F-22框鍛件。

鈦合金唇口。

海綿鈦。

鈦基復(fù)合材料。

鈦合金螺栓。

中國(guó)航空?qǐng)?bào)訊：鈦是以希臘神話中的大力神（Titans）來(lái)命名的，它的發(fā)現(xiàn)要追溯到18世紀(jì)末期。1791年，英國(guó)牧師兼業(yè)余礦物學(xué)家威廉·格列戈?duì)枏囊环N黑色的磁鐵礦砂（鈦磁鐵礦）中發(fā)現(xiàn)了一種新元素，并稱其為“墨納昆”。1795年，德國(guó)化學(xué)家M·H·克拉普羅特從一種非磁性的氧化物礦（天然金紅石礦）中發(fā)現(xiàn)了一種新元素命名為“鈦土”。幾年后證明，這兩種礦物中發(fā)現(xiàn)的所謂“墨納昆”和“鈦土”其實(shí)是同一種元素（Ti）的氧化物。

鈦化學(xué)活性高，在熔煉溫度下會(huì)與許多元素反應(yīng)，包括與耐火材料表面發(fā)生反應(yīng)，故鈦提煉相當(dāng)困難。1910年，美國(guó)科學(xué)家采用“鈉法”（鈉還原TiCl4）獲得純度較高的金屬鈦，但鈦工業(yè)并沒(méi)有立即發(fā)展起來(lái)。直到第二次世界大戰(zhàn)后，盧森堡科學(xué)家發(fā)明的“鎂法”（鎂還原TiCl4）在美國(guó)用于生產(chǎn)之后鈦工業(yè)才開始起步。1948年杜邦公司已經(jīng)可以生產(chǎn)出噸位級(jí)海綿鈦，海綿鈦的規(guī)?；a(chǎn)奠定了鈦工業(yè)的基礎(chǔ)。

20世紀(jì)50年代以來(lái)，隨著航空航天工業(yè)的快速發(fā)展，鈦合金材料及其應(yīng)用得到了極大發(fā)展。1953年首飛的道格拉斯DC-7飛機(jī)，首次將鈦合金應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)艙和隔熱板的設(shè)計(jì)中。1964年，首個(gè)“全鈦”高空高速戰(zhàn)略偵察機(jī)SR-71“黑鳥”首飛，鈦合金用量達(dá)到了飛機(jī)結(jié)構(gòu)總重量的93%。

鈦合金的用量常被當(dāng)作衡量飛機(jī)選材先進(jìn)程度和航空工業(yè)發(fā)展水平的指標(biāo)，與飛機(jī)作戰(zhàn)能力密切相關(guān)。美國(guó)F-15飛機(jī)結(jié)構(gòu)鈦合金重量占比約26%，第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-22飛機(jī)結(jié)構(gòu)鈦合金重量占比則高達(dá)38.8%。F15飛機(jī)配備的F100-PW100渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)鈦用量為25%～30%，F(xiàn)-22的V2500發(fā)動(dòng)機(jī)鈦用量提高到了31%。

目前，航空工業(yè)的鈦材用量占世界鈦材市場(chǎng)總量一半以上，是實(shí)至名歸的航空材料。

鈦及鈦合金

鈦元素分布廣泛，其含量超過(guò)地殼質(zhì)量的0.4%，全球探明儲(chǔ)量約34億噸，在所有元素中含量居第10位。海綿鈦經(jīng)過(guò)粉碎、放入真空電弧爐里熔煉，才能鑄成鈦錠，而后經(jīng)加工制成各種鈦材。盡管真空熔煉工藝要求嚴(yán)格、設(shè)備復(fù)雜、成本高，但仍是獲得優(yōu)質(zhì)鈦、鈦合金鑄錠的唯一可行途徑，這也是鈦合金成本高昂的原因之一。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，航空用鈦合金鑄錠需經(jīng)過(guò)三次真空熔煉獲得，以確保其成分的均勻性。

海綿鈦生產(chǎn)是鈦工業(yè)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，近年來(lái)我國(guó)海綿鈦的產(chǎn)量已經(jīng)位居世界前列，但高品質(zhì)的海綿鈦產(chǎn)量偏低，優(yōu)質(zhì)零級(jí)海綿鈦生產(chǎn)比例僅為40%。我國(guó)的鈦合金產(chǎn)品總體質(zhì)量仍需提高、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)仍需優(yōu)化。

純鈦的強(qiáng)度很低，做成航空航天結(jié)構(gòu)材料沒(méi)有工業(yè)實(shí)用價(jià)值。第一個(gè)得到工業(yè)化應(yīng)用的鈦合金是1953年美國(guó)凱斯勒和翰森開發(fā)的Ti-6Al-4V（TC4）。由于它具有耐熱、強(qiáng)韌、可焊接、耐腐蝕和抗疲勞等優(yōu)異性能，已成為目前應(yīng)用范圍最廣的一種鈦合金。20世紀(jì)70年代以來(lái)，在TC4基礎(chǔ)上又開發(fā)出了一系列的耐蝕鈦合金。目前，結(jié)構(gòu)鈦合金已逐漸向高強(qiáng)、高韌、高模量、抗疲勞和損傷容限等方向發(fā)展。

鈦合金分類及制造方式

在鈦合金材料命名方面，國(guó)內(nèi)通常將α型鈦合金（包括近α型合金）以TA命名，β型鈦合金（包括近β型合金）以TB命名，兩相混合的α+β型鈦合金以TC命名。如應(yīng)用最為廣泛的兩項(xiàng)混合型鈦合金Ti-6Al-4V，其對(duì)應(yīng)的國(guó)內(nèi)牌號(hào)為TC4。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3620.1-2007在1994年版本基礎(chǔ)上，新納入54個(gè)牌號(hào)、刪除兩個(gè)牌號(hào)，鈦及鈦合金牌號(hào)總數(shù)量達(dá)到76個(gè)。鈦合金的材料種類有棒材、絲材、板材、帶材、鍛件等。

經(jīng)過(guò)最近三個(gè)“五年計(jì)劃”的材料研制，具有中國(guó)特色的新一代飛機(jī)骨干鈦合金材料已初具規(guī)模。我國(guó)自主研發(fā)的中強(qiáng)高損傷容限型鈦合金TC4-DT，名義成分與TC4相同，但降低了氧含量、斷裂韌度得到提高。Ti45Nb（絲材）、TA18（管材）、TB8（板材、絲材、鍛件）、TC21（鍛件）等新材料也得到了良好的應(yīng)用。結(jié)合已有的TC1/TC2（板材）、TC4（鍛件、板材、絲材）和ZTC4鑄造鈦合金，形成了從低強(qiáng)高塑性、中強(qiáng)高塑性、高強(qiáng)高塑性、超高強(qiáng)鈦合金和鑄造鈦合金的完整主干材料體系。

鈦合金及其零部件的制備與加工方法主要包括真空熔煉、鍛造、機(jī)械加工、熱處理、凈近成形、焊接及表面處理。由于鈦具有高化學(xué)活性，鈦及其合金的鑄錠熔煉必須采用真空熔煉方法。鍛造變形是改變鑄鈦組織、獲得所需要的組織類型的關(guān)鍵手段。鈦合金的機(jī)械加工主要包括銑削加工、車削、鏜孔、鉆孔、攻絲等。高切削溫度、與刀具發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、彈性模量較低是鈦合金難以加工的主要原因。鈦合金的熱處理主要有退火、固溶和時(shí)效等。

近凈成形技術(shù)包括精密鑄造、等溫鍛造、粉末冶金、超塑成形/擴(kuò)散連接、激光快速成形、粉末注射成形等。近凈成形是提高材料利用率、通過(guò)工藝控制可達(dá)到一定的性能和外形尺寸要求的先進(jìn)加工技術(shù)。先進(jìn)的鈦合金焊接技術(shù)有激光焊接、電子束焊接等。鈦合金對(duì)表面狀態(tài)、表面完整性非常敏感，由于其表面硬度低而易發(fā)生微動(dòng)磨蝕等問(wèn)題。近些年來(lái)，鈦合金表面處理技術(shù)也獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。熱滲鍍、氣相沉積、三束改性、轉(zhuǎn)化膜、形變強(qiáng)化、熱噴涂、化學(xué)鍍、電鍍等技術(shù)發(fā)展迅速。

鈦合金在航空航天上的應(yīng)用

鈦合金在航空工業(yè)上的應(yīng)用分為飛機(jī)結(jié)構(gòu)鈦合金和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)鈦合金。航天方面，鈦合金主要作為火箭、導(dǎo)彈及宇宙飛船等的結(jié)構(gòu)、容器制造材料。飛機(jī)結(jié)構(gòu)鈦合金使用溫度要求一般為350℃以下，要求具有高的比強(qiáng)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。發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金要求具有高的比強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性好、抗氧化、抗蠕變等性能。航天飛行器除航空用鈦合金的性能需求外，還要求能夠耐高溫、抗輻射等。

飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件主要應(yīng)用部位有起落架部件、框、梁、機(jī)身蒙皮、隔熱罩等。俄羅斯的伊爾-76飛機(jī)采用高強(qiáng)度BT22鈦合金制造起落架和承力梁等關(guān)鍵部件。波音747主起落架傳動(dòng)橫梁材料為Ti-6Al-4V，鍛件長(zhǎng)6.20米、寬0.95米，質(zhì)量達(dá)1545千克。高強(qiáng)高韌Ti-62222S鈦合金被用在C-17飛機(jī)水平安定面轉(zhuǎn)軸關(guān)鍵部位。F-22飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)所處的后機(jī)身區(qū)域及機(jī)尾隔熱罩設(shè)計(jì)為鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)，具備良好的耐溫性能。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)方面，鈦合金材料的應(yīng)用領(lǐng)域有壓氣機(jī)盤、葉片、鼓筒、高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、壓氣機(jī)機(jī)匣等?，F(xiàn)代渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)重量的30%左右為采用鈦合金材料制造，鈦合金的應(yīng)用降低了壓縮機(jī)葉片和風(fēng)扇葉片的質(zhì)量，同時(shí)還延長(zhǎng)了零部件的壽命與檢查間隔。波音747-8GENX發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的前緣與尖部，采用了鈦合金防護(hù)套，在10年的服役期內(nèi)僅做過(guò)3次更換。

航空用鈦合金鍛件需要經(jīng)過(guò)鑄錠、制坯、模鍛、機(jī)加等過(guò)程，獲得所需要的材料組織和性能，往往用其來(lái)制造飛機(jī)骨架主承力構(gòu)件和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子等。按照HB5024-1989，大型鍛件的外徑不小于500毫米。隨著飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，航空鍛件的質(zhì)量要求越來(lái)越高、尺寸越來(lái)越大、形狀越來(lái)越復(fù)雜。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件外形復(fù)雜，材料利用率一般不超過(guò)10%。F-22飛機(jī)四個(gè)大型主承力加強(qiáng)框材料為Ti-6Al-4V ELI，模鍛件的投影面積為4.06～5.67平方米。近年來(lái)，我國(guó)航空鈦合金的專業(yè)化鍛造設(shè)備有了大幅度提升，現(xiàn)已經(jīng)可以生產(chǎn)出5平方米級(jí)別的鈦合金整體鍛件。

航天飛行器在超高溫、超低溫、高真空、高應(yīng)力、強(qiáng)腐蝕等極端條件下工作，除需要高超的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)外，還依賴材料所具有的優(yōu)異特性和功能。鈦合金在制造燃料儲(chǔ)箱、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、火箭噴嘴導(dǎo)管、人造衛(wèi)星外殼等方面得到了典型應(yīng)用。

由于鈦合金材料優(yōu)異的性能，某些航空飛行器的重點(diǎn)部位也采用鈦合金材料制造。如進(jìn)氣道唇口是采用鈦合金材料3D打印方式制造的零件，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)件與功能件的整體化設(shè)計(jì)、制造等。

航空航天工業(yè)中常用的鈦合金緊固件主要包括鉚釘、螺栓及特種緊固件等。

美國(guó)F-22飛機(jī)上使用的鈦合金緊固件有：高強(qiáng)鈦合金螺栓、環(huán)槽釘、光桿錐度高鎖螺栓、自?shī)A持螺栓、鈦鈮鉚釘及粘接螺母。我國(guó)2014年首飛的國(guó)產(chǎn)商用大飛機(jī)C919，單機(jī)鈦合金緊固件用量達(dá)20萬(wàn)件以上。鈦合金緊固件的開發(fā)和應(yīng)用，為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步減重提供了可能。波音747飛機(jī)緊固件以鈦代鋼后，其結(jié)構(gòu)重量減輕1814千克。俄羅斯的伊爾-96飛機(jī)一架用14.2萬(wàn)緊固件，以鈦代鋼后減重600千克。

鈦合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，其正電位與碳纖維復(fù)合材料相匹配，可有效防止緊固件的電位腐蝕。Ti45Nb合金是美國(guó)航空航天工業(yè)大量應(yīng)用的鉚釘材料，該材料在退火狀態(tài)具有較好的拉伸性能和剪切強(qiáng)度，可替代純鈦鉚釘。Ti45Nb材料還具有較高的塑性，適合于復(fù)合材料制造用連接鉚釘。

近年來(lái)，美鋁公司開發(fā)的Timeta1555鈦合金高強(qiáng)螺栓，其固溶時(shí)效后抗拉強(qiáng)度達(dá)1300MPa以上、雙剪切強(qiáng)度大于745MPa，延伸率大于10%。為了緊跟國(guó)際高端鈦合金緊固件的發(fā)展趨勢(shì)，西工大超晶公司與信陽(yáng)航天標(biāo)準(zhǔn)件廠聯(lián)合研發(fā)了緊固件專用TB8鈦合金棒絲材，用其制造的螺栓抗拉強(qiáng)度高達(dá)1280MPa。鈦合金緊固件研發(fā)是一項(xiàng)非常復(fù)雜和長(zhǎng)期的工作。

鈦合金產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向

未來(lái)航空飛行器對(duì)鈦合金的需求應(yīng)該是兼具更高強(qiáng)度、更高韌性、更高損傷性能、更高耐高溫性能等。鈦合金材料應(yīng)用發(fā)展方向?qū)⑹牵盒滦透叱瑥?qiáng)度結(jié)構(gòu)鈦合金、高性能的損傷容限型鈦合金、低成本抗疲勞鈦合金、新型高溫結(jié)構(gòu)鈦合金、先進(jìn)TiAl基材料、鈦基復(fù)合材料等方面。

現(xiàn)代飛行器對(duì)結(jié)構(gòu)減重的需求越來(lái)越迫切，除鈦合金材料外，復(fù)合材料在飛行結(jié)構(gòu)上也得到了大量應(yīng)用。波音787飛機(jī)復(fù)合材料用量達(dá)到了50%，空客A380復(fù)材用量也達(dá)到了25%。就目前來(lái)講，復(fù)合材料還不能全面替代金屬，金屬材料還不可或缺。鈦合金與碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料彈性模量匹配、熱膨脹系數(shù)相近；并具有很好的化學(xué)相容性，不易發(fā)生電位腐蝕。F-18“大黃蜂”的翼身接頭曾采用了鈦合金接頭零件與復(fù)合材料蒙皮階梯形粘接的設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)數(shù)年的服役考驗(yàn)，該項(xiàng)設(shè)計(jì)的可靠性得到了驗(yàn)證。伴隨復(fù)材用量的增長(zhǎng)，鈦合金材料用量也將進(jìn)一步增加。

從近年來(lái)的開源信息可知，美國(guó)對(duì)下一代飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料的要求是更輕質(zhì)高效、成本可控。按照2006年幣值計(jì)算，F(xiàn)-22的單機(jī)成本約為3.61億美元。F-35最初成本目標(biāo)為3500萬(wàn)美元，后增至1.38億美元。在龐大的成本開支中，鈦合金制造成本高是一個(gè)不可忽視的因素。低成本鈦合金是用Fe、O等元素代替比較昂貴的V、Mo等元素。美國(guó)Timetal公司采用廉價(jià)的Fe-Mo中間合金形式添加Fe元素，代替價(jià)格昂貴的V元素，開發(fā)出了一種高強(qiáng)度低成本的β型鈦合金Timetal-LCB，目標(biāo)是替代價(jià)格較貴的Ti-10V-2Fe-3Al合金。

鈦合金焊接、近凈成形、冷成形等也是提高材料利用率、降低工藝成本的有效方式。電子束焊接、激光焊接等先進(jìn)焊接技術(shù)，已在國(guó)內(nèi)的一些型號(hào)上得到了成功應(yīng)用。北航、西工大等一批激光成形團(tuán)隊(duì)，在鈦合金新技術(shù)應(yīng)用方面取得了不錯(cuò)的成績(jī)。

在新型高溫鈦合金研究方面，國(guó)內(nèi)曾在英國(guó)IMI829的550℃高溫鈦合金和美國(guó)的600℃的Ti-1100高溫鈦合金的基礎(chǔ)上，分別添加不到1%的稀土元素Gd和Y元素，通過(guò)形成稀土氧化物，凈化晶界、細(xì)化晶粒，提高了合金的強(qiáng)度、蠕變和持久性能。TA12（Ti55）是中科院金屬所與寶鈦集團(tuán)、北京航空材料研究院共同研制的一種近α型高溫鈦合金，設(shè)計(jì)使用溫度為550℃。目前，Ti55材料相對(duì)成熟，穩(wěn)定的使用溫度范圍為550℃～600℃。Ti65材料的設(shè)計(jì)使用溫度為600℃～650℃，相應(yīng)的研究工作正在有序開展中。

近年來(lái)國(guó)外把采用快速凝固/粉末冶金技術(shù)、纖維或顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料研制鈦合金作為高溫鈦合金的發(fā)展方向，使鈦合金的使用溫度可提高到650℃以上。中科院金屬所研發(fā)的鎢芯鈦基復(fù)合材料，已經(jīng)在一定范圍內(nèi)得到了應(yīng)用。