引言

鈦是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦及鈦合金具有密度低、比強(qiáng)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(fù)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?jié)摿蛻?yīng)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(jié)構(gòu)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(zhàn)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(qiáng)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(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(fèi)都達(dá)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(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)揮著關(guān)鍵作用[2，7]。

航空鈦合金的應(yīng)用水平已成為衡量新一代飛機(jī)和新型發(fā)動機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一，可大幅度提高結(jié)構(gòu)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(qiáng)鈦合金，如β型鈦合金Ti-1023、Ti-15-3、β-21S、α-β型兩相鈦合金B(yǎng)T22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(yīng)用

航空鈦合金主要應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)件以及航空緊固件等[14-17]。飛機(jī)結(jié)構(gòu)鈦合金使用溫度要求一般為350℃以下，要求其具有高的比強(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，主要應(yīng)用部位有起落架部件、框、梁、機(jī)身蒙皮、隔熱罩等。發(fā)動機(jī)用鈦合金要求具有高的比強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性好、抗氧化和抗蠕變性能良好，主要應(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。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(yè)中的應(yīng)用

在軍用飛機(jī)方面，國外第三代戰(zhàn)斗機(jī)用鈦量占機(jī)體結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的20％~25％，美國第五代戰(zhàn)斗機(jī)F-35用鈦量達(dá)到27％(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，F(xiàn)-22戰(zhàn)機(jī)用鈦量則高達(dá)41％，其機(jī)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(zhàn)斗機(jī)鈦用量的最高世界紀(jì)錄。美國B1轟炸機(jī)和B2轟炸機(jī)鈦合金用量分別為21％和26％。史上用鈦量最大的飛機(jī)是美國空軍使用的噴氣式遠(yuǎn)程高空高速戰(zhàn)略偵察機(jī)SR-71(黑鳥)，其鈦合金使用量高達(dá)93％，被稱為“全鈦飛機(jī)”。美國運(yùn)輸機(jī)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(yùn)輸機(jī)用鈦量更是達(dá)到了12％[18-21]。

在民用飛機(jī)方面，鈦合金用量也在逐步增長，空客飛機(jī)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(jī)用鈦量就達(dá)60t，而A350客機(jī)的鈦用量進(jìn)一步提高到14％左右。同時(shí)，波音飛機(jī)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(jī)保持同步。俄羅斯的新型客機(jī)MS21鈦合金用量占比高達(dá)25％，是目前民用運(yùn)輸機(jī)中的最高紀(jì)錄[19-21]。

1.2鈦合金在國內(nèi)航空工業(yè)中的應(yīng)用

我國的航空鈦合金用量也在不斷提升。軍用殲擊機(jī)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(yùn)輸機(jī)“運(yùn)20”(鯤鵬)的鈦合金用量為10％，與美國先進(jìn)的C-17運(yùn)輸機(jī)的鈦合金用量(10.3％)相當(dāng)。

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

2、我國航空鈦合金應(yīng)用的現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)

2.1我國航空鈦合金應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著我國航空事業(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(tǒng)化工領(lǐng)域，用于航空領(lǐng)域的鈦材占比不到20％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于50％左右的國際平均水平。我國民用航空飛機(jī)正處于發(fā)展時(shí)期，兩款主力機(jī)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(jī)CR929預(yù)計(jì)鈦合金使用量將達(dá)到15％左右。未來空軍新老機(jī)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(yùn)輸機(jī)和新一代戰(zhàn)斗機(jī)，預(yù)計(jì)用鈦量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出傳統(tǒng)機(jī)型，將產(chǎn)生數(shù)以倍計(jì)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(shù)量已超過30種，其中許多已成熟并批量用于飛機(jī)機(jī)體和發(fā)動機(jī)，建成了具有一定規(guī)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(biāo)準(zhǔn)，但與鈦工業(yè)發(fā)達(dá)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(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

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

首先，在性能上，國內(nèi)近十年來在新型鈦合金的研究方面非常活躍，鈦合金研究水平與國外相當(dāng)，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(chǔ)上，經(jīng)過長期的摸索，我國部分鈦合金的研制已經(jīng)具有自主知識產(chǎn)權(quán)，如損傷容限的TC21鈦合金等，然而在新型鈦合金的工程應(yīng)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(fù)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)來替代傳統(tǒng)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(xiàn)航空鈦合金產(chǎn)品的工程應(yīng) 用[6，29-33]。

最后，隨著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辟了一條新的工藝路徑。經(jīng)過眾多學(xué)者的研究，在性能方面激光增材制造鈦合金的強(qiáng)度、硬度、塑性及致密度等指標(biāo)都已經(jīng)達(dá)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(xué)性能各向異性明顯。另外增材制造專用航空鈦合金開發(fā)滯后、金屬增材制造構(gòu)件無損檢測方法的不完善以及相關(guān)增材制造技術(shù)系統(tǒng)化標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用[34-35]。

3、航空鈦合金的發(fā)展趨勢

隨著航空科技的迅速發(fā)展，面對不斷提高的國防建設(shè)要求，新一代飛機(jī)必須滿足超高速、高空、長航時(shí)、超遠(yuǎn)航程的需求。為了提高飛機(jī)的可靠性，先進(jìn)飛機(jī)和發(fā)動機(jī)越來越多地增加了鈦合金等高性能材料的用量，且結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜[34]。因此，航空鈦合金將向著低成本、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)和新工藝的開發(fā)。

3.1強(qiáng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、檢測評價(jià)以及維護(hù)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(yīng)用成本的兩個(gè)重點(diǎn)方向。

3.2強(qiáng)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(xiàn)有的航空鈦合金仍不能完全滿足航空領(lǐng)域?qū)Σ牧细咝阅艿囊蟆Ｄ壳案邷剽伜辖饘?shí)際長時(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(yàn)及中試階段，與大范圍開發(fā)應(yīng)用還有很大的距離[8]。另外，阻燃鈦合金、高強(qiáng)高韌及損傷容限型鈦合金的批次穩(wěn)定性研究及應(yīng)用已成為眾多學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。未來對于高性能航空鈦合金的研究將傾向于對現(xiàn)有合金進(jìn)行深入挖掘，同時(shí)開發(fā)新牌號合金的研究。

3.3加強(qiáng)增材制造在航空鈦合金中的應(yīng)用

隨著近年來增材制造技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，激光增材制造鈦合金技術(shù)克服了傳統(tǒng)技術(shù)難以生產(chǎn)復(fù)雜鈦合金構(gòu)件、鈦合金冷加工變形抗力大等缺點(diǎn)，對大型整體結(jié)構(gòu)件的制造提供了新的技術(shù)途徑，且其具有與鍛件相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能，北京航空航天大學(xué)已成功研制了(某大型轟炸機(jī))某發(fā)動機(jī)鈦合金加強(qiáng)框[35-40]。航空鈦合金的增材制造技術(shù)的研究及應(yīng)用將為航空鈦合金加工成形開辟一條新的先進(jìn)制造途徑。

4、結(jié)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(shù)的推動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。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(chǎn)單位應(yīng)加強(qiáng)科研力度，在積累實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，發(fā)揮自主創(chuàng)新能力，扭轉(zhuǎn)仿制，獨(dú)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(jī)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(gòu)件的鍛鑄工藝技術(shù)，作為副主編參與 6 項(xiàng)國軍標(biāo)的編制。

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