钛合金具有比强度高、耐蚀性好和耐高温的显著
特点，在20世纪50年代开始，首先由于航空航天技术
的迫切需要，钛工业得到了迅速的发展， 目前，钛合
金已经广泛应用于航空、航天、武器、化工、汽车、
体育、医疗等领域。根据钛合金的性能特点与用途，
钛合金大致可分为三种主要类别：结构合金、耐蚀合
金以及生物合金。航空领域中，结构材料要保证飞机
机体和发动机零件在复杂条件下具有良好的工作能力，
在．250～600℃之间，钛的比强度居于常用金属材料之
首，与密度更轻的铝合金相比，尤其具有更好的高温
强度，因此钛合金作为结构材料，很适用于航空发动
机部件以及其它航空构架的结构材料，航空材料已成
为钛合金最主要的应用之一。近年来，随着航空技术
的发展，军用及民用飞机不断换代，航空钛合金的发
展呈现两个特点：高用量和高性能。如美国F22战斗机
的钛用量达~142％ ，V2500发动机的钛用量达到3 1％，
民用飞机用量也在不断增长，预计到2020年，民用飞
机的钛市场将达到2．8万吨，对于高性能钛合金，新型
飞机逐渐追求轻量化，要求钛材具有更高的强度，先
进航空发动机需要更高的推重比，也要求钛材具有更
好的高温强度和阻燃性。可以说，钛合金的应用与发
展已成为航空技术发展的重要因素之一。
1 钛合金在航空领域的应用现状
1．1 钛合金在飞机机身构架中的应用
钛合金在机身构架中主要用于防火壁、蒙皮、隔
框、大梁、舱门、起落架、翼肋、紧固件、导管、拉
杆等部件。钛合金在使用初期，钛合金主要应用于受
力不大的结构件，如飞机支座、接头、框架、隔热板、
减速板等，其中不乏铸件，其中最早应用的钛合金铸
件之一是襟翼滑轨。经过早期的这些相对简单的非关
键性结构件在飞机上的应用证明：钛合金在飞机上应
用是可靠的。从20世纪80年代开始，随着钛合金部件
成型技术和本身质量的大幅提升，不少受力结构件也
开始选用钛合金，如波音飞机上吊装CF6．80发动机的
安装吊架，是受力条件非常严峻的结构 ”。近年来，
美国、俄罗斯等发达国家对飞机机身上钛合金的用量
不断增加。在军用飞机领域，钛合金的用量发展是非
常迅速的，俄罗斯的伊尔76运输机的钛用量达到12％，
法国幻影2000和俄罗斯CY一27CK战斗机的钛用量分别
达到23％和180／／0[2]。表1为美国主要军用飞机上钛合金
的用量引，其中F．22和F．35战斗机、B1和B2轰炸机的钛
合金用量达到了20％以上。民用飞机的钛用量也在不
断扩大，目前国外主流民航机中机体用钛材量占机身
总重达到6％以上。表2为美国及欧洲民航飞机的钛用
量【 ，其中美国波音787飞机在研制过程中，为了达到
大幅减重以达到降低20％的油耗，投人3亿美元研发经
费，大量采用钛合金替代铝合金，最终整个飞机机体
钛合金用量达到11％，在民用飞机领域已达到了很高
的比重。俄罗斯正在研制的新一代客机MS-21的钛合
金用量达到了25％ ，计划在2016年向市场推出，将成
为世界上钛合金用量最高的民用飞机。
为了降低成本，钛合金铸件的应用范围也在不断
扩大。在20世纪90年代中期，美国研制的高性能第四
代歼击机F．22上已采用了大量的钛合金铸件，总重达
到600 kg，其中有些是非常重要的关键件，如机身壁
肋铸件和方向舵传动装置支架。军用运输机C一17的吊
挂头锥帽为钛合金整体薄壁精铸件，最薄壁厚1．25 mm，
最大壁厚差近9 mm[4]。美国波音757、767、777及787
也都采用了大量的钛合金铸件，其中波音777使用了两
种典型的钛合金铸件，一件是Apu风导管，另一件是
长度达到3 048 mm的形状复杂的隔热屏。欧盟国家制
造的A330／A340空中客车上也选用了大量钛合金铸件，
其中典型的是内着陆襟翼系统上的耳轴和飞机支撑
架_5]，A380客机的钛合金刹车扭力管由英国Doncasters
公司采用离心熔模精铸铸造技术研制，首次取代了锻
件[6】。我国在军用飞机上钛合金的应用起步较晚，我国
在20世纪80年代研发的歼八战斗机钛合金的用量仅为
2％，重量为93 ，歼十战斗机钛合金的用量提高到
3％，但与国外第三代、第四代军用飞机的钛用量相
比，仍然存在很大差距。近年来，我国加大了钛合金
在军用航空领域的应用，预计我国新一代高性能战斗
机的钛用量将达到25％～30％l 3_。在民用飞机领域，我
国商用支线客机ARJ21的钛合金用量为4．8％ ，我国自
主研发的C919大型客机的钛合金用量达到了9．3％，超
过了美国波音777飞机，2014年9月，C919客机首架机
在中国商飞公司新落成的总装制造中心正式开始机体
对接，这标志着C919大型客机研制项目全面进入结构
总装攻坚阶段，项目力争年底完成首架机机体结构对
接，2015年底实现首飞。
1．2 钛合金在航空发动机中的应用
喷气发动机是飞机的心脏，其部件承受着高温、
高压环境的考验，要求合金在650℃ 以下有着良好的
抗高温强度、抗蠕变性和抗氧化性。因铝合金使用温
度过低，钢的密度太大，所以钛合金成为了最佳选择。
目前，钛合金以其优异的特性在飞机上的应用日趋扩
大，在喷气发动机中可用于压气盘、静叶片、动叶片、
机壳、燃烧室外壳、排气机构外壳、中心体、喷气管、
机匣等_1_。其中，叶片、机匣等部件目前已采用钛合金
铸件，Rolls—Royce(Trent900)和GE／Pratt&Whitney
Engine Alliance(GP7200)两家公司生产的A380空中
客车新型发动机的风扇直径为3 m左右，并采用中空钛
风扇叶片。随着航空发动机对推重比和刚度要求的提
高，要求一些关键钛合金结构件做成大型复杂薄壁的
整体精铸件，因此目前大型复杂薄壁钛合金整体结构
精铸技术已得到了充分发展。表3为欧美国家一些航空
发动机的钛用量 。可以看出，国外先进航空发动机的
钛用量一般在25％以上。我国早期研制的航空发动机
钛用量很低，1978年研制的涡喷13系列发动机的钛用
量达到13％，2002年设计的昆仑涡喷发动机的钛用量
达到150／／0[7]，预计我国新一代航空涡扇发动机的钛用量
将达30％以上。
2 航空用高性能钛合金的发展现状
2．1 高强度钛合金
高强度钛合金是为了满足机身减重和高负载部件
的使用而提出的，在飞机上用于机身的承力隔梁、起
落架的扭力臂、支柱等。目前高强度钛合金的研究主
要以p钛合金为主，也包括 +p两相合金，合金化的主
要特点是加入较多的B稳定元素，如v、Cr、Mn、Fe等
元素，严格控制N、H、0等气体元素含量，并在高温
下的固溶时效处理得到稳定的B相组织。目前，具有代
表性的高强度钛合金主要有Ti1023、Ti153、21S、
Ti6—22．22S和BT22等，合金时效后的抗拉强度达到
1 000 MPa以上。美国研制的Ti一1023(Ti．IOV一2Fe．3A1)
是目前应用最为广泛的高强韧近13钛合金，已成功应用
于C．17大型运输机的起落架、波音777客机的起落架以
及大型客机A380的主起落架支柱闻。Ti153(Ti．15V一
3Cr．3A1．3Sn)具有良好的冷变形性，已应用于波音777
上的控制系统管道和灭火罐，替代了低强度普通钛合
金[9]。[321S (Ti．15Mo一3A1．2．7Nb．0．2Si)除了具有较高
的强度外，还具有良好的抗蠕变性能，被用于波音777
飞机的引擎P&W4084、GE90和Trent800中的喷嘴、蒙
皮和各种纵梁结构[ 。Ti6．22—22S (Ti一6A1—2Sn一2Zr一
2Mo．2Cr一0．2Si)是美国RMI公司研制的c~+13型合金，
具有良好的强韧性匹配，热处理后具有深淬透性(断
面直径达100 mm)和极好的超塑性成型能力，用于
F22战斗机下部龙骨的翼弦 。俄罗斯研制的BT22
(Ti．5V．5Mo一1Cr．1Fe．5A1)退火状态下为c~+13结构，该
合金塑性和焊接性能优异，已用于IL一86和IL一96—300的
机身、机翼、起落架等高负载航空部件，为了进一步
提高强度，研发人员对BT22进行了改进，在其中加入
sn、zr等元素， 即BT22M合金，其室温强度达到
1 200 MPa以上，用于生产飞机发动机盘和叶片⋯]。
我国上世纪60年代开始自主开发了TB6、TB10、
TC21等高强度钛合金，其中TC21和TB10最为典型，
TC21强度达到l 100 MPa，韧性好，具有优异的高损伤
容限性能和疲劳性能，是目前我国综合力学性能最佳
的高强度钛合金，适用于制造飞机大型整体框梁类重
要承力构件_l2]，TB10比强度高，断裂韧度好，淬透性
高，已在我国航空领域获得了实际应用。
2．2 高温钛合金
高温钛合金是现代航空发动机的重要材料，主要
用于飞机发动机的压气机盘、机匣和叶片等部件，以
减轻发动机重量，满足发动机更高的工作温度，提高
推重比。常规钛合金工作温度较低，一般小于500℃，
目前，美、英等国已研制出了使用温度550～600℃的
高温钛合金，如美国Ti6242S、Til100，英国IMI829、
IMI834，俄罗斯BT 1 8Y、BT36等。Ti6242S (Ti一6A1．
2Sn．4Zr．2Mo一0．1si)是美国早期研制的一种高温钛合
金，属于近0【型结构，强度达N93o MPa，最高使用温
度为540℃『l ，研发人员通过对Ti6242S的合金元素含
量进行调整，研制出了Til 100(Ti．6A1—2．75Sn．4Zr一0．4
Mo一0．45Si)，使其使用温度提高到600℃ ，该合金已应
用于T55．712发动机的高压压气机轮盘和低压涡轮叶片
等部件[ 。IM1834 (Ti一5．8A1—4Sn．3．5Zr．0．7Nb一0．5Mo一
0．35Si)是IMI829的改进型，合金中Nb的加入在保证
热稳定性的基础上，最大限度提高了合金的强度，室
温强度达到1 070 MPa[ j，该合金焊接性能优异，已应
用于波音777飞机的Trent 700发动机上。BT36 (Ti．6．
2A1．2Sn．3．6Zr一0．7Mo．0．1Y．5．OW一0．15Si)是俄罗斯在上
世纪90年代研制的一种重要的高温合金，使用温度达
N6oo～650℃f14]，合金中加入Y达到细化晶粒改善塑性
的效果，加入w提高了合金的热强性。美国惠普公司
最近研制出的Ti．1270高温钛合金，试验过程中使用温
度可达700℃ ，计划用于x．33演示机及联合战斗机。
我国研制了Ti．55、Ti一60、Ti一600、Ti一5331lS及
7715等高温合金。Ti一53311s使用温度在550。C左右，
其成分与IMI829类似，但Mo含量更高，高温瞬时强度
大，高温下具有良好的承载能力，在航空领域已获得
应用 ]。Ti60 (Ti一5．8A1—4．8Sn一2Zr一1Mo．0．35Si。0．85Nd)
属于Ti55的改型，其使用温度达~16oo℃ ，室温强度达
到1 100 MPa，合金元素Nd改善了合金的热稳定性。
Ti600合金的600℃强度达~1J74o MPa以上，同时保持
良好的伸长率和断面收缩率 6]。
由于未来航空发动机推重比将达到l0以上，因此
要求材料的使用温度更高。近年来，钛铝合金开始受
到关注，主要以Ti3A1和TiA1为基础，最高使用温度达
~lJ8oo℃以上，抗氧化能力强，抗蠕变性能好，且质
量更轻。以Ti3Al为基的Ti一2 1 Nb一1 4A1和Ti．24A1—1 4Nb
3V．0．5Mo在美国已开始批量生产 ]。但目前研制的钛
铝合金塑性较差，使其在航空发动机上的应用受到了
限制。
2．3 阻燃钛合金
用于航空发动机的某些钛合金部件工作温度较高，
易发生燃烧，因此，美、俄等国从上世纪70年代开始，
开展了阻燃钛合金的研究。美国研制出了AlloyC
(Ti一35V．15Cr)阻燃钛合金，属于B型合金，该合金具
有良好的高温强度和抗氧化能力，但在高温(特别足
482℃ 以上时)工作时，合金易发生脆化，该合金已
应用于Fll9发动机的高压压气机机匣、导向叶片和矢
量尾喷管 。俄罗斯研制出Ti．Cu．A1系BTT一1、BTT．3
阻燃钛合金，BTT一1合金具有良好的热加工性，被用
于发动机压气机机匣和叶片 ，BTT．3合金与BTT—l相
比，塑性更高，阻燃性更好，可用于制备更加复杂的
发动机零件，但这两种合金的整体力学性能和铸造性
能较差，至今未能工程化。
我国对于阻燃钛合金的研究起步较晚，西北有色
研究院研制出了Ti．40(Ti一25V．15Cr．0．4Si)阻燃钛合金，
该合金V含量较低，具有良好的机械性能，阻燃性能
与AlloyC性能相当，在500℃可长期使用，该合金已进
入工业规模的研究阶段。北京航空材料研究院~AlloyC
合金为基础，进一步优化si和C的含量，研发出TF550
合金，该合金在550℃具有很好的蠕变和持久性能。
3 我国航空用钛合金的发展趋势
3．1 继续开展高性能航空钛合金材料的研究与应用
现有钛合金的强度仍不能完全满足航空领域的应
用，其强韧性仍不如超高强韧合金钢(1 500 MPa以
上)，需要研制抗拉强度大于1 350 MPa并且韧性良好
的高强钛合金。继续扩大高温钛合金的使用温度，使
其达到650℃ 以上，通过多元素合金化提高合金的高
温性能，继续探究稀土元素对于高温性能的影响。对
于阻燃钛合金，我国发展相对缓慢，需要制定评价钛
合金阻燃性能的统一标准。
3．2 积极拓宽航空钛合金精密铸件的应用范围
与钛合金锻件相比，钛合金精密铸件可极大降低
产品的生产周期和生产成本，并适用于批量生产。我
国钛合金精密铸造技术近年来发展较快，已广泛应用
于航天、军工等领域，但由于航空钛合金铸件的内部
质量和表面质量要求很高，关键航空钛合金部件还很
难采用钛合金铸件，并且目前航空钛合金铸件的成品
率还不是很高，因此仍需要提升我国航空钛合金部件
的精密铸造技术，如造型技术、熔炼成形工艺等。
3．3 开展低成本航空钛合金的研制
航空钛合金产品的研制与生产目前已经成熟化、
商业化，低成本航空钛合金将受到极大关注，除了对
生产过程进行控制、提高成品率之外，还需要对材料
本身进行改进，如在合金化方面，用便宜的Fe元素替
代昂贵的V、Mo等元素l 2 J_，在保证强度和韧性的同时，
降低金属材料成本，在铸造成形方面，可以通过研制
低成本高稳定性的氧化物铸型材料，降低铸造的成本。
通过降低成本，钛产品在航空领域的应用将得到进一
步推广。
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