航空TC4/TC21鈦合金材料的應用現狀與發展趨勢

引言

鈦是20 世紀50 年代發展起來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、無毒、無磁性，并且與碳 纖維復合材料的相容性較好等許多優異特性，是一種具有很大發展潛力和應用前景的新型功能材料，是航空航天工業中極其重要的結構材料，被譽為正在崛起的“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實用型鈦合金——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，世界鈦工業和鈦材加工技術得到了飛速發展，海綿鈦和鈦合金加工材的生產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“等離子高溫分離 鈦-鋁礦”技術的研發成功，中國成為繼美國和俄羅斯之后能直接生產金屬鈦粉末的世界第三大鈦工業國。在航空領域中，鈦合金棒、鈦合金板、鈦合金管等鈦及鈦合金已經成為不可或缺的材料，發揮著關鍵作 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動機先進性的重要標志之一，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Alloy C(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（鈦合金棒、鈦合金管、鈦合金板、鈦合金鍛件）主要應用于飛機結構件、發動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。發動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，主要應用領域有壓氣機盤、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量的20％ ~ 25％，美國第五代戰斗機F-35 用鈦量達到27％(質量分數，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，創造了迄今為止戰斗機鈦用量的最高世界紀錄。美國B1 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)，其鈦合金使用量高達93％，被稱為“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，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60 t，而A350 客機的鈦用量進一步提高到14％左右。同時，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

隨著我國航空事業的發展，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域，用于航空領域的鈦材占比不到

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展時期，兩款主力機型—ARJ-21 和C919 將需要大量的航空鈦材，中俄聯合研制的寬體客機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，我國航空鈦合金產業取得了很大的發展，自主研發的新型鈦合金數量已超過30 種，其中許多已成熟并批量用于飛機機體和發動機，建成了具有一定規模的航空鈦合金研制與生產基地，建立了整套航空鈦合金材料、熱工藝及理化檢測標準，但與鈦工業發達國家相比仍有一定差距，尚不能滿足國家工程的需求[8，10] 。

2.2 我國航空鈦合金應用面臨的挑戰

經過半個世紀的發展，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國外水平。但是前期的研制主要是在仿制的基礎上，經 過長期的摸索，我國部分鈦合金的研制已經具有自主知識產權，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展空間[23-28] 。

其次，在成本上，航空鈦合金產品由于原材料價格昂貴、加工工藝復雜，以及航空產品的性能要求高等特點，航空鈦合金產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，如利用更廉價的元素(如Fe 等)來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來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，尚未實現航空鈦合金產品的工程應用[6，29-33] 。

最后，隨著航空鈦合金近凈成形新工藝的發展，激光增材制造技術為航空鈦合金的加工成形開辟了一條新的工藝路徑。經過眾多學者的研究，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達到鍛件水平，但是由于制造過程中，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性能各向異性明顯。另外增材制造專用航空鈦合金開發滯后、金屬增材制造構件無損檢測方法的不完善以及相關增材制造技術系統化標準的缺乏，在很大程度上制約了航空鈦合金增材制造技術的工程應用[34-35] 。

3、航空鈦合金的發展趨勢

隨著航空科技的迅速發展，面對不斷提高的國防建設要求，新一代飛機必須滿足超高速、高空、長航時、超遠航程的需求。為了提高飛機的可靠性，先進飛機和發動機越來越多 地增加了鈦合金等高性能材料的用量，且結構越來越復雜[34] 。因此，航空鈦合金將向著低成本、高性能的方向發展，同時不斷進行新型牌號的自主研發和新工藝的開發。

3.1 強化低成本航空鈦合金的研究

航空工業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、檢測評價以及維護等產品的全生命周期，降低鈦合金成 本已經是行業發展的必然趨勢[7] 。用普通的Fe 元素替代昂貴的Nb、Mo 和V 等元素，以及大力發展近凈成形技術將成為降低航空鈦合金工程應用成本的兩個重點方向。

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足航空領域對材料高性能的要求。目前高溫鈦合金實際長時使用很難突破600 ℃，對于600 ℃以上航空鈦合金的研究仍處于試驗及中試階段，與大范圍開發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者關注的重點。未來對于高性能航空鈦合金的研究將傾向于對現有合金進行深入挖掘，同時開發新牌號合金的研究。

3.3 加強增材制造在航空鈦合金中的應用

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

4、結語

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的推動下正在高速向前推進，材料技術發展的又一次飛躍即將到來。未來我國航空用鈦合金的需求將會有較大 程度的增長。因此，我國各科研及生產單位應加強科研力度，在積累實際經驗的基礎上，發揮自主創新能力，扭轉仿制，獨立創新材料牌號，建立具有中國特色的航空鈦合金材 料體系。

參考文獻

1 原國森，兗利鵬，韓艷艷.熱加工工藝，2017，46(4)，13.

2 邵娟.稀有金屬與硬質合金，2007(4)，61.

3 黃張洪，曲恒磊，鄧超，等.材料導報:綜述篇，2011，25(1)，102.

4 馮秋元，佟學文，王儉，等.材料導報:綜述篇，2017，31(5)，128.

5 趙永慶.中國材料進展，2010，29(5)，1.

6 謝杰，陳建云，李子駿，等.鈦工業進展，2013，30(3)，1.

7 何蕾.金屬世界，2015(5)，4.

8 朱知壽.航空材料學報，2014，34(4)，44.

9 陳子勇，劉瑩瑩，靳艷芳，等.航空制造技術，2019，62(19)，22.

10 徐鐵偉.高強TB8 鈦合金相變行為與組織控制研究.博士學位論文， 西北工業大學，2016.

11 趙永慶，葛鵬.航空材料學報，2014，34(4)，51.

12 賈蔚菊，曾衛東，張堯武，等.中國有色金屬學報，2010，20(11)，2136.

13 Boyer R R， Briggs R D. Journal of Materials Engineering and Performance， 2005，14(6)，681.

14 呂冬蘭.世界有色金屬，2018(5)，230.

15 劉志成，張利軍，薛祥義.航空制造技術，2017(6)，76.

16 蔡建明，弭光寶，高帆，等.材料工程，2016，44(8)，1.

17 董瑞峰，李金山，唐斌，等.航空制造技術，2018，61(4)，86.

18 劉全明，張朝暉，劉世鋒，等.鋼鐵研究學報，2015，27(3)，1.

19 曹春曉.稀有金屬快報，2006(1)，17.

20 張寶柱，孫潔瓊.航空工程進展，2014，5(3)，275.

21 Kyong-Ho S I M. In:Proceedings of 2018 3rd International Conference onEducation， Management and Systems Engineering (EMSE 2018). Xiamen，2018，pp.191.

22 王運鋒，何蕾，郭薇.新材料產業，2016(1)，25.

23 王儉，馮秋元，張永強，等.鍛壓技術，2019，44(10)，1.

24 劉瑩瑩，陳子勇，金頭男，等.材料導報:綜述篇，2018，32(6)，1863.

25 房衛萍，陳淪，史耀武，等.材料工程，2010(9)，95.

26 朱知壽，王新南，童路，等.中國材料進展，2010，29(5)，14.

27 賴運金，張平祥，張賽飛，等.航空材料學報，2017，37(5)，22.

28 陳永楠，楊雯清，楊澤慧，等. 稀有金屬材料與工程，2019，48(11)，3608.

29 王同波，李伯龍，袁杰.機械工程材料，2017，41(3)，89.

30 朱知壽，王新南，商國強，等.航空材料學報，2016，36(3)，7.

31 陰中煒，孫彥波，張緒虎，等.材料導報:綜述篇，2019，33(4)，1099.

32 張文毓.航空制造技術，2011(5)，74.

33 Zhu Kailiang， Gui Na， Jiang Tao， et al. Metallurgical and MaterialsTransactions，2014，45(4)，1761.

34 張安峰，張金智，張曉星，等.精密成形工程，2019，11(4)，1.

35 林鑫，黃衛東.中國材料進展，2015，34(9)，684.

36 任永明，林鑫，黃衛東.稀有金屬材料與工程，2017，46(10)，3160.

37 王華明.航空學報，2014，35(10)，2690.

38 Barba D，Alabort C，Tang Y T， et al. Materials ＆ Design，2019.

39 Samodurova Marina， Logachev Ivan， Shaburova Nataliya， et al. Materials(Basel， Switzerland)， 2019，12(19)，3269.

40 Qian M， Bourell D L. JOM，DOI: 10.1007/ s11837-017-2630-1.