航空TC4/TC21钛合金材料的应用现状与发展趋势

引言

钛是20 世纪50 年代发展起来的一种重要的结构金属，钛及钛合金具有密度低、比强度和比刚度高、耐腐蚀性能和低温性能好、抗疲劳和蠕变性能好、无毒、无磁性，并且与碳 纤维复合材料的相容性较好等许多优异特性，是一种具有很大发展潜力和应用前景的新型功能材料，是航空航天工业中极其重要的结构材料，被誉为正在崛起的“第三金属”、“智能金属”等，是重要的战略金属材料[1-5] 。

1954年美国研制出第一个实用型钛合金——Ti-6Al-4V合金，由于具有较高的强度和较好的耐热性、塑性、韧性、成形性、可焊性以及耐蚀性， 其使用量占到了钛合金总使用量的75％~85％，成为众多钛合金中的王牌合金[6] 。

近年来，世界钛工业和钛材加工技术得到了飞速发展，海绵钛和钛合金加工材的生产和消费都达到了很高的水平。我国钛资源丰富，储量居世界前列，随着“等离子高温分离 钛-铝矿”技术的研发成功，中国成为继美国和俄罗斯之后能直接生产金属钛粉末的世界第三大钛工业国。在航空领域中，钛合金棒、钛合金板、钛合金管等钛及钛合金已经成为不可或缺的材料，发挥着关键作 用[2，7] 。

航空钛合金的应用水平已成为衡量新一代飞机和新型发动机先进性的重要标志之一，可大幅度提高结构减重效果和安全可靠性[8] 。目前常用的航空钛合金主要有高温钛合金，如美国的Ti-6242S、Ti-1100，英国的IMI834，俄罗斯的BT36 以及中国的Ti-60 等;高强钛合金，如β 型钛合金Ti-1023、Ti-15-3、β-21S、α-β 型两相钛合金BT22 以及中国的TB8、TB10、Ti-1300 等;损伤容限钛合金，如Ti-62222S 合金、TC4-DT 和TC21 合金等;阻燃钛合金，如美国的Alloy C(Ti-35V-15Cr)、英国的Ti-25V-15Cr-2Al-xC 阻燃合金以及中国的Ti-40 等[3，9-13] 。

1、航空钛合金的应用

航空钛合金（钛合金棒、钛合金管、钛合金板、钛合金锻件）主要应用于飞机结构件、发动机结构件以及航空紧固件等[14-17] 。飞机结构钛合金使用温度要求一般为350 ℃以下，要求其具有高的比强度、良好的韧性、优异的抗 疲劳性能、良好的焊接工艺性能等，主要应用部位有起落架部件、框、梁、机身蒙皮、隔热罩等。发动机用钛合金要求具有高的比强度、热稳定性好、抗氧化和抗蠕变性能良好，主要应用领域有压气机盘、叶片、鼓筒、高压压气机转子、压气机机匣等。航空紧固件用钛合金要求具有较好的加工性、无磁性、耐腐蚀性等，主要包括钛合金铆钉、钛合金螺栓等。

1.1 钛合金在国外航空工业中的应用

在军用飞机方面，国外第三代战斗机用钛量占机体结构总质量的20％ ~ 25％，美国第五代战斗机F-35 用钛量达到27％(质量分数，下同)，F-22 战机用钛量则高达41％，其机身    主承力梁和框架采用钛合金整体锻造而成，创造了迄今为止战斗机钛用量的最高世界纪录。美国B1 轰炸机和B2 轰炸机钛合金用量分别为21％和26％。史上用钛量最大的飞机 是美国空军使用的喷气式远程高空高速战略侦察机SR-71(黑鸟)，其钛合金使用量高达93％，被称为“全钛飞机”。美国运输机用钛量也由早期服役的C5 的6％ 增至C17 的 10.3％，俄罗斯伊尔76 运输机用钛量更是达到了12％[18-21] 。

在民用飞机方面，钛合金用量也在逐步增长，空客飞机钛用量已从第三代A320 的4.5％增至第四代A340 的6％，A380 的用钛量增加到了10％，单机用钛量就达60 t，而A350 客机的钛用量进一步提高到14％左右。同时，波音飞机用钛量从最初波音707 的0.5％逐渐增至波音747 的4％，再到波音777 的7％，而波音787 的用钛量已提高到15％左右，其增速基本与空客飞机保持同步。俄罗斯的新型客机MS21 钛合金用量占比高达25％， 是目前民用运输机中的最高纪录[19-21] 。

1.2 钛合金在国内航空工业中的应用

我国的航空钛合金用量也在不断提升。军用歼击机从初始用钛量只有2％的歼8，逐渐增加至用钛量为4％的歼10，歼11 用钛量增加到15％，歼20 用钛量为20％，直到歼31用钛量增至25％。大型军用运输机“运20”(鲲鹏)的钛合金用量为10％，与美国先进的C-17 运输机的钛合金用量(10.3％)相当。

在民用飞机上，商用客机ARJ21 的钛合金用量为4.8％，而C919 大型客机广泛采用钛合金，其用钛量已达到9.3％，略高于波音777(7％)。C919 飞机钛合金主要应用部位有机 头、吊挂、尾翼、外翼和中央翼盒等[3，22] 。

2 、我国航空钛合金应用的现状及面临的挑战

2.1 我国航空钛合金应用现状

随着我国航空事业的发展，对航空钛合金的需求也逐渐增大。我国钛资源储量十分丰富，居世界首位，然而约42％的钛材被用于传统化工领域，用于航空领域的钛材占比不到

20％，远远低于50％左右的国际平均水平。我国民用航空飞机正处于发展时期，两款主力机型—ARJ-21 和C919 将需要大量的航空钛材，中俄联合研制的宽体客机CR929 预计钛合金使用量将达到15％左右。未来空军新老机型的加速更替将是大势所趋，即将大量列装我国空军的新一代运输机和新一代战斗机，预计用钛量远远高出传统机型，将产生数以倍 计的高端钛合金增量需求。

目前，我国航空钛合金产业取得了很大的发展，自主研发的新型钛合金数量已超过30 种，其中许多已成熟并批量用于飞机机体和发动机，建成了具有一定规模的航空钛合金研制与生产基地，建立了整套航空钛合金材料、热工艺及理化检测标准，但与钛工业发达国家相比仍有一定差距，尚不能满足国家工程的需求[8，10] 。

2.2 我国航空钛合金应用面临的挑战

经过半个世纪的发展，我国航空钛合金从设计、制备及工程应用等方面都取得了很大进展，并得到了广泛的应用，但仍然面临新的挑战。

首先，在性能上，国内近十年来在新型钛合金的研究方面非常活跃，钛合金研究水平与国外相当，在某些方面甚至超过国外水平。但是前期的研制主要是在仿制的基础上，经 过长期的摸索，我国部分钛合金的研制已经具有自主知识产权，如损伤容限的TC21 钛合金等，然而在新型钛合金的工程应用方面还有很大的发展空间[23-28] 。

其次，在成本上，航空钛合金产品由于原材料价格昂贵、加工工艺复杂，以及航空产品的性能要求高等特点，航空钛合金产品的成本不可避免地处于较高的水平。针对降低高 性能钛合金的使用成本，研究者目前主要从两方面做出努力:一方面，降低钛合金原料本身的成本，如利用更廉价的元素(如Fe 等)来取代钛合金中的贵重元素(V、Cr 等);另一方面，降低钛合金的加工成本，增加材料利用率，如利用近净成形技术来替代传统的铸锻工艺。目前钛合金的低成本化大多还处于研制阶段，尚未实现航空钛合金产品的工程应用[6，29-33] 。

最后，随着航空钛合金近净成形新工艺的发展，激光增材制造技术为航空钛合金的加工成形开辟了一条新的工艺路径。经过众多学者的研究，在性能方面激光增材制造钛合金的强度、硬度、塑性及致密度等指标都已经达到锻件水平，但是由于制造过程中，熔池和基板存在很大的温度梯度，最终成形件在不同方向的力学性能各向异性明显。另外增材制造专用航空钛合金开发滞后、金属增材制造构件无损检测方法的不完善以及相关增材制造技术系统化标准的缺乏，在很大程度上制约了航空钛合金增材制造技术的工程应用[34-35] 。

3、航空钛合金的发展趋势

随着航空科技的迅速发展，面对不断提高的国防建设要求，新一代飞机必须满足超高速、高空、长航时、超远航程的需求。为了提高飞机的可靠性，先进飞机和发动机越来越多 地增加了钛合金等高性能材料的用量，且结构越来越复杂[34] 。因此，航空钛合金将向着低成本、高性能的方向发展，同时不断进行新型牌号的自主研发和新工艺的开发。

3.1 强化低成本航空钛合金的研究

航空工业对材料的要求更加注重性能与成本的平衡，不再一味追求高性能，低成本化将贯穿选材、结构设计、制造工艺、检测评价以及维护等产品的全生命周期，降低钛合金成 本已经是行业发展的必然趋势[7] 。用普通的Fe 元素替代昂贵的Nb、Mo 和V 等元素，以及大力发展近净成形技术将成为降低航空钛合金工程应用成本的两个重点方向。

3.2 强化高性能航空钛合金的研究

尽管钛合金具有良好的综合性能，但现有的航空钛合金仍不能完全满足航空领域对材料高性能的要求。目前高温钛合金实际长时使用很难突破600 ℃，对于600 ℃以上航空钛合金的研究仍处于试验及中试阶段，与大范围开发应用还有很大的距离[8] 。另外，阻燃钛合金、高强高韧及损伤容限型钛合金的批次稳定性研究及应用已成为众多学者关注的重点。未来对于高性能航空钛合金的研究将倾向于对现有合金进行深入挖掘，同时开发新牌号合金的研究。

3.3 加强增材制造在航空钛合金中的应用

随着近年来增材制造技术的发展及应用，激光增材制造钛合金技术克服了传统技术难以生产复杂钛合金构件、钛合金冷加工变形抗力大等缺点，对大型整体结构件的制造提供 了新的技术途径，且其具有与锻件相当的力学性能，北京航空航天大学已成功研制了(某大型轰炸机)某发动机钛合金加强框[35-40] 。航空钛合金的增材制造技术的研究及应用将 为航空钛合金加工成形开辟一条新的先进制造途径。

4、结语

一代材料，一代装备。航空钛合金在军事需求牵引和高新技术的推动下正在高速向前推进，材料技术发展的又一次飞跃即将到来。未来我国航空用钛合金的需求将会有较大 程度的增长。因此，我国各科研及生产单位应加强科研力度，在积累实际经验的基础上，发挥自主创新能力，扭转仿制，独立创新材料牌号，建立具有中国特色的航空钛合金材 料体系。

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