引言

鈦是20世紀50年代發(fā)展起來(lái)的一種重要的結構金屬，鈦及鈦合金具有密度低、比強度和比剛度高、耐腐蝕性能和低溫性能好、抗疲勞和蠕變性能好、無(wú)毒、無(wú)磁性，并且與碳纖維復合材料的相容性較好等許多優(yōu)異特性，是一種具有很大發(fā)展潛力和應用前景的新型功能材料，是航空航天工業(yè)中極其重要的結構材料，被譽(yù)為正在崛起的“第三金屬”、“智能金屬”等，是重要的戰略金屬材料[1-5]。

1954年美國研制出第一個(gè)實(shí)用型鈦合金——Ti-6Al-4V合金，由于具有較高的強度和較好的耐熱性、塑性、韌性、成形性、可焊性以及耐蝕性，其使用量占到了鈦合金總使用量的75％~85％，成為眾多鈦合金中的王牌合金[6]。

近年來(lái)，世界鈦工業(yè)和鈦材加工技術(shù)得到了飛速發(fā)展，海綿鈦和鈦合金加工材的生產(chǎn)和消費都達到了很高的水平。

我國鈦資源豐富，儲量居世界前列，隨著(zhù)“等離子高溫分離鈦-鋁礦”技術(shù)的研發(fā)成功，中國成為繼美國和俄羅斯之后能直接生產(chǎn)金屬鈦粉末的世界第三大鈦工業(yè)國。在航空領(lǐng)域中，鈦及鈦合金已經(jīng)成為不可或缺的材料，發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用[2，7]。

航空鈦合金的應用水平已成為衡量新一代飛機和新型發(fā)動(dòng)機先進(jìn)性的重要標志之一，可大幅度提高結構減重效果和安全可靠性[8]。目前常用的航空鈦合金主要有高溫鈦合金，如美國的Ti-6242S、Ti-1100，英國的IMI834，俄羅斯的BT36以及中國的Ti-60等;高強鈦合金，如β型鈦合金Ti-1023、Ti-15-3、β-21S、α-β型兩相鈦合金BT22以及中國的TB8、TB10、Ti-1300等;損傷容限鈦合金，如Ti-62222S合金、TC4-DT和TC21合金等;阻燃鈦合金，如美國的AlloyC(Ti-35V-15Cr)、英國的Ti-25V-15Cr-2Al-xC阻燃合金以及中國的Ti-40等[3，9-13]。

1、航空鈦合金的應用

航空鈦合金主要應用于飛機結構件、發(fā)動(dòng)機結構件以及航空緊固件等[14-17]。飛機結構鈦合金使用溫度要求一般為350℃以下，要求其具有高的比強度、良好的韌性、優(yōu)異的抗疲勞性能、良好的焊接工藝性能等，主要應用部位有起落架部件、框、梁、機身蒙皮、隔熱罩等。發(fā)動(dòng)機用鈦合金要求具有高的比強度、熱穩定性好、抗氧化和抗蠕變性能良好，主要應用領(lǐng)域有壓氣機盤(pán)、葉片、鼓筒、高壓壓氣機轉子、壓氣機機匣等。航空緊固件用鈦合金要求具有較好的加工性、無(wú)磁性、耐腐蝕性等，主要包括鈦合金鉚釘、鈦合金螺栓等。

1.1鈦合金在國外航空工業(yè)中的應用

在軍用飛機方面，國外第三代戰斗機用鈦量占機體結構總質(zhì)量的20％~25％，美國第五代戰斗機F-35用鈦量達到27％(質(zhì)量分數，下同)，F-22戰機用鈦量則高達41％，其機身主承力梁和框架采用鈦合金整體鍛造而成，創(chuàng )造了迄今為止戰斗機鈦用量的最高世界紀錄。美國B(niǎo)1轟炸機和B2轟炸機鈦合金用量分別為21％和26％。史上用鈦量最大的飛機是美國空軍使用的噴氣式遠程高空高速戰略偵察機SR-71(黑鳥(niǎo))，其鈦合金使用量高達93％，被稱(chēng)為“全鈦飛機”。美國運輸機用鈦量也由早期服役的C5的6％增至C17的10.3％，俄羅斯伊爾76運輸機用鈦量更是達到了12％[18-21]。

在民用飛機方面，鈦合金用量也在逐步增長(cháng)，空客飛機鈦用量已從第三代A320的4.5％增至第四代A340的6％，A380的用鈦量增加到了10％，單機用鈦量就達60t，而A350客機的鈦用量進(jìn)一步提高到14％左右。同時(shí)，波音飛機用鈦量從最初波音707的0.5％逐漸增至波音747的4％，再到波音777的7％，而波音787的用鈦量已提高到15％左右，其增速基本與空客飛機保持同步。俄羅斯的新型客機MS21鈦合金用量占比高達25％，是目前民用運輸機中的最高紀錄[19-21]。

1.2鈦合金在國內航空工業(yè)中的應用

我國的航空鈦合金用量也在不斷提升。軍用殲擊機從初始用鈦量只有2％的殲8，逐漸增加至用鈦量為4％的殲10，殲11用鈦量增加到15％，殲20用鈦量為20％，直到殲31用鈦量增至25％。大型軍用運輸機“運20”(鯤鵬)的鈦合金用量為10％，與美國先進(jìn)的C-17運輸機的鈦合金用量(10.3％)相當。

在民用飛機上，商用客機ARJ21的鈦合金用量為4.8％，而C919大型客機廣泛采用鈦合金，其用鈦量已達到9.3％，略高于波音777(7％)。C919飛機鈦合金主要應用部位有機頭、吊掛、尾翼、外翼和中央翼盒等[3，22]。

2、我國航空鈦合金應用的現狀及面臨的挑戰

2.1我國航空鈦合金應用現狀

隨著(zhù)我國航空事業(yè)的發(fā)展，對航空鈦合金的需求也逐漸增大。我國鈦資源儲量十分豐富，居世界首位，然而約42％的鈦材被用于傳統化工領(lǐng)域，用于航空領(lǐng)域的鈦材占比不到20％，遠遠低于50％左右的國際平均水平。我國民用航空飛機正處于發(fā)展時(shí)期，兩款主力機型—ARJ-21和C919將需要大量的航空鈦材，中俄聯(lián)合研制的寬體客機CR929預計鈦合金使用量將達到15％左右。未來(lái)空軍新老機型的加速更替將是大勢所趨，即將大量列裝我國空軍的新一代運輸機和新一代戰斗機，預計用鈦量遠遠高出傳統機型，將產(chǎn)生數以倍計的高端鈦合金增量需求。

目前，我國航空鈦合金產(chǎn)業(yè)取得了很大的發(fā)展，自主研發(fā)的新型鈦合金數量已超過(guò)30種，其中許多已成熟并批量用于飛機機體和發(fā)動(dòng)機，建成了具有一定規模的航空鈦合金研制與生產(chǎn)基地，建立了整套航空鈦合金材料、熱工藝及理化檢測標準，但與鈦工業(yè)發(fā)達國家相比仍有一定差距，尚不能滿(mǎn)足國家工程的需求[8，10]。

2.2我國航空鈦合金應用面臨的挑戰

經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀的發(fā)展，我國航空鈦合金從設計、制備及工程應用等方面都取得了很大進(jìn)展，并得到了廣泛的應用，但仍然面臨新的挑戰。

首先，在性能上，國內近十年來(lái)在新型鈦合金的研究方面非?；钴S，鈦合金研究水平與國外相當，在某些方面甚至超過(guò)國外水平。但是前期的研制主要是在仿制的基礎上，經(jīng)過(guò)長(cháng)期的摸索，我國部分鈦合金的研制已經(jīng)具有自主知識產(chǎn)權，如損傷容限的TC21鈦合金等，然而在新型鈦合金的工程應用方面還有很大的發(fā)展空間[23-28]。

其次，在成本上，航空鈦合金產(chǎn)品由于原材料價(jià)格昂貴、加工工藝復雜，以及航空產(chǎn)品的性能要求高等特點(diǎn)，航空鈦合金產(chǎn)品的成本不可避免地處于較高的水平。針對降低高性能鈦合金的使用成本，研究者目前主要從兩方面做出努力:一方面，降低鈦合金原料本身的成本，如利用更廉價(jià)的元素(如Fe等)來(lái)取代鈦合金中的貴重元素(V、Cr等);另一方面，降低鈦合金的加工成本，增加材料利用率，如利用近凈成形技術(shù)來(lái)替代傳統的鑄鍛工藝。目前鈦合金的低成本化大多還處于研制階段，尚未實(shí)現航空鈦合金產(chǎn)品的工程應 用[6，29-33]。

最后，隨著(zhù)航空鈦合金近凈成形新工藝的發(fā)展，激光增材制造技術(shù)為航空鈦合金的加工成形開(kāi)辟了一條新的工藝路徑。經(jīng)過(guò)眾多學(xué)者的研究，在性能方面激光增材制造鈦合金的強度、硬度、塑性及致密度等指標都已經(jīng)達到鍛件水平，但是由于制造過(guò)程中，熔池和基板存在很大的溫度梯度，最終成形件在不同方向的力學(xué)性能各向異性明顯。另外增材制造專(zhuān)用航空鈦合金開(kāi)發(fā)滯后、金屬增材制造構件無(wú)損檢測方法的不完善以及相關(guān)增材制造技術(shù)系統化標準的缺乏，在很大程度上制約了航空鈦合金增材制造技術(shù)的工程應用[34-35]。

3、航空鈦合金的發(fā)展趨勢

隨著(zhù)航空科技的迅速發(fā)展，面對不斷提高的國防建設要求，新一代飛機必須滿(mǎn)足超高速、高空、長(cháng)航時(shí)、超遠航程的需求。為了提高飛機的可靠性，先進(jìn)飛機和發(fā)動(dòng)機越來(lái)越多地增加了鈦合金等高性能材料的用量，且結構越來(lái)越復雜[34]。因此，航空鈦合金將向著(zhù)低成本、高性能的方向發(fā)展，同時(shí)不斷進(jìn)行新型牌號的自主研發(fā)和新工藝的開(kāi)發(fā)。

3.1強化低成本航空鈦合金的研究

航空工業(yè)對材料的要求更加注重性能與成本的平衡，不再一味追求高性能，低成本化將貫穿選材、結構設計、制造工藝、檢測評價(jià)以及維護等產(chǎn)品的全生命周期，降低鈦合金成本已經(jīng)是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢[7]。用普通的Fe元素替代昂貴的Nb、Mo和V等元素，以及大力發(fā)展近凈成形技術(shù)將成為降低航空鈦合金工程應用成本的兩個(gè)重點(diǎn)方向。

3.2強化高性能航空鈦合金的研究

盡管鈦合金具有良好的綜合性能，但現有的航空鈦合金仍不能完全滿(mǎn)足航空領(lǐng)域對材料高性能的要求。目前高溫鈦合金實(shí)際長(cháng)時(shí)使用很難突破600℃，對于600℃以上航空鈦合金的研究仍處于試驗及中試階段，與大范圍開(kāi)發(fā)應用還有很大的距離[8]。另外，阻燃鈦合金、高強高韌及損傷容限型鈦合金的批次穩定性研究及應用已成為眾多學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。未來(lái)對于高性能航空鈦合金的研究將傾向于對現有合金進(jìn)行深入挖掘，同時(shí)開(kāi)發(fā)新牌號合金的研究。

3.3加強增材制造在航空鈦合金中的應用

隨著(zhù)近年來(lái)增材制造技術(shù)的發(fā)展及應用，激光增材制造鈦合金技術(shù)克服了傳統技術(shù)難以生產(chǎn)復雜鈦合金構件、鈦合金冷加工變形抗力大等缺點(diǎn)，對大型整體結構件的制造提供了新的技術(shù)途徑，且其具有與鍛件相當的力學(xué)性能，北京航空航天大學(xué)已成功研制了(某大型轟炸機)某發(fā)動(dòng)機鈦合金加強框[35-40]。航空鈦合金的增材制造技術(shù)的研究及應用將為航空鈦合金加工成形開(kāi)辟一條新的先進(jìn)制造途徑。

4、結語(yǔ)

一代材料，一代裝備。航空鈦合金在軍事需求牽引和高新技術(shù)的推動(dòng)下正在高速向前推進(jìn)，材料技術(shù)發(fā)展的又一次飛躍即將到來(lái)。未來(lái)我國航空用鈦合金的需求將會(huì )有較大程度的增長(cháng)。因此，我國各科研及生產(chǎn)單位應加強科研力度，在積累實(shí)際經(jīng)驗的基礎上，發(fā)揮自主創(chuàng )新能力，扭轉仿制，獨立創(chuàng )新材料牌號，建立具有中國特色的航空鈦合金材料體系。

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Yi Li， researcher-level senior engineer of AVIC Aircraft Co.， Ltd. He is currently pursuing his Ph.D. in School of Materials Science and Engineering， Northwestern Polytechnical University. His research has focused on aviation titanium alloy material， aluminum alloy mate-rial and forging and casting technology of aviation com-ponents. As a deputy editor， he participated in the com-pilation of 6 national military standards.

李毅，中航飛機股份有限公司研究員級高級工程師，西北工業(yè)大學(xué)在讀博士研究生。 主要研究領(lǐng)域:航空鈦合金材料、鋁合金材料及航空構件的鍛鑄工藝技術(shù)，作為副主編參與 6 項國軍標的編制。

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