du)、高(gao)刚度(du)、抗蠕变(bian)和(he)好(hao)的热(re)稳定性(xing), 广(guang)泛(fan)应用于涡轮发动(dong)机(ji)部(bu)件(jian)[4]。图2 为3-9 级(ji)钛(tai)合(he)金(jin)压气(qi)机(ji)转(zhuan)子(zi)。

图(tu)2 波音(yin)747 发(fa)动机7 级(ji)单(dan)体压气机(ji)转(zhuan)子(zi),前(qian)5 级为(wei)Ti-6-4 合金,后两(liang)级Ti-6-2-4-2S[5]
(3)Ti-1100( Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si-0.7O2-0.2Fe)。Ti-1100近(jin)α高温(wen)钛(tai)合金(jin)是(shi)Timet为满足新(xin)型(xing)航(hang)空发(fa)动机对高温钛合(he)金(jin)高(gao)抗(kang)蠕(ru)变(bian)性能和(he)高(gao)断(duan)裂(lie)韧(ren)性的需(xu)求, 而(er)在20 世(shi)纪80 年(nian)代研制的, 该合金实(shi)际(ji)上是(shi)Ti-6242Si的发(fa)展(zhan)型(xing), 其使用(yong)温(wen)度(du)达可(ke)593℃ , 目(mu)前(qian)已用(yong)于(yu)美国(guo)莱康明(ming)发动机公(gong)司(LYCOMING) 的(de)T55-712 型发(fa)动机[9,10]。
(4)Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.5Mo-0.7Nb-0.35Si-0.06C(IMI834)。IMI834 是(shi)英(ying)国劳(lao)斯莱(lai)斯公(gong)司(Rolls-Royce,欧(ou)洲最(zui)大的(de)航(hang)空发(fa)动机企(qi)业(ye)) 研制(zhi)的(de)发(fa)动(dong)机(ji)用(yong)高(gao)温合金,工作(zuo)温度(du)可(ke)达(da)600℃。目(mu)前(qian),一般认为(wei)它(ta)是已(yi)投(tou)入工业(ye)生(sheng)产(chan)的(de)最高(gao)温(wen)近α 钛合金。834 合金主要(yao)用(yong)于(yu)航(hang)空发(fa)动(dong)机(ji)环件(jian)、压(ya)气(qi)机轮(lun)盘(pan)及(ji)叶片。
(5)Ti-6.2Al-2Sn-3.6Zr-0.7 Mo-0.1Y-5.0W-0.15Si(BT36)。BT36 是(shi)俄罗(luo)斯于1992 年研(yan)制成功(gong)的(de)一(yi)种(zhong)使(shi)用(yong)温度在600-650℃的(de)钛合(he)金, 该合金在BT18Y 的基础(chu)上用5% 的高(gao)熔点W 代(dai)替1%Nb,W 的加(jia)入对合金的(de)室(shi)温强度(du)、蠕变(bian)和持久性(xing)有明(ming)显(xian)的改(gai)善(shan),提高(gao)了合金(jin)的(de)热稳(wen)定性[11]。
3、 α+β合(he)金(jin)及(ji)应用
α+β 合金是迄(qi)今为(wei)止(zhi)应用(yong)最(zui)广泛(fan)的钛合金。其(qi)具(ju)有更(geng)高含量(liang)的(4-6%)β 元素(su),因(yin)此(ci)与(yu)近α 型钛(tai)合金相(xiang)比,其(qi)β 相(xiang)含(han)量(liang)更高,可(ke)以通过(guo)热(re)处(chu)理获(huo)得(de)更(geng)高的(de)强度。主要(yao)强(qiang)化(hua)机(ji)制(zhi)包(bao)括(kuo)在(zai)室(shi)温下(xia)保(bao)留(liu)亚稳β 相,通(tong)过淬火到室(shi)温(wen)从原(yuan)始β 相生(sheng)成马氏体(ti)。通(tong)过对(dui)含有(you)亚稳(wen)β 相的(de)合金(jin)进(jin)行时效(xiao)处理(li),可以(yi)在该(gai)区域(yu)生(sheng)成片状(zhuang)α,这(zhe)样(yang)可(ke)以在尽(jin)可能(neng)减少(shao)塑性损失(shi)的(de)情况(kuang)下(xia)提(ti)高(gao)强度。
最常(chang)用的(de)α+β 合金(jin)是Ti-6Al-4V(Ti-6-4),其(qi)他航空(kong)用(yong)α+β 合金包(bao)括(kuo)Ti-6Al-6V-2Sn(Ti-662),Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si(6-2-2-2-2S),IMI550(Ti-4Al-2Sn-4Mo-0.5Si)。
(1)Ti-6Al-4V(Ti-6-4)。Ti-6-4 是(shi)应用最广泛(fan)的钛合金材(cai)料(liao),具有(you)良好(hao)的综(zong)合(he)性(xing)能,常(chang)在(zai)退火(huo)态下(xia)使(shi)用,最(zui)低拉伸强(qiang)度896MPa(130ksi)。
Ti-6-4 属(shu)于可(ke)热(re)处理(li)强(qiang)化(hua)钛合金(jin),具(ju)有较(jiao)好的焊(han)接性能(neng)、成(cheng)形(xing)性和锻造(zao)性(xing)能, 是(shi)机身(shen)结构(gou)件(jian)使(shi)用的主(zhu)要(yao)钛合金(jin),同(tong)时用(yong)于(yu)制造喷(pen)气发(fa)动机压(ya)缩机(ji)叶片(pian)、叶(ye)轮以及(ji)起落架和(he)结(jie)构(gou)件(jian),紧固件,支架(jia),飞(fei)机(ji)附件(jian),框(kuang)架(jia),桁条结(jie)构(gou)、管(guan)道(dao)。
(2)Ti-6Al-6V-2Sn(Ti-662)。Ti-662 拉(la)伸(shen)强(qiang)度(du)1030MPa, 屈服强(qiang)度(du)970MPa,强度(du)高于Ti-6-4,耐腐(fu)蚀(shi)性(xing)能(neng)优异(yi),焊(han)接(jie)和(he)加工性能中(zhong)等(deng),用(yong)于飞机机(ji)身(shen)、火箭(jian)发动(dong)机(ji)、核(he)反应(ying)堆部(bu)件,近(jin)年在(zai)石(shi)油钻(zuan)井(jing)上应(ying)用增多[12,13]。
(3)Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si(6-2-2-2-2S)。6-2-2-2-2S 由RMI 在1970 年代开(kai)发(fa),具(ju)有优(you)异(yi)的(de)强度(du)、断裂韧(ren)性(xing)、高(gao)温性能,以(yi)及良(liang)好的(de)加工性能(neng)和(he)焊(han)接(jie)性能,适用(yong)于厚型(xing)结(jie)构件。用于(yu)机身、机翼(yi)、发(fa)动(dong)机(ji)结构(gou)件(jian)[14]。该合金强(qiang)度高(gao),在退火(huo)态(tai)的(de)强(qiang)度1068MPa,经(jing)固(gu)溶强化和时效(xiao),可达到(dao)最(zui)大(da)强(qiang)度1241MPa,并具有(you)较大(da)的(de)损(sun)伤(shang)容(rong)限(xian),广泛(fan)用于(yu)战(zhan)斗机结构(gou)件,如美国(guo)空(kong)军(jun)F-22 Raptor 战斗(dou)机[15,16]。
(4)Ti-4Al-2Sn-4Mo-0.5Si( IMI550)。IMI550 由英国(guo)帝国金属(shu)公司(si)(IMI)研制(zhi),拉(la)伸强(qiang)度达1100MPa,屈(qu)服(fu)强度达940MPa,使用(yong)温度达(da)到(dao)400℃,用于机身(shen)和(he)发(fa)动机结构件[17]。最早作为抗蠕变合金(jin)用(yong)于(yu)劳(lao)斯莱斯(si)飞(fei)马(ma)和(he)奥(ao)林匹(pi)斯(Rolls Royce Pegasus and Olympus)发(fa)动机,后(hou)来又(you)用(yong)于欧(ou)洲(zhou)民用和军(jun)用(yong)飞(fei)机机(ji)身(shen),如(ru)美洲虎(Jaguar)、狂风(Tornado)和(he)空客(ke)(Airbus)。
4 、β合金(jin)及(ji)应用(yong)
β 合(he)金(jin)是(shi)强度(du)最高的钛(tai)合(he)金(jin),拉伸强(qiang)度(du)可(ke)达1240MPa。
在(zai)经(jing)过(guo)快速冷(leng)却(que)后仍可(ke)在室(shi)温(wen)下(xia)保(bao)留100% 的亚稳β 相。通过(guo)运用(yong)不(bu)同(tong)的时(shi)效温(wen)度和时间,可(ke)以控(kong)制某(mou)个合金β 相(xiang)基(ji)体(ti)中(zhong)α 相(xiang)析(xi)出(chu)的大小和比例(li),从(cong)而获得比α+β 合金(jin)更高的(de)强(qiang)
度(du),选(xuan)定适宜(yi)的(de)时效(xiao)温度和时(shi)间(jian)可(ke)以获(huo)得(de)不同的性能(neng)。
除了(le)少(shao)数例(li)外,β 合(he)金不(bu)用于高(gao)温(wen)应用,因为(wei)一(yi)般情(qing)况下,随着温度的升(sheng)高,β 合(he)金(jin)的强(qiang)度(du)会比(bi)近(jin)α 和(he)α+β 合金下(xia)降(jiang)更(geng)快,并且(qie)不如(ru)近α 型钛合金那(na)样具有(you)抗(kang)蠕变性能(neng)。
β 合(he)金(jin)主(zhu)要(yao)用于强(qiang)度要求(qiu)较(jiao)高的结(jie)构件(jian),如飞机(ji)起(qi)落(luo)架,从(cong)波音777 开(kai)始,已在多(duo)款(kuan)新(xin)型大型商(shang)用(yong)飞机上应用(yong)。波(bo)音777 和787 采(cai)用(yong)β 合(he)金(jin)的其(qi)他(ta)构件包(bao)括襟翼滑轨(gui)、弹簧(huang)、辅助
动力单(dan)元(yuan)支柱(zhu)(APU Strut)、灭(mie)火(huo)罐、夹(jia)子和(he)托架以(yi)及排(pai)气(qi)管(guan)。
用(yong)于(yu)航(hang)空的β 合(he)金包括(kuo)Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr、Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr、Ti-35V-15Cr和Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si。
(1)Ti-10V-2Fe-3Al(Ti-10-2-3)。Ti-10V-2Fe-3Al(Ti-10-2-3) 合金是(shi)由(you)美(mei)国(guo)Timet 公(gong)司、Boeing 公司(si)、Wyman-Gordon 于20 世(shi)纪(ji)70 年(nian)代共同研(yan)制的高(gao)强近β合(he)金,成(cheng)功应(ying)用于飞机起落架(jia)主(zhu)承(cheng)重(zhong)梁(liang)、机翼和(he)转轴(zhou)等关(guan)键结构(gou)件(jian)[18]。该(gai)合(he)金(jin)经过在(zai)波音757 上试(shi)用(yong)后(hou),获(huo)批(pi)正(zheng)式(shi)用(yong)在(zai)波音(yin)777 的起(qi)落架(jia)上(shang),如(ru)图3 所(suo)示。此(ci)后,空客也使(shi)用(yong)Ti10-2-3 用(yong)作(zuo)A380 飞(fei)机(ji)的起落(luo)架(jia)。

图3 波(bo)音777 起落架(jia)结构(gou),该机(ji)型(xing)是(shi)首(shou)次(ci)使(shi)用(yong)钛合(he)金起(qi)落(luo)架(jia)的(de)商(shang)用(yong)飞机(ji)[5]
(2)Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr (Ti-5553)。Ti-5553 合金(jin)是(shi)由(you)俄罗斯(si)上(shang)萨(sa)尔达(da)(VSMPO)与(yu)欧(ou)洲(zhou)空客(ke)公(gong)司(si)联合研制(zhi)的一种新(xin)型高强高韧近(jin)β 钛(tai)合金,其名(ming)义成分(fen)为Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr,比Ti-10-2-3 合(he)金强(qiang)度稍高(gao)(大约1240MPa),经(jing)热处(chu)理(li)后(hou),抗拉(la)强度(du)可(ke)超过1500MPa,有一定(ding)加(jia)工性能优(you)势,淬透(tou)性(xing)更佳。特别(bie)适(shi)用(yong)于制造(zao)大(da)规格承(cheng)力构件,如机翼/ 吊挂接头、起落架/ 机翼接(jie)头(tou)以(yi)及(ji)起(qi)落架等(deng)零件(jian)。波(bo)音新型787 飞(fei)机起落(luo)架大(da)部分部(bu)件使用(yong)Ti-5553合金,空(kong)客(ke)A350-1000 的(de)起落(luo)架部件(jian)也使用(yong)该合(he)金(jin)[19,20]。
(3)Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al(Ti-15-3-3-3)。Ti-15-3-3-3 是(shi)美国70 年代(dai)研制成功的(de)亚稳定(ding)β 型钛(tai)合(he)金(jin)。经(jing)800℃ 30minAC+540℃ 8hAC 处(chu)理, 室(shi)温拉伸强(qiang)度达(da)1100MPa, 延(yan)伸率(lv)仍(reng)在9% 以上。该(gai)合(he)金具(ju)有优良(liang)的压延性、冷(leng)成形(xing)性和焊(han)接(jie)性(xing)能(neng),是(shi)一(yi)种理想的航(hang)空构件材料(liao)[21]。
主要(yao)用作机(ji)身(shen)结(jie)构件(jian)和航(hang)空(kong)紧(jin)固件,还可用(yong)来(lai)制(zhi)作弹簧(huang),如图(tu)4 所示。用(yong)β 钛合金(jin)代(dai)替钢(gang)质(zhi)弹(dan)簧可(ke)以(yi)获(huo)得(de)70% 的(de)减重(zhong)。

图4 钛制飞机(ji)弹(dan)簧[5]
注:弹(dan)簧(huang)A 是用Ti-15-3-3-3 钛带制作(zuo)的(de)舱(cang)门平衡(heng)时钟(zhong)弹(dan)簧。弹(dan)簧(huang)B 是(shi)用(yong)β-C 钛(tai)丝制作(zuo)的(de)螺(luo)旋(xuan)弹(dan)簧(huang),用作(zuo)T-45 教(jiao)练(lian)机(ji)启(qi)动(dong)杆动力单元弹(dan)簧(huang)。
(4)Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo (Ti-6-2-4-6)。Ti-6-2-4-6 是(shi)美国Timet 公司在20 世(shi)纪(ji)60 年代开(kai)发的一种(zhong)高Mo 含量(liang)的(de)高温(wen)钛(tai)合金(jin),具有耐高(gao)温(wen)性(xing)能(使(shi)用(yong)温(wen)度(du)在420℃)、良好(hao)的强度(du)、耐腐(fu)蚀(shi)、焊(han)接及加(jia)工性(xing)能(neng)。该(gai)合(he)金在(zai)固(gu)溶时效(xiao)或(huo)双重退火后的(de)低(di)周(zhou)疲(pi)劳强度明显高于(yu)相(xiang)应(ying)的(de)Ti-6Al-4V 合金,同(tong)时具(ju)有(you)较(jiao)高(gao)的(de)高(gao)温蠕变(bian)强(qiang)度(du)和瞬(shun)时强度(du),可制造涡轮(lun)发动机压气(qi)机(ji)盘(pan)件和(he)叶片[22]。
(5)Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr(Ti-17)。Ti-17 是美(mei)国通用电(dian)气公司(si)在70 年(nian)代初(chu)期开(kai)始(shi)研(yan)究与(yu)开发的β 型(xing)合金(jin),强(qiang)度高、韧性好(hao), 室(shi)温下(xia)屈(qu)服强度(du)为(wei)1137~1166MPa,抗拉强度(du)为1196~1235MPa,延伸(shen)率(lv)为(wei)8% 以上。同(tong)时具(ju)有良好(hao)的(de)抗裂纹(wen)生长(zhang)/ 疲劳性能和断裂(lie)韧(ren)性(xing)。主要用作(zuo)一(yi)些新研制(zhi)强度要(yao)求(qiu)较(jiao)高的大型飞机(ji)发(fa)动(dong)机风(feng)扇盘(pan)和气(qi)压(ya)机盘(pan)。美国(guo)通用(yong)电(dian)气(qi)公司和(he)Wyman Gordon 公司采用(yong)Ti-17 合(he)金(jin)制造(zao)了(le)发(fa)动机(ji)用盘件(jian)和(he)直升(sheng)飞(fei)机(ji)转(zhuan)子卡(ka)轴。日本(ben)神户制钢所(suo)也开始研(yan)制该(gai)合金并用于制造发(fa)动(dong)机(ji)盘(pan)件[23]。
(6)Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr(β-C)。β-C 是(shi)1969 年美(mei)国(guo)RMI 公(gong)司开(kai)发(fa)的(de)亚(ya)稳β 钛合(he)金。该合金(jin)含(han)有(you)更(geng)多(duo)的固溶体(ti),拉(la)伸(shen)强度(du)可达(da)到(dao)1240 MPa,由于(yu)强度(du)高,其(qi)塑性(xing)和容(rong)损(sun)性能(断(duan)裂(lie)韧(ren)性(xing)和(he)疲(pi)劳(lao)裂纹(wen)生长速(su)率(lv))低(di)于(yu)α+β 合金,因(yin)此不常用(yong)于(yu)关键承重部(bu)件,通常(chang)用(yong)作飞机(ji)弹簧、紧固(gu)件、连(lian)接(jie)件及导(dao)弹(dan)部件。
研究表(biao)明(ming),将少(shao)量(liang)C(0.1%) 加入(ru)β-C,在(zai)时(shi)效(xiao)前进(jin)行一定(ding)的冷变(bian)形(xing),可(ke)以(yi)加快(kuai)时效期间(jian)α 相析出,同时(shi)减少晶界(jie)α(GBα)形(xing)成,并(bing)促(cu)使(shi)晶(jing)粒(li)细化(hua), 可以(yi)在获得高达1500MPa 强度(du)的(de)同时,保持较(jiao)好(hao)的(de)延性(xing)[24]。
(7)Ti-35V-15Cr(Alloy C)。只有(you)一种(zhong)真(zhen)正的( 稳(wen)定)β 合(he)金具有有(you)限的(de)商业(ye)应(ying)用(yong)价(jia)值,这(zhe)就(jiu)是(shi)Alloy C,名(ming)义成(cheng)分(fen)为Ti-35V-15Cr-0.05C,由(you)普(pu)· 惠(hui)(Pratt andWhitney 公司(si),美(mei)国最(zui)大的(de)两(liang)家(jia)航空(kong)发(fa)动机制造公司(si)之(zhi)一)开(kai)发(fa)。由(you)于β 稳(wen)定(ding)合金含(han)量相(xiang)当(dang)高(gao),因此Alloy C 在服(fu)役温(wen)度(du)下(xia)β 相不会像普(pu)通β 合(he)金那样(yang)分解成(cheng)α+β 相(xiang)。该(gai)合金(jin)室(shi)温(wen)拉(la)伸(shen)性(xing)能(neng)1071MPa,屈服强度1023 MPa,延(yan)伸率(lv)14.7,蠕变温(wen)度(du)540℃,由(you)于具(ju)有防火(huo)(不(bu)燃(ran)烧)性能(neng),而被(bei)普(pu)·惠用作军(jun)用发动机的排(pai)气系统[25]。而(er)其(qi)他(ta)钛合金在高质量(liang)流(liu)速下(xia)(比(bi)如喷气(qi)发(fa)动(dong)机气流),会(hui)发生燃烧(shao),供燃烧的(de)“燃(ran)料”就(jiu)是(shi)几乎所(suo)有钛(tai)合(he)金中(zhong)都(dou)必不(bu)可(ke)少的钛和(he)铝(lv)。
( 8 )T i - 1 5 M o - 2 . 7 N b - 3 A l - 0 . 2 S i( β - 2 1 S )。β-21S(Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si) 是TIMET 开发(fa)的一种(zhong)超(chao)高强度新型β 合金。该(gai)合金(jin)强度高,塑(su)性(xing)好,通(tong)过(guo)热
处(chu)理,时效到(dao)很高的强度水(shui)平(ping)(抗(kang)拉(la)强度>1450MPa),塑性(xing)仍保(bao)持(chi)在Ti-1023 的(de)水(shui)平。β-21S 在加(jia)工和(he)使用(yong)期间具有显著(zhu)的抗氧化性能,更适合(he)加工(gong)成(cheng)薄(bao)板(ban)。β-21S 比(bi)其(qi)它β 合金(jin)能承(cheng)受(shou)更(geng)高的温(wen)度,长(zhang)时(shi)间工作(zuo)温(wen)度可达540℃ [26]。
由于具(ju)有更(geng)好(hao)的耐(nai)高(gao)温(wen)性能,这(zhe)种合(he)金(jin)可以用作(zuo)航空(kong)发动机尾椎,如图5 所(suo)示,此处喷口(kou)暴露于发动(dong)机(ji)尾(wei)气。用β-21S 代替(ti)镍基合金可(ke)以(yi)大(da)幅度减轻(qing)喷口(kou)和尾(wei)椎(chui)的(de)重量(liang)。

图(tu)5 装(zhuang)配波(bo)音(yin)-777 发动机(ji)β-21S 尾(wei)椎(chui)[5]
5、钛(tai)铝(lv)合金(jin)及(ji)应用(yong)
钛(tai)铝(lv)合金,比近(jin)α 型钛合(he)金具有更(geng)好(hao)的(de)耐(nai)高温(wen)性能。钛(tai)铝(lv)合(he)金有(you)多(duo)种金属(shu)间(jian)化(hua)合(he)物(wu),主(zhu)要(yao)有(you)Al 含(han)量较(jiao)少(shao)的(de)Ti3Al(α2)和Al 含量较多的(de)TiAl(ϒ)两种。其中(zhong)ϒ 合(he)金(jin)耐(nai)高温能(neng)力达(da)到(dao)725℃,高于常(chang)规(gui)钛(tai)合金(jin)的工作(zuo)温度(du)。目前已(yi)有ϒ合金用(yong)于(yu)发动机制(zhi)造(zao),在(zai)商(shang)用(yong)飞(fei)机发(fa)动(dong)机(ji)中用作(zuo)低(di)压涡(wo)轮叶片(pian),如图6 所(suo)示(shi)。

图(tu)6 用(yong)ϒ 合(he)金(jin)制作(zuo)747 发动机低压(ya)涡(wo)轮(lun)转子叶(ye)片[5]
目前波音787 的GEnx 发(fa)动(dong)机(ji)以(yi)及空客(ke)A-320NEO和波音737MAX 的CFM LEAP 发(fa)动机最后(hou)两级(ji)低压涡(wo)轮(lun)(LPT)工作(zuo)叶(ye)片(pian)均釆(bian)用(yong)ϒ 合(he)金Ti-48Al-2Nb-2Cr 制造(zao)。
使用这(zhe)种合(he)金使GEnx 发(fa)动(dong)机每级叶(ye)片(pian)减(jian)重(zhong)约90kg。2006年(nian)美(mei)国(guo)GE 公(gong)司(si)使用Ti-48Al-2Nb-2Cr 合金(jin)作(zuo)为(wei)在GEnx发动机中(zhong)第(di)6、7 级(ji)低压(ya)涡(wo)轮(lun)叶片。这(zhe)是(shi)钛(tai)铝(lv)合金首(shou)次(ci)大(da)规(gui)模(mo)进入实际(ji)关(guan)键(jian)结(jie)构件的(de)应用[27]。图7 为用ϒ 合(he)金(jin)制(zhi)造(zao)的GEnx 发动机低(di)压涡(wo)轮转子。

图7 用ϒ 合(he)金制造的(de)GEnx 发动机(ji)最后(hou)两(liang)级低压涡(wo)轮转子(zi)叶(ye)片(pian)[5]
6 、结语
对(dui)美欧(ou)航(hang)空航(hang)天(tian)用(yong)钛(tai)锻件(jian)、钛棒等(deng)钛(tai)及(ji)钛合金(jin)牌(pai)号的梳理(li)分(fen)析表(biao)明(ming),近(jin)年(nian)来(lai)国(guo)外(wai)开发(fa)的(de)高温钛合(he)金(jin)、低(di)温(wen)钛(tai)合金(jin)、高(gao)强(qiang)高(gao)韧(ren)β 型(xing)钛(tai)合(he)金(jin)、阻燃钛合金和损伤(shang)容限型(xing)钛合金在(zai)航(hang)空航(hang)天(tian)领域得到了广泛(fan)应(ying)用(yong),代表(biao)了(le)航空航天高性(xing)能(neng)钛合(he)金(jin)材料(liao)的发(fa)展(zhan)方(fang)向。
(1)高(gao)温钛(tai)合(he)金。20 世(shi)纪50 年代(dai)开发(fa)的高(gao)温(wen)钛(tai)合(he)金(jin)以(yi)美国开发(fa)的(de)Ti-6Al-4V 合(he)金(jin)为代表,其适(shi)应(ying)温(wen)度(du)为300-350℃ [28]。后(hou)来(lai)开发(fa)的高温(wen)钛(tai)合(he)金(jin)以近(jin)α 型(xing)为(wei)主,以(yi)美国(guo)开发的(de)Ti-6-2-4-2S、Ti-1100,英(ying)国(guo)开(kai)发(fa)的(de)IMI834 以(yi)及俄(e)罗(luo)斯开(kai)发(fa)的(de)BT-36 为(wei)代(dai)表,使(shi)用(yong)温度高达(da)600℃。高温(wen)钛合(he)金以(yi)其优良的热(re)强性(xing)和(he)高的比(bi)强度,在航(hang)空(kong)发(fa)动(dong)机(ji)中(zhong)获得了(le)广(guang)泛的应(ying)用(yong)。高(gao)温(wen)钛合(he)金(jin)的另一个发(fa)展趋势是钛铝合金,即以钛铝(lv)为基础(chu)的(de)Ti3Al(α2)和(he)TiAl(ϒ)金(jin)属(shu)间化(hua)合物(wu),其中ϒ 合(he)金耐高温(wen)能力达到725℃。钛(tai)铝(lv)合(he)金(jin)成(cheng)为未来航空(kong)发(fa)动(dong)机(ji)及(ji)飞机结构件(jian)最(zui)具(ju)竞(jing)争力的(de)材(cai)料。
(2)低(di)温(wen)钛合(he)金。一些钛和钛合金在低(di)温(wen)和(he)超低(di)温下仍(reng)能保持(chi)其(qi)原有(you)的机械(xie)性(xing)能(neng)。美(mei)国(guo)对(dui)于低温钛(tai)合金(jin)的研究(jiu)主要集中于α 型Ti-5Al-2.5Sn ELI 以(yi)及(ji)α+β 型(xing)钛(tai)合(he)金(jin)Ti-6Al-4V ELI[6],通(tong)过(guo)降低间(jian)歇(xie)元(yuan)素含(han)量(liang), 两(liang)种(zhong)钛合金(jin)在20K 极(ji)低(di)温度(du)下保持良(liang)好(hao)的(de)强度(du)和韧性(xing),用于(yu)低温(wen)容器、低温管道(dao)以(yi)及(ji)液体(ti)火箭(jian)发(fa)动机(ji)叶轮(lun)。
(3)高强(qiang)钛合(he)金(jin)。高(gao)强(qiang)度(du)钛合金一(yi)般指抗拉(la)强度在1,000MPa 以(yi)上(shang)的钛合(he)金(jin),国外高强钛合金研发主(zhu)要(yao)以美(mei)国和俄(e)罗斯(si)为主(zhu)。β 合(he)金是(shi)强(qiang)度最高的(de)钛合(he)金(jin),目(mu)前代表(biao)国际先(xian)进水(shui)平并(bing)在航(hang)空(kong)领(ling)域获得实(shi)际应用(yong)的(de)高(gao)强(qiang)度钛合金(jin)主要(yao)为(wei)β 型钛合金(jin),如美(mei)国(guo)Ti-10-2-3、Ti-15-3-3-3 和β-21S,俄罗(luo)斯Ti-5-5-5-3-1 等(deng),主(zhu)要用(yong)于(yu)强度要(yao)求较(jiao)高(gao)的结(jie)构(gou)件(jian),如(ru)飞机起落架以及(ji)机(ji)身等部件(jian)。
(4)阻燃(ran)钛(tai)合金(jin)。为(wei)解(jie)决(jue)航空(kong)发(fa)动机用(yong)钛合(he)金(jin)材料的(de)“钛(tai)燃(ran)烧(shao)”问(wen)题(ti),以(yi)满(man)足高推(tui)重比(bi)发动机的(de)需(xu)要,美(mei)国(guo)和俄(e)罗斯从(cong)20 世(shi)纪70 年(nian)代开(kai)始(shi)就开(kai)展(zhan)阻(zu)燃钛(tai)合金的(de)研制。阻燃(ran)钛合金(jin)主要(yao)包括(kuo)两(liang)个合金(jin)系(xi):美(mei)国(guo)的Ti-V-Cr 系(xi)Alloy C(T-35V-15Cr);俄罗斯(si)的(de)Ti-Cu-Al 系(xi)BTT-1、BTT-3[3]。其(qi)中(zhong)Alloy C 是一(yi)种稳(wen)定β 型阻燃(ran)钛合(he)金(jin),具(ju)有较高(gao)的室(shi)温和(he)高温强(qiang)度(du),良好(hao)的(de)蠕变强(qiang)度(du),优(you)异(yi)的疲劳强(qiang)度(du)和(he)冷(leng)成形(xing)性(xing),已成功(gong)应用(yong)于F119 发(fa)动机的高(gao)压压气机机匣(xia)、导向叶片(pian)和矢(shi)量(liang)尾(wei)喷管。
(5)损伤容限钛合(he)金。为(wei)了(le)满足新型飞(fei)机对材(cai)料比(bi)强度、抗(kang)疲劳(lao)性(xing)能(neng)、裂(lie)纹(wen)扩(kuo)展性(xing)能、断(duan)裂韧(ren)性(xing)、寿(shou)命期成本(ben)等(deng)综(zong)合性(xing)能的(de)要(yao)求(qiu),国(guo)外(wai)已(yi)研(yan)制(zhi)出(chu)高断(duan)裂(lie)韧性和(he)低(di)裂纹(wen)扩(kuo)展速(su)率(lv)的(de)
损(sun)伤容限型(xing)钛(tai)合(he)金(jin),以美(mei)国(guo)开(kai)发的(de)α+β 型合(he)金(jin)Ti-6Al-4V ELI 及Ti-6-2-2-2-2S 为(wei)代表。Ti-6Al-4V ELI 为中(zhong)强(qiang)损(sun)伤(shang)容限钛合(he)金(jin),Ti-6-2-2-2-2S 为高强(qiang)损伤容(rong)限钛合(he)金(jin),在(zai)美国F-22 战斗(dou)机(ji)得到大量应用(yong)[29]。
参(can)考(kao)文献:
[1] S a n i A . S a l i h u , Y . I . S u l e i m a n , A . I . E y i n a v i .Classification,Properties and Applications of titanium and itsalloys used in automotive industry-A Review[J].AmericanJournal of Engineering Research,2019,8(8):92-98.
[2] 李(li)毅,赵(zhao)永(yong)庆,曾卫(wei)东(dong). 航空(kong)钛(tai)合金(jin)的应用(yong)及发展趋势[J]. 材(cai)料(liao)导报(bao),2020,34( 专(zhuan)辑(ji)35):280-282.
[3] 黄(huang)天(tian)娥,范(fan)桂彬,闫海(hai),等. 航(hang)空(kong)用(yong)钛(tai)合(he)金材(cai)料及(ji)钛合金标准发展综述[J]. 航(hang)空(kong)标(biao)准(zhun)化(hua)与质量,2010,3:30-33.
[4] 王(wang)志辉.Ti62421S 高温钛合(he)金(jin)组(zu)织(zhi)性(xing)能(neng)的研(yan)究[D]. 中南大学,2010.
[5] J a m e s C . W i l l i a m s , R o d n e y R . B o y e r . O p p o r t u n i t i e s a n dIssues in the Application of Titanium Alloys for AerospaceComponents[J].Metals 2020,10,705:1-22.
[6] 许(xu)爱军(jun),万海(hai)峰(feng),梁春(chun)祖(zu),等(deng). 低温(wen)钛合金(jin)材(cai)料(liao)应(ying)用现(xian)状及发展趋(qu)势(shi)[J].精(jing)密成形(xing)工程(cheng),2020,12(6):145-156.
[7] 张旺(wang)峰(feng),李(li)艳,王玉会(hui),等(deng).Ti-3Al-2.5V 钛合金(jin)管(guan)材研究(jiu)进展(zhan)[J]. 材(cai)料导(dao)报(bao)A,2011,25(12) :133-137.
[8] 谢群良(liang), 汪(wang)建林(lin), 浦(pu)家烨(ye), 等(deng).Ti-3Al-2.5V 钛合(he)金(jin)异型(xing)管(guan)的(de)研(yan)制和(he)应(ying)用[J]. 上海(hai)钢(gang)研(yan),1999,6 :26-31.
[9] 崔(cui)文(wen)芳(fang), 洪(hong)权, 刘春明(ming), 等(deng).Ti-1100/0.1Y 高温合金等(deng)温(wen)热(re)压缩变(bian)形行(xing)为[J]. 东(dong)北大学(xue)学(xue)报( 自(zi)然科学版),2003,6 :572-575.
[10] 杨(yang)先安. 先(xian)进(jin)的(de)高(gao)温钛合金Ti-1100[J]. 材料工(gong)程(cheng),1990,1 :46-47.
[11] 黄张洪(hong),曲(qu)恒磊(lei),邓超(chao),等. 航空(kong)用钛及(ji)钛(tai)合(he)金(jin)的(de)发(fa)展及应用(yong)[J]. 材料导(dao)报(bao)A,2011,25(1) :102-107.
[12] M a t t h e w J . D o n a c h i e . T i t a n i u m : A T e c h n i c a l G u i d e , 2 n dEdition[M].ASM International,Metals Park,2000:1-369.
[13] 朱宝(bao)辉,曾卫东(dong),陈(chen)林,等. 固(gu)溶(rong)时效工艺(yi)对Ti-6Al-6V-2Sn 钛(tai)合金(jin)棒材组(zu)织及(ji)性能(neng)的影(ying)响(xiang)[J]. 中国有(you)色(se)金(jin)属学报,2018,28(4) :677-684.
[14] SA Tamirisakandala,Manish Kamal.Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr Alloy for High Strength Aerospace Fasteners[C].The14th World Conference on Titanium,MATEC Web Conf.321(2020):1-5.
[15] 劳金海. 显微(wei)组织(zhi)对Ti-6Al-2Sn-2Mo-2Zr-2Cr-Si 合(he)金(jin)断裂性(xing)能(neng)的(de)影(ying)响[J]. 上(shang)海(hai)钢研(yan),2004,(01) :58-59.
[16] 王(wang)镐(gao). 航空(kong)用Ti-6-22-22S 合(he)金[J]. 钛工业(ye)进(jin)展(zhan),1998(6):5.
[17] 刘广(guang)发(fa),张(zhang)衡,毛(mao)友川(chuan),等. 轧制(zhi)温度(du)对(dui)IMI550 钛(tai)合(he)金(jin)棒材组(zu)织(zhi)和(he)力(li)学(xue)性(xing)能(neng)的影(ying)响[J]. 材(cai)料开(kai)发与应用(yong),2015,30(2):42-47.
[18] 商国强,朱之寿(shou),寇宏(hong)超,等(deng). 热(re)轧(ya)变形(xing)对Ti-10V-2Fe-3Al 合(he)金(jin)组织和性能的影响[J]. 材料热(re)处(chu)理学(xue)报(bao),2013,34(03) :108-113.
[19] VSMPO.An update on properties and applications for Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr[R].International Titanium Association,Scottsdale,2005:1-26.
[20] 韩(han)双(shuang).Ti55531 钛(tai)合(he)金热(re)变形行为研(yan)究[D]. 燕(yan)山大学,2018.
[21] 傅(fu)作义.Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al 合(he)金(jin)研(yan)究(jiu)[J]. 稀有(you)金(jin)属,1992,6 :443-448.
[22] 雷(lei)锦(jin)文(wen),天云(yun),赖运金(jin),等. 固溶(rong)温度(du)对Ti6246 钛(tai)合(he)金组(zu)织与性能(neng)的影响[J]. 金属(shu)热(re)处理(li),2015,40(3) :133-135.
[23] 杨丽(li)芳,新(xin)型(xing)发(fa)动(dong)机用(yong)Ti-17 合(he)金(jin)[J]. 材(cai)料工(gong)程,1992,S1 :178-180.
[24] Cao,S.;Zhou,X.;Yang,Y.;Lim et al.C.V.S A strong andductile Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr(Beta-C)alloy achieved byintroducing trace carbon addition and cold work[J].ScriptaMater,2020,178:124–128.
[25] G e p i n g L i , D o n g L i , Y u y i n L i u , e t a l . M i c r o s t r u c t u r e a n dMechanical ProPerties of Ti-35V-15Cr-0.05C NonburningTitanium Alloy[J].J.Mater.Sci.Technol.,1998,14(5) :411-414.
[26] 彭(peng)益(yi)群(qun). 一种新的(de)超高强(qiang)度(du)钛合(he)金(jin)β-21S[J]. 钛(tai)工(gong)业(ye)进(jin)展(zhan).1993,6 :41-43.
[27] 赵(zhao)俊(jun)才(cai). 合(he)金化(hua)对Ti-48Al-2Cr-2Nb 合金(jin)显微组织(zhi)和(he)力(li)学性能的(de)影响[D]. 湘潭(tan)大(da)学(xue),2015.
[28] 田(tian)永(yong)武(wu),朱乐(le)乐,李伟东,等(deng). 高(gao)温(wen)钛(tai)合(he)金的(de)应(ying)用及发展[J]. 热(re)加工工(gong)艺(yi),2020,49(8) :16-20.
[29] 熊(xiong)柏青(qing),惠松(song)骁. 损(sun)伤容限钛(tai)合(he)金研(yan)究(jiu)进(jin)展(zhan)[J]. 稀有金(jin)属材(cai)料(liao)与(yu)工程(cheng),2005,34(S3):130-132.
相关(guan)链(lian)接(jie)