1. α型鈦合金及應(yīng)用

α合金包括工業(yè)純鈦（CommerciallyPure,簡(jiǎn)稱CP）及只含α穩(wěn)定元素和/或中性元素的鈦合金。

1.1 工業(yè)純鈦

工業(yè)純鈦主要由密排六方晶體 (HCP)α 相構(gòu)成，同時(shí)由于源自海綿鈦原料殘存雜質(zhì)或人為添加帶來的 Fe 元素，工業(yè)純鈦中還含有少量的（<5%）的 β 相，按拉伸強(qiáng)度按 240-550MPa分4號(hào)(ASTM中G1、G2、G3和G4)，牌號(hào)越高其中可以發(fā)揮間歇固溶強(qiáng)化的氧濃度越高，因此強(qiáng)度也越高。

CP 鈦主要用于要求具有良好的耐腐蝕性和焊接性能，但對(duì)強(qiáng)度要求不高的領(lǐng)域。在航空領(lǐng)域，CP鈦主要用于機(jī)翼前緣除冰系統(tǒng)的空氣加熱管，機(jī)艙環(huán)境控制系統(tǒng)管道，液壓管道以及各種夾持和支架裝置。

1.2 鈦合金Ti-5Al-2.5SnELI

另一類α型鈦合金含有α穩(wěn)定元Al和中性合金元素Sn，目的是獲得比CP更高的強(qiáng)度。航空領(lǐng)域常見的α型鈦合金包括Ti-5Al-2.5SnELI（Extralowinterstitial，超低間歇），由俄羅斯和美國開發(fā)，俄羅斯牌號(hào)BT5-1。該合金是在普通鈦合金Ti-5Al-2.5Sn基礎(chǔ)上，通過降低間歇元素含量，顯著提升其在極低溫下的強(qiáng)度和韌性，在20K（-250℃）低溫條件下仍具有良好的韌性和較低的熱導(dǎo)率，主要用于低溫容器、低溫管道以及液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪油泵葉輪。

2. 近α型鈦合金及應(yīng)用

這類合金主要含 Al、Sn 和 Zr 以及少量（不超過重量2%）低擴(kuò)散率 β 穩(wěn)定元素，如 Mo 或 Nb、V 及 Si( 不超過0.5%)。加入 Mo 或 Nb 可在室溫下穩(wěn)定少量被保留的 β 相，以起到某種強(qiáng)化作用。

近 α 型鈦合金在室溫下強(qiáng)度不如 α+β 或 β 合金，但具有優(yōu)越的抗高溫蠕變性能，由于在高溫下仍可保持足夠強(qiáng)度，這一點(diǎn)對(duì)于高溫應(yīng)用尤為重要。

航空業(yè)常見的近 α 型鈦合金主要牌號(hào)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開發(fā)的一種近α型鈦合金，在室溫和高溫下強(qiáng)度比純鈦高出20%~50%, 適用于飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)液壓和燃油等管路系統(tǒng)。在波音，除驅(qū)動(dòng)主起落架的起落架艙液壓管道外，飛機(jī)的所有液壓管道均采用 Ti-3-2.5。航天飛機(jī)上的大量油壓管路采用Ti-3Al-2.5V 合金無縫管做配管，能使管路減重 40%。

（2）Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si(Ti-6-2-4-2S)

由于近 α 型鈦合金抗高溫蠕變強(qiáng)度優(yōu)于 α+β 合金，在現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)中，壓氣機(jī)葉片使用兩種材質(zhì)，前級(jí)葉片燃?xì)鉁囟鹊陀?300℃，材質(zhì)為 Ti-6-4，其余末級(jí)材質(zhì)采用高蠕變強(qiáng)度合金 Ti-6-2-4-2S，可以在高達(dá) 540℃下使用。70 年代 , 美國RMI（Reactive Metals Inc）通過添加 Si 元素 , 開發(fā)了使用溫度超過 500℃的 Ti-6242S 合金，采用細(xì)化 β 晶?？刂漆槧罱M織的方法 , 實(shí)現(xiàn)了合金疲勞強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度兼顧 , 使之在565℃下具有高強(qiáng)度、高剛度、抗蠕變和好的熱穩(wěn)定性 , 廣泛應(yīng)用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部。

（3）Ti-1100Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si-0.7O2-0.2Fe）

Ti-1100近α高溫鈦合金是Timet為滿足新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)高溫鈦合金高抗蠕變性能和高斷裂韌性的需求，而在20世紀(jì)80年代研制的，該合金實(shí)際上Ti-6242Si的發(fā)展型，其使用溫度達(dá)可593℃，目前已用于美國萊康明發(fā)動(dòng)機(jī)公司（LYCOMING）的T55-712型發(fā)動(dòng)。

（4）Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.5Mo-0.7Nb-0.35Si-0.06C（IMI834）

IMI834是英國勞斯萊斯公司（RollsRoyce，歐洲航空發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)）研制的發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金，工作溫度可達(dá) 600℃。目前，一般認(rèn)為它是已投入工業(yè)生產(chǎn)的溫近 α 鈦合金。834 合金主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)件、壓氣機(jī)輪盤及葉片。

（5）Ti-6.2Al-2Sn-3.6Zr-0.7 Mo-0.1Y-5.0W-0.15Si(BT36)

BT36 是俄羅斯于 1992 年研制成功的一種使用溫度在 600-650℃的鈦合金 , 該合金在 BT18Y 的基礎(chǔ)上用 5% 的高熔點(diǎn) W 代替 1%Nb，W 的加入對(duì)合金的室溫強(qiáng)度、蠕變和持久性有明顯的改善，提高了合金的熱穩(wěn)定。

3. α+β合金及應(yīng)用

α+β 合金是迄今為止應(yīng)用廣泛的鈦合金。其具有更高含量的（4-6%）β 元素，因此與近 α 型鈦合金相比，其 β 相含量更高，可以通過熱處理獲得更高的強(qiáng)度。主要強(qiáng)化機(jī)制包括在室溫下保留亞穩(wěn) β 相，通過淬火到室溫從原始 β 相生成馬氏體。通過對(duì)含有亞穩(wěn) β 相的合金進(jìn)行時(shí)效處理，可以在該區(qū)域生成片狀 α，這樣可以在盡可能減少塑性損失的情況下提高強(qiáng)度。

常用的α+β合金是Ti-6Al-4V（Ti-6-4），其他航空用α+β合金包括 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 是應(yīng)用廣泛的鈦合金材料，具有良好的綜合性能，常在退火態(tài)下使用，低拉伸強(qiáng)度 896MPa(130ksi)。Ti-6-4 屬于可熱處理強(qiáng)化鈦合金，具有較好的焊接性能、成形性和鍛造性能 , 是機(jī)身結(jié)構(gòu)件使用的主要鈦合金，同時(shí)用于制造噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)葉片、葉輪以及起落架和結(jié)構(gòu)件，緊固件，支架，飛機(jī)附件，框架，桁條結(jié)構(gòu)、管道。

（2）Ti-6Al-6V-2Sn(Ti-662)

Ti-662拉伸強(qiáng)度1030MPa, 屈服強(qiáng)度 970MPa，強(qiáng)度高于 Ti-6-4，耐腐蝕性能優(yōu)異，焊接和加工性能中等，用于飛機(jī)機(jī)身、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、核反應(yīng)堆部件，近年在石油鉆井上應(yīng)用增。

（3）Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si（6-2-2-2-2S）

6-2-2-2-2S由RMI在1970年代開發(fā)，具有優(yōu)異的強(qiáng)度、斷裂韌性、高溫性能，以及良好的加工性能和焊接性能，適用于厚型結(jié)構(gòu)件。用于機(jī)身、機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件。該合金強(qiáng)度高，在退火態(tài)的強(qiáng)度 1068MPa，經(jīng)固溶強(qiáng)化和時(shí)效，可達(dá)到強(qiáng)度 1241MPa，并具有較大的損傷容限，廣泛用于戰(zhàn)斗機(jī)結(jié)構(gòu)件，如美國空軍F-22Raptor戰(zhàn)斗機(jī)。

（4）Ti-4Al-2Sn-4Mo-0.5Si （IMI550）IMI550 由英國帝國金屬公司（IMI）研制，拉伸強(qiáng)度達(dá) 1100MPa，屈服強(qiáng)度達(dá) 940MPa，使用溫度達(dá)到 400℃，用于機(jī)身和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)。作為抗蠕變合金用于勞斯萊斯飛馬和奧林匹斯（RollsRoycePegasusandOlympus）發(fā)動(dòng)機(jī)，后
來又用于歐洲民用和軍用飛機(jī)機(jī)身，如美洲虎（Jaguar）、狂風(fēng)（Tornado）和空客 (Airbus)。

4. β合金及應(yīng)用

β合金是強(qiáng)度鈦合金，拉伸強(qiáng)度可達(dá) 1240MPa。在經(jīng)過快速冷卻后仍可在室溫下保留 100%的亞穩(wěn) β 相。通過運(yùn)用不同的時(shí)效溫度和時(shí)間，可以控制某個(gè)合金 β 相基體中 α 相析出的大小和比例，從而獲得比 α+β 合金更高的強(qiáng)度，選定適宜的時(shí)效溫度和時(shí)間可以獲得不同的性能。除了少數(shù)例外，β 合金不用于高溫應(yīng)用，因?yàn)橐话闱闆r下，隨著溫度的升高，β 合金的強(qiáng)度會(huì)比近 α 和 α+β 合金下降更快，并且不如近 α 型鈦合金那樣具有抗蠕變性能。

β 合金主要用于強(qiáng)度要求較高的結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)起落架，從波音 777開始，已在多款新型大型商用飛機(jī)上應(yīng)用。波音777和787采用β合金的其他構(gòu)件包括襟翼滑軌、彈簧、輔助動(dòng)力單元支柱（APU Strut）、滅火罐、夾子和托架以及排氣管。

用于航空的β合金包括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) 合金是由美國 Timet 公司、Boeing 公司、Wyman-Gordon 于 20 世紀(jì) 70 年代共同研制的高強(qiáng)近 β 合金，成功應(yīng)用于飛機(jī)起落架主承重梁、機(jī)翼和轉(zhuǎn)軸等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。該合金經(jīng)過在波音 757 上試用后，獲批正式用在波音777的起落架上。此后，空客也使用 Ti10-2-3 用作 A380 飛機(jī)的起落架。

（2）Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr(Ti-5553)

Ti-5553 合金是由俄羅斯上薩爾達(dá)（VSMPO）與歐洲空客公司聯(lián)合研制的一種新型高強(qiáng)高韌近 β 鈦合金，其名義成分為 Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr，比 Ti-10-2-3合金強(qiáng)度稍高（大約 1240MPa），經(jīng)熱處理后，抗拉強(qiáng)度可超過 1500MPa，有一定加工性能優(yōu)勢(shì)，淬透性更佳。特別適用于制造大規(guī)格承力構(gòu)件，如機(jī)翼 / 吊掛接頭、起落架 / 機(jī)翼接頭以及起落架等零件。波音新型 787 飛機(jī)起落架大部分部件使用 Ti-5553 合金，空客A350-1000的起落架部件也使用該合金。

（3）Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al(Ti-15-3-3-3)。Ti-15-3-3-3是美國70年代研制成功的亞穩(wěn)定 β 型鈦合金。經(jīng) 800℃ 30minAC+540℃ 8hAC 處理 , 室溫拉伸強(qiáng)度達(dá)1100MPa, 延伸率仍在 9% 以上。該合金具有優(yōu)良的壓延性、冷成形性和焊接性能，是一種理想的航空構(gòu)件材料。主要用作機(jī)身結(jié)構(gòu)件和航空緊固件，還可用來制作彈簧。用 β 鈦合金代替鋼質(zhì)彈簧可以獲得 70% 的減重。

注 ：彈簧 A 是用 Ti-15-3-3-3 鈦帶制作的艙門平衡時(shí)鐘彈簧。彈簧 B 是用 β-C 鈦絲制作的螺旋彈簧，用作 T-45 教練機(jī)啟動(dòng)桿動(dòng)力單元彈簧。

（4）Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo（Ti-6-2-4-6）

Ti-6-2-4-6是美國Timet公司在20世紀(jì)60年代開發(fā)的一種高 Mo 含量的高溫鈦合金，具有耐高溫性能（使用溫度在 420℃）、良好的強(qiáng)度、耐腐蝕、焊接及加工性能。該合金在固溶時(shí)效或雙重退火后的低周疲勞強(qiáng)度明顯高于相應(yīng)的 Ti-6Al-4V 合金，同時(shí)具有較高的高溫蠕變強(qiáng)度和瞬時(shí)強(qiáng)度，可制造渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤件和葉片。

（5）Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr（Ti-17）

Ti-17 是美國通用電氣公司在 70 年代初期開始研究與開發(fā)的 β 型合金，強(qiáng)度高、韌性好 , 室溫下屈服強(qiáng)度為 1137~1166MPa，抗拉強(qiáng)度為 1196~1235MPa，延伸率為 8% 以上。同時(shí)具有良好的抗裂紋生長(zhǎng) / 疲勞性能和斷裂韌性。主要用作一些新研制強(qiáng)度要求較高的大型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇盤和氣壓機(jī)盤。美國通用電氣公司和 Wyman Gordon 公司采用 Ti-17 合金制造了發(fā)動(dòng)機(jī)用盤件和直升飛機(jī)轉(zhuǎn)子卡軸。日本神戶制鋼所也開始研制該合金并用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)盤件。

（6）Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr(β-C)。β-C 是1969 年美國 RMI 公司開發(fā)的亞穩(wěn) β 鈦合金。該合金含有更多的固溶體，拉伸強(qiáng)度可達(dá)到 1240 MPa，由于強(qiáng)度高，其塑性和容損性能（斷裂韌性和疲勞裂紋生長(zhǎng)速率）低于 α+β 合金，因此不常用于關(guān)鍵承重部件，通常用作飛機(jī)彈簧、緊固件、連接件及導(dǎo)彈部件。研究表明，將少量 C(0.1%) 加入 β-C，在時(shí)效前進(jìn)行一定的冷變形，可以加快時(shí)效期間 α 相析出，同時(shí)減少晶界 α（GBα）形成，并促使晶粒細(xì)化 , 可以在獲得高達(dá)1500MPa強(qiáng)度的同時(shí)，保持較好的延性。

（7）Ti-35V-15Cr（AlloyC）

只有一種真正的（穩(wěn)定）β合金具有有限的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值，這就是AlloyC，名義成分Ti-35V-15Cr-0.05C，由 普· 惠（Pratt and Whitney 公司，美國兩家航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司之一）開發(fā)。

由于 β 穩(wěn)定合金含量相當(dāng)高，因此 Alloy C 在服役溫度下β相不會(huì)像普通 β 合金那樣分解成 α+β 相。該合金室溫拉伸性能1071MPa，屈服強(qiáng)度 1023 MPa，延伸率14.7，蠕變溫度 540℃，由于具有防火（不燃燒）性能，而被普·惠用作軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)。而其他鈦合金在高質(zhì)量流速下（比如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)氣流），會(huì)發(fā)生燃燒，供燃燒的“燃料”就是幾乎所有鈦合金中都必不可少的鈦和鋁。

（8）Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si（β-21S）

β-21S(Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si)是TIMET開發(fā)的一種超高強(qiáng)度新型 β 合金。該合金強(qiáng)度高，塑性好，通過熱處理，時(shí)效到很高的強(qiáng)度水平（抗拉強(qiáng)度 >1450MPa），塑性仍保持在 Ti-1023 的水平。β-21S 在加工和使用期間具有顯著的抗氧化性能，更適合加工成薄板。β-21S 比其它 β合金能承受更高的溫度，長(zhǎng)時(shí)間工作溫度可達(dá)540℃。

由于具有更好的耐高溫性能，這種合金可以用作航空發(fā)動(dòng)機(jī)尾椎，此處噴口暴露于發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣。用 β-21S 代替鎳基合金可以大幅度減輕噴口和尾椎的重量。

5. 鈦鋁合金及應(yīng)用

鈦鋁合金，比近 α 型鈦合金具有更好的耐高溫性能。鈦鋁合金有多種金屬間化合物，主要有 Al 含量較少的 Ti3Al（α2）和 Al 含量較多的 TiAl（ ?）兩種。其中 ? 合金耐高溫能力達(dá)到 725℃，高于常規(guī)鈦合金的工作溫度。目前已有 ?合金用于發(fā)動(dòng)機(jī)制造，在商用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中用作低壓渦輪葉片。

用 ? 合金制作747發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片

目前波音787 的 GEnx 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 以 及 空 客 A-320NEO和波音 737MAX 的 CFM LEAP 發(fā)動(dòng)機(jī)兩級(jí)低壓渦輪（LPT）工 作 葉 片 均 釆 用 ? 合金 Ti-48Al-2Nb-2Cr 制造。

使用這種合金使 GEnx 發(fā)動(dòng)機(jī)每級(jí)葉片減重約 90kg。2006年美國 GE 公司使用 Ti-48Al-2Nb-2Cr 合金作為在 GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)中第 6、7 級(jí)低壓渦輪葉片。這是鈦鋁合金大規(guī)模進(jìn)入實(shí)際關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用。

6. 結(jié)語

對(duì)美歐航空航天鈦及鈦合的梳理分析表明，近年來國外開發(fā)的高溫鈦合金、低溫鈦合金、高強(qiáng)高韌 β 型鈦合金、阻燃鈦合金和損傷容限型鈦合金在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，代表了航空航天高性能鈦合金材料的發(fā)展方向。

（1）高溫鈦合金。20 世紀(jì) 50 年代開發(fā)的高溫鈦合金以美國開發(fā)的 Ti-6Al-4V 合金為代表，其適應(yīng)溫度為 300-350。后來開發(fā)的高溫鈦合金以近 α 型為主，以美國開發(fā)的 Ti-6-2-4-2S、Ti-1100，英國開發(fā)的 IMI834 以及俄羅斯開發(fā)的 BT-36 為代表，使用溫度高達(dá) 600℃。高溫鈦合金以其優(yōu)良的熱強(qiáng)性和高的比強(qiáng)度，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中獲得了廣泛的應(yīng)用。高溫鈦合金的另一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是鈦鋁合金，即以鈦鋁為基礎(chǔ)的 Ti3Al（α2）和 TiAl（ ?）金屬間化合物，其中 ? 合金耐高溫能力達(dá)到 725℃。鈦鋁合金成為未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)及飛機(jī)結(jié)構(gòu)件具競(jìng)爭(zhēng)力的材料。

（2）低溫鈦合金。一些鈦和鈦合金在低溫和超低溫下仍能保持其原有的機(jī)械性能。美國對(duì)于低溫鈦合金的研究主要集中于 α 型 Ti-5Al-2.5Sn ELI 以及 α+β 型鈦合金Ti-6Al-4V ELI，通過降低間歇元素含量 , 兩種鈦合金在20K 極低溫度下保持良好的強(qiáng)度和韌性，用于低溫容器、低溫管道以及液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪。

（3）高強(qiáng)鈦合金。高強(qiáng)度鈦合金一般指抗拉強(qiáng)度在1000MPa 以上的鈦合金，國外高強(qiáng)鈦合金研發(fā)主要以美國和俄羅斯為主。β 合金是強(qiáng)度鈦合金，目前代表國際先進(jìn)水平并在航空領(lǐng)域獲得實(shí)際應(yīng)用的高強(qiáng)度鈦合金主要為 β 型鈦合金，如美國 Ti-10-2-3、Ti-15-3-3-3 和β-21S，俄羅斯 Ti-5-5-5-3-1 等，主要用于強(qiáng)度要求較高的結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)起落架以及機(jī)身等部件。

（4）阻燃鈦合金。為解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金材料的“鈦燃燒”問題，以滿足高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的需要，美國和俄羅斯從 20 世紀(jì) 70 年代開始就開展阻燃鈦合金的研制。阻燃鈦合金主要包括兩個(gè)合金系 ：美國的 Ti-V-Cr 系 Alloy C（T-35V-15Cr）；俄羅斯的 Ti-Cu-Al 系 BTT-1、BTT-3。其中 Alloy C是一種穩(wěn)定β型阻燃鈦合金，具有較高的室溫和高溫強(qiáng)度，良好的蠕變強(qiáng)度，優(yōu)異的疲勞強(qiáng)度和冷成形性，已成功應(yīng)用于 F119 發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)機(jī)匣、導(dǎo)向葉片和矢量尾噴管。

（5）損傷容限鈦合金。為了滿足新型飛機(jī)對(duì)材料比強(qiáng)度、抗疲勞性能、裂紋擴(kuò)展性能、斷裂韌性、壽命期成本等綜合性能的要求，國外已研制出高斷裂韌性和低裂紋擴(kuò)展速率的損傷容限型鈦合金，以美國開發(fā)的 α+β 型合金 Ti-6Al-4V ELI及 Ti-6-2-2-2-2S為代表。Ti-6Al-4V ELI為中強(qiáng)損傷容限鈦合金，Ti-6-2-2-2-2S 為高強(qiáng)損傷容限鈦合金，在美國 F-22 戰(zhàn)斗機(jī)得到大量應(yīng)用。