張利軍，薛祥義，2，常 輝，2

(1.西安超晶科技發(fā)展有限責(zé)任公司，陜西西安710016)

(2.西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710072)

我國(guó)航空用變形鈦合金材料

張利軍1，薛祥義1，2，常 輝1，2

(1.西安超晶科技發(fā)展有限責(zé)任公司，陜西西安710016)

(2.西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710072)

鈦合金材料作為一種20世紀(jì)中葉出現(xiàn)并發(fā)展起來(lái)的新興結(jié)構(gòu)材料，因其具有優(yōu)異的耐腐蝕性、高的比強(qiáng)度以及無(wú)磁性等一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在航空航天等高端工業(yè)部門獲得了廣泛應(yīng)用，目前飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)中的隔框、大梁、起落架以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)匣、輪盤、葉片等承力部件大量使用鈦合金材料制造。在上世紀(jì)60年代，美國(guó)、英國(guó)、前蘇聯(lián)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家就已經(jīng)在飛機(jī)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中大量使用鈦合金材料。我國(guó)鈦合金材料在航空工業(yè)中的應(yīng)用起步較晚，上世紀(jì)80年代開始才陸續(xù)在飛機(jī)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中少量使用鈦合金材料，但是進(jìn)入21世紀(jì)之后，我國(guó)航空工業(yè)鈦合金材料的應(yīng)用水平大幅度提升。對(duì)我國(guó)目前已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)并在航空工業(yè)中獲得工程化應(yīng)用的變形鈦合金材料進(jìn)行了系統(tǒng)闡述。

鈦合金;航空;飛機(jī);溫度

1 前言

材料科學(xué)與工程是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要領(lǐng)域，航空材料則處于材料科學(xué)與工程最富有挑戰(zhàn)性的研究前沿，是決定航空產(chǎn)品技術(shù)水平和發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的先進(jìn)性很大程度上取決于航空材料的水平，因此航空材料是發(fā)展航空技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)［1］。

鈦及鈦合金具有比強(qiáng)度高、抗腐蝕性好、耐高溫等一系列突出優(yōu)點(diǎn)，能夠進(jìn)行各種方式的零件成形、焊接和機(jī)械加工，50多年來(lái)，航空科研和生產(chǎn)發(fā)展與鈦合金的推廣應(yīng)用有著緊密的聯(lián)系。早在上世紀(jì)50年代初期，有一些軍用飛機(jī)上就開始用工業(yè)純鈦制造后機(jī)身隔熱板、機(jī)尾罩、減速板等受力不大的結(jié)構(gòu)件。上世紀(jì)60年代開始，鈦合金在飛機(jī)上的應(yīng)用逐步擴(kuò)大到承力隔框、梁等主要受力結(jié)構(gòu)件，同時(shí)航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部分大量開始采用鈦合金［2］。美國(guó)在上世紀(jì)70年代的軍用戰(zhàn)斗機(jī)上，鈦合金的用量就已經(jīng)達(dá)到結(jié)構(gòu)重量的四分之一了。目前，鈦合金已經(jīng)發(fā)展成為現(xiàn)代航空工業(yè)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中廣有前途的金屬結(jié)構(gòu)材料，目前對(duì)于飛機(jī)的先進(jìn)程度以鈦合金的使用量來(lái)劃分。

1978年在原國(guó)家計(jì)委和國(guó)防科工委的要求下，我國(guó)原第三機(jī)械工業(yè)部(現(xiàn)中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司前身)、冶金工業(yè)部等單位組成了航空材料赴英考察組趕赴英國(guó)進(jìn)行了為期一個(gè)半月的考察工作。其中航空材料赴英考察組鈦合金分組參觀了國(guó)際航空博覽會(huì)，并先后考察了英國(guó)宇航公司的6個(gè)飛機(jī)廠、英國(guó)羅羅公司的3個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)廠、英國(guó)帝國(guó)金屬公司鈦分公司的冶煉廠和鍛造廠以及英國(guó)皇家航空研究院等單位。通過這次考察學(xué)習(xí)，我國(guó)航空界人士才真正認(rèn)識(shí)到鈦合金在航空工業(yè)中的重要程度以及我們國(guó)家航空材料與西方發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。當(dāng)時(shí)我們國(guó)家航空工業(yè)主要生產(chǎn)機(jī)種為J6飛機(jī)和WP6航空發(fā)動(dòng)機(jī)，鈦合金在飛機(jī)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的工程應(yīng)用幾乎為零。為此考察組上書國(guó)家計(jì)委、國(guó)防科工委和三機(jī)部，要求解決鈦合金加工工藝和質(zhì)量方面的關(guān)鍵技術(shù)以及編制鈦合金產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以加快我國(guó)航空工業(yè)用鈦的發(fā)展，同時(shí)推動(dòng)我國(guó)航空工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展［3］。在此種背景條件下，我國(guó)原冶金部撫順特鋼廠、寶雞有色金屬加工廠等單位開展了工業(yè)規(guī)模鈦合金研制生產(chǎn)，航空工業(yè)部621所、148廠、3007廠等單位開展了鈦合金鍛件的研制生產(chǎn)，其中航空148廠于1984年為美國(guó)波音公司成功研制生產(chǎn)出了B747飛機(jī)用大型TC4鈦合金模鍛件，1985年該廠被正式批準(zhǔn)為波音鈦鍛件合格供應(yīng)商。上世紀(jì)80年代，我國(guó)WP13等航空發(fā)動(dòng)機(jī)開始大量使用鈦合金制造壓氣機(jī)盤、葉片、機(jī)匣等部件，同時(shí)J7、J8等改型飛機(jī)開始使用TC4、TB5、TB6等鈦合金零部件。上世紀(jì)90年代至今，隨著我國(guó)新一代渦扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)和第3代戰(zhàn)斗機(jī)的研制生產(chǎn)，鈦合金在我國(guó)航空工業(yè)中的應(yīng)用得到了快速發(fā)展，例如其中J11系列飛機(jī)用鈦占整個(gè)機(jī)體結(jié)構(gòu)的18%左右。在這期間為了適應(yīng)航空工業(yè)用鈦需要，逐步形成了我國(guó)航空鈦合金系列標(biāo)準(zhǔn)，包括國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家軍用標(biāo)、型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。

本文結(jié)合GB/T 3620.1－2007《鈦及鈦合金牌號(hào)和化學(xué)成分》、GB/T 2965－2007《鈦及鈦合金棒材》、GJB 2218－1994《航空用鈦及鈦合金棒材和鍛坯規(guī)范》、GJB 2744A－2007《航空用鈦及鈦合金鍛件規(guī)范》、11－CL－045C《TA15鈦合金棒材》、《航空材料手冊(cè)》等文獻(xiàn)資料，對(duì)目前我國(guó)航空工業(yè)使用的主要變形鈦合金材料進(jìn)行了匯總分類，并對(duì)其成分、發(fā)明情況、使用特性進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。表1列出了我國(guó)航空用主要變形鈦合金材料，并對(duì)每種材料逐一扼要介紹。

表1 我國(guó)航空用主要變形鈦合金材料Table 1 Deformation Titanium Alloys of China Aviation Industry

2 我國(guó)航空用變形鈦合金

2.1 α型鈦合金

2.1.1 TA7鈦合金

合金名義成分為 Ti-5Al-2.5Sn，該合金是前蘇聯(lián)1957年研制的BT5-1鈦合金，主要用于500℃以下工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣等零件［2］。我國(guó)于1965年仿制，命名為TA7，用于制造渦噴13發(fā)動(dòng)機(jī)前機(jī)匣殼體，封嚴(yán)圈殼體、環(huán)件和模鍛件轉(zhuǎn)接座等［1］，目前該合金在我國(guó)的多種型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)形零件制造中獲得了大量應(yīng)用。該合金β穩(wěn)定元素含量為零，中性元素Sn≈2.5%，主要靠Al固溶強(qiáng)化α相，α+β/β轉(zhuǎn)變溫度1 040～1 090℃，不能熱處理強(qiáng)化，通常在退火狀態(tài)下使用，在室溫和高溫下具有良好的斷裂韌性，焊接性能良好，但工藝塑性較差。長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)500℃，短時(shí)工作溫度可達(dá)800℃，室溫抗拉強(qiáng)度≥785 MPa，大量用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)軋件，目前也用于航空鈦合金鑄件的生產(chǎn)。

2.1.2 TA13鈦合金

合金名義成分為Ti-2.5Cu，該合金是英國(guó)研制的IMI230鈦合金，我國(guó)上世紀(jì)70年代從英國(guó)引進(jìn)了斯貝航空發(fā)動(dòng)機(jī)(MK202)全套生產(chǎn)技術(shù)，隨著斯貝航空發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)產(chǎn)化，寶雞有色金屬加工廠等相關(guān)單位開展了IMI230鈦合金的仿制，命名為TA13。該合金最初一直在退火狀態(tài)下使用，后來(lái)發(fā)現(xiàn)，該合金在淬火狀態(tài)下具有非常好的塑性，可以進(jìn)行各種復(fù)雜板材的零件冷加工成形，然后在時(shí)效過程中析出彌散的Ti2Cu金屬化合物顆粒使強(qiáng)度提高大約25%［2］。所以該合金是目前唯一能夠熱處理強(qiáng)化的α型鈦合金，α+β/β轉(zhuǎn)變溫度895℃ ±10℃，合金具有良好的工藝塑性、焊接性能、熱穩(wěn)定性，一般在退火狀態(tài)下使用，室溫抗拉強(qiáng)度≥610 MPa，長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)350℃ ，我國(guó)已經(jīng)使用該合金成功制造了航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室外引射機(jī)匣、后錐體、排氣收集器加強(qiáng)帶、加強(qiáng)圈、支撐圈等［1］。

2.2 近α型合金

2.2.1 TC1鈦合金

合金名義成分為Ti-2Al-1.5Mn，該合金是前蘇聯(lián)研制的OT4-1鈦合金，我國(guó)于上世紀(jì)60年代開始仿制生產(chǎn)，后命名為TC1［2］。該合金是1種中等強(qiáng)度、高塑性的近α型合金，α+β/β轉(zhuǎn)變溫度920～930℃，具有良好的熱穩(wěn)定性、焊接性能及工藝塑性，長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)350℃，室溫抗拉強(qiáng)度≥590 MPa。大量用于飛機(jī)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈑金沖壓件的生產(chǎn)。由于該合金中的Mn元素在真空熔煉狀態(tài)下熔煉時(shí)容易揮發(fā)，所以該合金熔煉時(shí)一般在充氬狀態(tài)下進(jìn)行［1］。

2.2.2 TC2鈦合金

合金名義成分為Ti-4Al-1.5Mn，該合金是前蘇聯(lián)研制的OT4鈦合金，我國(guó)于上世紀(jì)60年代初期開始仿制，后命名為TC2［2］。該合金是1種低強(qiáng)度、高塑性的近α型合金，α+β/β轉(zhuǎn)變溫度940℃ ±20℃，具有良好的熱穩(wěn)定性、焊接性能及工藝塑性，長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)350℃，短時(shí)使用溫度為750℃，室溫抗拉強(qiáng)度≥685 MPa。目前廣泛用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的各種板材沖壓成形零件及蒙皮。由于該合金中的Mn元素在真空熔煉狀態(tài)下熔煉時(shí)容易揮發(fā)，所以該合金熔煉時(shí)和TC1鈦合金一樣在充氬狀態(tài)下進(jìn)行［1］。

2.2.3 TA11鈦合金

合金名義成分Ti-8Al-1Mo-1V，該合金是美國(guó)上世紀(jì)發(fā)明，具有較高的彈性模量和較低的密度，是目前比剛度最高的工業(yè)鈦合金。合金α+β/β轉(zhuǎn)變溫度1 040℃左右，長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)450℃，雙重退火狀態(tài)下室溫抗拉強(qiáng)度≥895 MPa。主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)盤、壓氣機(jī)葉片、壓氣機(jī)機(jī)匣等［1］。我國(guó)大量使用該合金制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，該合金對(duì)氯化物應(yīng)力腐蝕較敏感。

2.2.4 TA12鈦合金

相近牌號(hào)英國(guó)IMI829(Ti55)，合金名義成分Ti-5.5Al-4Sn-2Zr-1Mo-1Nb-0.25Si，該合金長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)550℃，用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤、鼓筒、葉片等。該合金具有良好的塑性，適合于各種壓力加工成形。我國(guó)使用該合金制造的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)鼓筒、高壓壓氣機(jī)盤、轉(zhuǎn)子葉片等都已經(jīng)通過了長(zhǎng)期試車。合金α+β/β轉(zhuǎn)變溫度1 005℃左右，一般在雙重或三重退火狀態(tài)下使用，室溫抗拉強(qiáng)度≥950 MPa［1］。

2.2.5 TA15鈦合金

合金名義成分Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，該合金是前蘇聯(lián)上個(gè)世紀(jì)60年代初研制成功的BT20近α型鈦合金。我國(guó)上個(gè)世紀(jì)90年代從俄羅斯引進(jìn)了Su-27飛機(jī)生產(chǎn)線，為了滿足Su-27飛機(jī)的國(guó)產(chǎn)化需求，國(guó)內(nèi)相關(guān)單位隨即開展了BT20鈦合金的國(guó)產(chǎn)化工作，我國(guó)仿制后命名為TA15鈦合金，該合金制造的結(jié)構(gòu)件占是Su-27飛機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)的15%以上，該合金兼有α型合金及α+β兩相鈦合金的優(yōu)點(diǎn)，具有中等的室溫和高溫強(qiáng)度、良好的熱穩(wěn)定性、焊接性能，工藝塑性良好［4］。該合金長(zhǎng)時(shí)間(3 000 h)工作溫度可達(dá)500℃，450℃工作時(shí)壽命可達(dá)6 000 h。合金α+β/β轉(zhuǎn)變溫度1 020℃ ±30℃，退火狀態(tài)下室溫抗拉強(qiáng)度≥930 MPa［1］。目前主要用于制造飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要承力結(jié)構(gòu)件，尤其是焊接件。

2.2.6 TA18鈦合金

合金名義成分Ti-3Al-2.5V，該合金是美國(guó)上個(gè)世紀(jì)發(fā)明的近α型鈦合金。我國(guó)上個(gè)世紀(jì)80年代開始仿制，后命名為TA18鈦合金。該合金具有良好的冷成形性能和焊接性能，主要用于制造飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)各種燃油、液壓管件，合金 α+β/β轉(zhuǎn)變溫度925℃ ±10℃，一般在退火狀態(tài)下使用，最高工作溫度約為315 ℃ ，室溫抗拉強(qiáng)度≥620 MPa［1］。

2.2.7 TA19鈦合金

合金名義成分Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo，該合金是美國(guó)20世紀(jì)60年代為了滿足改善鈦合金高溫性能的需要，特別是為了滿足噴氣航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用要求而研制的1種近α型鈦合金。合金α+β/β轉(zhuǎn)變溫度990℃ ±10℃，合金最高使用溫度540℃，長(zhǎng)期工作溫度540℃，雙重或三重退火狀態(tài)下使用，室溫抗拉強(qiáng)度≥930 MPa［1］。特點(diǎn)是具有強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度、韌性和熱穩(wěn)定性能的良好結(jié)合，并具有良好的焊接性能，主要用于制造燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)板材零件，飛機(jī)熱端零件［5］。目前國(guó)外大量使用Ti6242合金制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件。如普惠公司制造的JT9D及2037發(fā)動(dòng)機(jī)是用Ti6242合金制造發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤和轉(zhuǎn)子葉片，通用電子公司的CF6-5、CF6-80等發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤和轉(zhuǎn)子葉片也使用了Ti6242合金［6－7］。我國(guó)上個(gè)世紀(jì)90年代開始仿制，后命名為TA19，我國(guó)用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣等零件。該合金也可應(yīng)用于鑄件的生產(chǎn)，其鑄造牌號(hào)為ZTC6鈦合金。

2.3 α+β型雙相鈦合金

2.3.1 TC4鈦合金

合金名義成分為Ti-6Al-4V，該合金最初由美國(guó)在1954年首先研制成功，目前已經(jīng)發(fā)展成為1種國(guó)際性的鈦合金，是目前人們對(duì)其研究最為全面、最為深入的鈦合金。在航空、航天、民用等工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。我國(guó)牌號(hào)TC4，該具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，已經(jīng)廣泛用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的梁、框、起落架，航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)盤、機(jī)匣、葉片等，同時(shí)也大量用于其它各工業(yè)行業(yè)中，目前占鈦合金產(chǎn)量的一半以上［8］。該合金具有良好的工藝塑性和超塑性，合金α+β/β轉(zhuǎn)變溫度980～1 010℃，長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)400℃，一般在退火或固溶時(shí)效狀態(tài)下使用，室溫抗拉強(qiáng)度≥895 MPa。我國(guó)目前廣泛用于制造飛機(jī)主要承力結(jié)構(gòu)件和航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇盤、壓氣機(jī)盤、葉片等。

TC4合金中的間隙雜質(zhì)雖然能提高合金的強(qiáng)度，但是這種雜質(zhì)不僅嚴(yán)重降低合金的塑性和斷裂韌性，而且會(huì)加快疲勞裂紋擴(kuò)展速率，并使其他一些重要性能，如熱穩(wěn)定性、蠕變抗力、缺口敏感性等變壞，所以近年來(lái)國(guó)內(nèi)外為了適應(yīng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需的損傷－容限要求，研制生產(chǎn)出了高純度的Ti-6Al-4V(ELI)合金，其O含量小于0.13%，C含量小于0.08%，適宜于低溫或要求高的斷裂韌性時(shí)使用。

2.3.2 TC6鈦合金

該合金是前蘇聯(lián)研制的BT3-1鈦合金，合金名義成分為Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si，目前在俄羅斯得到廣泛應(yīng)用。該合金是1種綜合性能良好的馬氏體型α+β型雙相鈦合金，一般在退火狀態(tài)下使用，也可進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚韽?qiáng)化。具有較高的室溫強(qiáng)度，室溫抗拉強(qiáng)度≥980 MPa。具有良好的熱強(qiáng)性能，可長(zhǎng)時(shí)間在400～450℃溫度下工作，合金α+β/β轉(zhuǎn)變溫度960～1 000℃，該合金具有良好的熱加工性能。目前主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤和葉片等，也用于制造中等強(qiáng)度的飛機(jī)主要承力結(jié)構(gòu)件等，如隔框、接頭等［1］。

2.3.3 TC11鈦合金

該合金是前蘇聯(lián)1958年開始研制、1966年研制成功的用于500℃的BT9熱強(qiáng)鈦合金，合金名義成分為Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si，我國(guó)于上世紀(jì)70年代末80年代初開始仿制，后命名為TC11鈦合金。TC11是1種綜合性能良好的中α+β型鈦合金，在500℃以下有優(yōu)異的熱強(qiáng)性能(高溫強(qiáng)度、蠕變抗力等)，并具有較高的室溫強(qiáng)度。該合金具有良好的熱加工工藝性，合金α+β/β轉(zhuǎn)變溫度1 000℃ ±20℃。該合金常用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤、葉片、鼓筒等零件，也用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。TC11合金通過α+β區(qū)熱加工和α+β熱處理，獲得最高長(zhǎng)期工作溫度為500℃，室溫下其強(qiáng)度≥1 030 MPa。通過近β鍛造工藝生產(chǎn)的TC11壓氣機(jī)盤鍛件長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)520℃［9］。該合金是我國(guó)目前使用范圍最廣、使用量最大、技術(shù)最為成熟的熱強(qiáng)鈦合金，目前幾乎所有型號(hào)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)都有應(yīng)用。

2.3.4 TC16鈦合金

合金名義成分Ti-3Al-5Mo-4.5V，該合金是前蘇聯(lián)上個(gè)世紀(jì)研制的BT16馬氏體型α+β型雙相鈦合金。我國(guó)上個(gè)世紀(jì)90年代從俄羅斯引進(jìn)了Su-27飛機(jī)生產(chǎn)線，為了滿足Su-27飛機(jī)的國(guó)產(chǎn)化需求，國(guó)內(nèi)相關(guān)單位隨即開展了BT16鈦合金的國(guó)產(chǎn)化工作，我國(guó)仿制后命名為TC16鈦合金。該合金主要用于制造工作溫度350℃以下條件下工作的航空標(biāo)準(zhǔn)件，合金α+β/β轉(zhuǎn)變溫度860℃±20℃，該合金退火狀態(tài)下強(qiáng)度中等，但塑性非常好，可以像β型鈦合金一樣冷鐓成形制造螺栓、鉚釘?shù)葮?biāo)準(zhǔn)件。強(qiáng)化熱處理后可獲得高的強(qiáng)度，室溫強(qiáng)度≥1 030 MPa。我國(guó)在新型飛機(jī)上已經(jīng)開始使用TC16鈦合金制造的螺栓、鉚釘。

2.3.5 TC17鈦合金

合金名義成分Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr，該合金是上個(gè)世紀(jì)70年代美國(guó)通用電氣公司以提高綜合性能為目的而發(fā)展起來(lái)的1種高強(qiáng)度、高韌性和高淬透性的近β型變形鈦合金，我國(guó)從“七五”期間開始仿制，國(guó)產(chǎn)牌號(hào)TC17。合金最高工作溫度427℃，室溫下其抗拉強(qiáng)度≥1 120 MPa［1，10］。我國(guó)目前使用該合金制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇盤、壓氣機(jī)盤等。

2.3.6 TC18鈦合金

合金名義成分為Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，該合金是前蘇聯(lián)航空材料研究院于上世紀(jì)70年代中期研制成功的1種高合金化、高強(qiáng)度近β型合金，俄羅斯牌號(hào)BT22，該合金具有高強(qiáng)、高韌、高淬透性，故稱“三高”鈦合金，退火狀態(tài)下強(qiáng)度極限可達(dá)1 080 MPa，強(qiáng)化熱處理狀態(tài)下可達(dá)1 200 MPa或更高，具有滿意的延伸率、斷面收縮率和沖擊韌性。根據(jù)不同性能和用途分為3種不同等級(jí):①Rm≥1 078 MPa，KIC≥70 MPa·m1/2;②Rm≥1 127 MPa，KIC≥65 MPa·m1/2;③Rm≥1 176 MPa，KIC≥53 MPa·m1/2。在伊爾76、伊爾86、伊爾96、及圖204、安124等飛機(jī)上大量制造承力框及起落架部件［11－12］。隨著我國(guó)軍機(jī)型號(hào)的不斷發(fā)展及大型運(yùn)輸機(jī)研制的開展［13］，我國(guó)開始仿制該合金，我國(guó)仿制后命名為TC18(2007版GB/T3620.1－2007)。

2.3.7 TC21鈦合金

TC21鈦合金是西北有色金屬研究院、北京航空材料研究院等單位聯(lián)合研制的具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第1個(gè)高強(qiáng)高韌損傷容限鈦合金，合金名義成分Ti-6Al-2Mo-1.5Cr-2Zr-2Sn-2Nb。該合金目前用于制造飛機(jī)重要結(jié)構(gòu)件［14］。目前使用狀態(tài)下 Rm≥1 100 MPa，KIC≥70 MPa·m1/2。該合金已經(jīng)在我國(guó)第3代先進(jìn)飛機(jī)上獲得了工程化應(yīng)用。

2.3.8 TC25鈦合金

TC25鈦合金是我國(guó)近年來(lái)在仿制某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)過程中仿制的俄羅斯BT25鈦合金，BT25是前蘇聯(lián)1971年研制的馬氏體型的α+β兩相熱強(qiáng)鈦合金，合金里添加了高熔點(diǎn)的Mo，W大大提高了合金的熱強(qiáng)性和耐熱性，也提高了合金的工作壽命，BT25合金在常溫、高溫下均具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其使用溫度可達(dá)550℃，合金名義成分Ti-6.5Al-2Mo-1Zr-1Sn-1W-0.2Si。BT25合金可在適當(dāng)?shù)臒嶙冃螚l件、熱處理制度下(950～970℃，1 h，空冷+530～570℃，6 h，空冷)可獲得較為理想的綜合性能。作為馬氏體型α+β兩相鈦合金，BT25合金較該系列其它熱強(qiáng)合金的突出優(yōu)點(diǎn)是其工作使用溫度500～550℃，在500℃以下工作時(shí)間達(dá)6 000 h，在550℃工作時(shí)間達(dá)3 000 h，因此被推薦用于制造高壓壓氣機(jī)零件(主要是壓氣機(jī)盤)。BT25合金制造的半成品有鍛件、模鍛件、棒材和其他形式的半成品［15－18］。

2.4 β及近β鈦合金

2.4.1 TB3鈦合金

TB3鈦合金是1種可熱處理強(qiáng)化的亞穩(wěn)定β型鈦合金，合金名義成分為Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al。該合金的主要優(yōu)點(diǎn)是固溶處理狀態(tài)具有優(yōu)異的冷成形性能，其冷鐓比(Dt/D0)可達(dá)2.8，固溶+時(shí)效制度處理后可獲得高的強(qiáng)度，主要用于制造使用溫度低于300℃的1 100 MPa級(jí)以上高強(qiáng)度航空航天緊固件［1］。

2.4.2 TB6鈦合金

上世紀(jì)50年代的朝鮮戰(zhàn)爭(zhēng)，美國(guó)飛機(jī)在戰(zhàn)場(chǎng)被擊落擊傷近1 000架，60年代的越南戰(zhàn)爭(zhēng)，美國(guó)飛機(jī)的損失更加慘重，累計(jì)4 000多架。兩次大的戰(zhàn)爭(zhēng)美國(guó)的財(cái)力損失很大，但大大促進(jìn)了美國(guó)鈦工業(yè)和鈦加工技術(shù)的發(fā)展。美國(guó)在總結(jié)越南戰(zhàn)爭(zhēng)中飛機(jī)事故時(shí)發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)常常出現(xiàn)一種低應(yīng)力的斷裂事故，即構(gòu)件的工作應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度而發(fā)生的脆性斷裂事故。經(jīng)材料和力學(xué)家的分析發(fā)現(xiàn)，構(gòu)件內(nèi)部常常存在一種宏觀尺度裂紋。這種裂紋有可能是鑄造、鍛造、熱處理，甚至機(jī)械加工產(chǎn)生的。因此，這種帶有裂紋的構(gòu)件使用時(shí)的安全性、可靠性和壽命，當(dāng)然不能用Rm，Rp0.2，A，Z，ak來(lái)衡量了。而是應(yīng)該用裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的抵抗能力來(lái)評(píng)價(jià)。如果材料的裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展抵抗能力越好，那么使用越安全，或者說，即使構(gòu)件中存在裂紋，照樣可以使用而且不會(huì)造成斷裂或者很快就斷裂。把這個(gè)能力叫做斷裂韌性，材料上稱K1C。20世紀(jì)70年代的飛機(jī)設(shè)計(jì)者，已經(jīng)考慮到提高飛機(jī)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)效益和構(gòu)件的壽命了。而β鈦合金正好可滿足這一點(diǎn)?？梢栽诟叩膹?qiáng)度水平上比α+β兩相鈦合金具有更好的斷裂韌性。

在這種需求背景下，美國(guó)Timet公司于1971年研制生產(chǎn)了Ti-1023鈦合金，該合金名義成分為Ti-10V-2Fe-3Al，常規(guī)使用狀態(tài)下 Rm≥1 100 MPa，KIC≥60 MPa·m1/2，是迄今為止應(yīng)用最為廣泛的一種高強(qiáng)高韌近β型鈦合金，是一種為適應(yīng)損傷容限性設(shè)計(jì)原則而產(chǎn)生的高結(jié)構(gòu)效益、高可靠性和低制造成本的變形鈦合金，合金中以Fe和V為主要β穩(wěn)定元素。已經(jīng)應(yīng)用于波音777客機(jī)起落架主梁、A380主起落架支撐等部件制造［11］。我國(guó)從1986年開始該合金材料的仿制及應(yīng)用研究工作，仿制后命名為TB6鈦合金。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的Ti-1023，早期用于生產(chǎn)殲八Ⅱ飛機(jī)58框腹鰭接頭模鍛件、用于殲七系列飛機(jī)減速板梁自由鍛件和模鍛件，在后期的JH7飛機(jī)中獲得了大量應(yīng)用。該合金的主要缺點(diǎn)就是β穩(wěn)定元素偏析，該缺點(diǎn)是我們國(guó)內(nèi)至今未能完全解決的技術(shù)難點(diǎn)。

2.4.3 TB8鈦合金

該合金是美國(guó)Timet公司于1989年針對(duì)美國(guó)國(guó)家航空航天飛機(jī)計(jì)劃NASP對(duì)抗氧化金屬及復(fù)合材料基體的需求而研制的1種亞穩(wěn)定β型鈦合金，美國(guó)牌號(hào)為β21s， 該 合 金 名 義 成 分 Ti-3Al-15Mo-2.7Nb-0.25Si。TB2，TB3，TB5，TB6等β鈦合金主要β穩(wěn)定元素都采用V，但由于V的抗氧化能力很差，所以這些β鈦合金的使用溫度一般都不超過300℃。由于β21s鈦合金是針對(duì)NASP計(jì)劃而研制的，要求合金要具有良好的抗氧化性能和高溫性能，所以β21s合金設(shè)計(jì)時(shí)β穩(wěn)定元素選用抗氧化性能良好的的高熔點(diǎn)Mo和Nb。該合金不僅具有優(yōu)異成形性、深淬透性、良好的抗腐蝕能力，還具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能，可用于制作有溫度要求的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件或發(fā)動(dòng)機(jī)部件緊固件和液壓管材等，還可用作金屬基復(fù)合材料的基體、鑄件等。該合金是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙附近導(dǎo)風(fēng)罩類零件的理想材料，例如波音777飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙導(dǎo)風(fēng)罩選用該合金后產(chǎn)生了很好的效果［20－23］。

我國(guó)在20世紀(jì)90年代初開始對(duì)β21s鈦合金進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化研究，材料已研制成功，該合金國(guó)內(nèi)相對(duì)應(yīng)的牌號(hào)為TB8，主要產(chǎn)品型態(tài)為板材、棒材、鍛件、帶材，也可生產(chǎn)箔材、絲材、管材等。國(guó)內(nèi)某型號(hào)飛機(jī)機(jī)身發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)罩零件上用TB8代替1Cr18Ni9Ti不銹鋼，使飛機(jī)減重14 kg，并提高了零件的抗腐蝕性、熱穩(wěn)定性。而采用該材料代替30CrMnSiA結(jié)構(gòu)鋼制造某機(jī)后，機(jī)身承力框上框段3個(gè)鍛件結(jié)構(gòu)件的焊接組合件實(shí)現(xiàn)減重15%～20%，大大提高了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)效益。

航空航天標(biāo)準(zhǔn)件在其生產(chǎn)制造過程中要求材料具有良好的冷鐓成形性能，且在其熱處理后要獲得足夠高的強(qiáng)度。β型鈦合金由于在固溶狀態(tài)下具有優(yōu)異的冷成形性能，且其在隨后時(shí)效處理狀態(tài)下可獲得很高的強(qiáng)度，所以大量應(yīng)用于高品質(zhì)航空航天標(biāo)準(zhǔn)件的生產(chǎn)制造。列入我國(guó)《航空材料手冊(cè)》的用于制造航空標(biāo)準(zhǔn)件的β型鈦合金主要有TB2、TB3，這兩種β型鈦合金主要應(yīng)用于1 100 MPa級(jí)標(biāo)準(zhǔn)件的制造。隨著我國(guó)航空航天工業(yè)的迅速發(fā)展，新一代標(biāo)準(zhǔn)件要求其強(qiáng)度水平達(dá)1 300 MPa級(jí)以上，所以研究和發(fā)展1 300 MPa級(jí)以上的β型鈦合金材料及其加工工藝成為我國(guó)材料工程技術(shù)人員的當(dāng)務(wù)之急。對(duì)于冷加工成形性能優(yōu)異的1 300 MPa級(jí)超高強(qiáng)度β型鈦合金，我國(guó)目前尚無(wú)十分成熟的合金可用，國(guó)外資料顯示，β21S鈦合金具有優(yōu)異的冷加工成形性能及深的淬透性，熱處理后可獲得很高的強(qiáng)度。為此，我公司開展了超高強(qiáng)度緊固件用TB8合金棒絲材的研制生產(chǎn)及應(yīng)用研究工作，目前已經(jīng)研制生產(chǎn)出了Rm≥1 300 MPa、A≥8%的TB8鈦合金棒絲材及形成了全套冷熱加工工藝，并已經(jīng)在航空航天標(biāo)準(zhǔn)件生產(chǎn)廠加工出了各種規(guī)格的超高強(qiáng)度航空航天標(biāo)準(zhǔn)件，滿足了型號(hào)設(shè)計(jì)需求。

3 結(jié)語(yǔ)

目前我國(guó)航空工業(yè)使用變形鈦合金材料90%以上是仿制前蘇聯(lián)、美國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，而且大多數(shù)是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)或飛機(jī)的仿制、技術(shù)借鑒或引進(jìn)改進(jìn)過程中被動(dòng)進(jìn)行的。雖然，我國(guó)很多材料研制單位從上世紀(jì)80年代至今研制開發(fā)了很多自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鈦合金，但因?yàn)榉N種原因大多數(shù)未獲得工程化應(yīng)用，最終在實(shí)驗(yàn)室不了了之。所以，我們國(guó)家鈦合金工業(yè)今后發(fā)展的方向應(yīng)立足于產(chǎn)學(xué)研用一體化發(fā)展，開發(fā)合金應(yīng)立足于工程應(yīng)用，真正實(shí)現(xiàn)研有所用。

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Deformation of Titanium Alloy Materials for China Aircraft

ZHANG Lijun1，XUE Xiangyi1，2，CHANG Hui1，2
(1.Xi'an Super Crystal Sci－Tech Development Co.，Ltd.，Xi'an 710016，China)(2.State Key Laboratory of Solidification Processing，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China)

Titanium alloy appears as a mid-twentieth century，and developed new structural materials，because of its excellent corrosion resistance，high specific strength and non-magnetic and a series of unique advantages，such as high-end in the aerospace industry access to a wide range of applications，the current structure of the airframe bulkheads，beams，landing gear and the aircraft engine compressor tray，roulette，blades and other parts of extensive use of titanium bearing materials.60s in the last century，the United States，Britain，the former Soviet Union and other industrialized countries has been in the manufacture of aircraft and aero-engine heavy use of titanium material.Titanium alloy material of the application in the aviation industry started late 80's until the last century，one after another in the manufacture of aircraft and aircraft engines use a small amount of titanium alloy materials，but the 21st century，China＇s aviation industry application level of a large titanium alloy Rate increase，this article in China has entered the industrial production of and access to engineering applications in the aviation industry formulation of deformation of titanium alloy materials.

titanium alloy;aviation;aeroplane;temperature

張利軍

TG146.4

A

1674－3962(2012)08－0040－07

2011－06－10

張利軍，男，1981年生，工程師