近年來隨著材料科學的發(fā)展以及能源危機的沖擊，航空航天工業(yè)對高強度、高彈性模量、低密度、耐高溫的新型結構材料的需要越來越迫切。因此，新型鈦合金便成為近年來世界各國的研究熱點。
鈦合金具有密度小、強度高、耐高溫和抗腐蝕性好等優(yōu)點，在航空航天領域中獲得了廣泛的應用。美國在80年代以后設計的各種先進軍用戰(zhàn)斗機和轟炸機中，鈦風機合金用量已經(jīng)穩(wěn)定在20%以上。如第三代戰(zhàn)斗機F-15鈦合金用量占27%，而第四代戰(zhàn)斗機F-22鈦合金用量占41%，表1為最近飛機的結構用材情況［1，2］。現(xiàn)有航空航天用鈦反應釜合金中，應用最廣的是多用途α+β型Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo(Ti6242)高溫鈦合金。但常規(guī)鈦合金的工作溫度較低，如Ti-6Al-4V合金的工作溫度僅為400℃左右，一般用于300～350℃。未來的航空航天飛行器及其推力系統(tǒng)，要求發(fā)展比現(xiàn)有Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo合金的強度、工作溫度和彈性模量更高、密度更小和價格更低的鈦合金材料［3］。因此，近年來所開發(fā)出的新型鈦合金主要分為以下4大類：(1)高強高韌β型鈦合金；(2)高溫鈦合金；(3)鈦鋁化合物為基的鈦合金；(4)阻燃鈦合金。本文從這4個方面簡述了鈦合金的新進展。
表1 飛機的結構用材比例/%
| 機種 | 鋼 | 鋁合金 | 鈦合金 | 復合材料 | 其他 |
| F-104 | 20.0 | 70.0 |
|
| 10.0 |
| F-4E | 17.0 | 54.0 | 6.0 | 3.0 | 20.0 |
| F-14E | 15.0 | 36.0 | 25.0 | 4.0 | 20.0 |
| F-15E | 4.4 | 35.8 | 26.9 | 2.0 | 20.9 |
| Hurficane | 15.0 | 46.5 | 15.5 | 3.0 | 20.0 |
| F-16A | 4.7 | 78.3 | 2.2 | 4.2 | 10.6 |
| F-18A | 13.0 | 50.9 | 12.0 | 12.0 | 12.1 |
| AV-8B | 8.0 | 47.7 | 9.0 | 26.3 | 9.0 |
| F-117A | 5.0 | 20.0 | 25.0 | 40.0 | 10.0 |
| B-1 | 15.0 | 41.0 | 22.0 | 1.0 | 21.0 |
| C-17 | 13.0 | 70.0 | 9.0 | 7.0 | 1.0 |
| B-2 | 6.0 | 19.0 | 26.0 | 38.0 | 11.0 |
| F-22 | 5.0 | 20.0 | 41.0 | 24.0 | 10.0 |
| B747 | 13.0 | 81.0 | 4.0 | 1.0 | 1.0 |
| B757 | 12.0 | 78.0 | 6.0 | 3.0 | 1.0 |
| B767 | 14.0 | 80.0 | 2.0 | 3.0 | 1.0 |
| B777 | 11.0 | 70.0 | 7.0 | 11.0 | 1.0 |
1 高強高韌β型鈦合金 β型鈦合金最早是50年代中期由美國Crucible鋼鐵公司研制出的B120VCA合金(Ti-13V-11Cr-3Al)，主要用于制造SR71飛機的高強度板材零件［4］。β型鈦合金具有良好的冷、熱加工性能，易鍛造，可軋制、焊接，可通過固溶-時效處理獲得較高的機械性能、良好的環(huán)境抗力及強度與斷裂韌性的很好配合。新型高強高韌β型鈦合金最具代表性的有以下幾種［5］：
Ti1023(Ti-10V-2Fe-3Al)鈦合金是一種為適應損傷容限設計原則而產(chǎn)生的高結構效益、高可靠性和低制造成本的鍛造鈦合金。由表2可以看出，Ti1023合金的拉伸強度、斷裂韌性和疲勞性能明顯優(yōu)于Ti-6Al-4V，并與飛機結構中常用的30CrMnSiA高強度結構鋼相當。這種Ti1023合金具有優(yōu)異的鍛造性能，在760℃可進行等溫鍛造，提供各種近凈型加工鍛件?？衫涑尚蜹i153(Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn)高強度β鈦合金的冷加工性能比工業(yè)純鈦還好，可在固溶狀態(tài)下進行各種復雜零件的冷成形，時效后的室溫拉伸強度可達1000MPa以上，該合金特別適宜制造火箭發(fā)動機推進劑貯箱和導管等部件。 表2 Ti1023與Ti-6Al-4V和30CrMnSiA的力學性能對比 |
| 性能 | Ti1023 | Ti-6Al-4V | 30CrMnSiA |
| 密度/103kg．m-3 | 4.65 | 4.51 | 7.75 |
| 室溫拉伸強度/MPa | ≥1105 | ≥895 | ≥1080 |
| 比強度 | ≥238 | ≥198 | ≥139 |
| 300℃拉伸強度/MPa | 1005 | 690 | 955 |
| 斷裂韌性/MPa．m1/2 | ≥60 | ～55 | ～80 |
| 疲勞極限/MPa |
|
|
|
| Kt=1，R=0.1，N=107 | 735 | 539 | - |
| Kt=3，R=0.1，N=107 | 341 | 258 | 329 |
| 注：Kt—缺口系數(shù)；R—缺口圓角半徑；N—周次 另外，美國鈦金屬公司Timet分部研制成的一種新型抗氧化、超高強鈦合金β21S(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si)，在649℃具有良好的抗氧化性能，可在540℃下長期工作；冷、熱加工性能優(yōu)良，可制成厚度為0.064mm的箔材，冷軋變形量達75%左右，不需要中間退火；已被美國國家宇航局(NASA)確定用作碳化硅/鈦復合材料的基體材料，并將用于美國國家航空航天飛機(NASP)的機身和機翼壁板。日本鋼管公司(NKK)研制成功的SP-700(Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe)鈦合金，在770～800℃就呈現(xiàn)超塑性，延伸率高達2000%。該合金強度高，超塑成形溫度比Ti-6Al-4V低140℃，可取代Ti-6Al-4V合金用超塑成型—擴散連接(SPF/DB)技術制造各種航空航天構件。目前，美國RMI鈦公司計劃開發(fā)這種合金在飛機結構及轉動零件方面的應用市場。雖然它的價格比Ti-6Al-4V大約高出10%，但由于生產(chǎn)成本的降低，所以整個成本基本持平。俄羅斯研制出的BT-22(Ti-5V-5Mo-1Cr-1Fe-5Al)，其拉伸強度≥1105MPa，該合金已成功地用來作IL-86和IL-96-300的機身、機翼、起落架和其他高承載部件。通過熱處理可使20cm厚的部件獲得較高性能［4,6,7］。 2 高溫鈦合金 高溫鈦合金是隨著航空工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來的，其研制工作始于50年代初。世界上第一個研制成功的高溫鈦合金是Ti-6Al-4V，使用溫度為300～350℃。隨后相繼研制出IMI550、BT3-1等合金，使用溫度稍有提高，達400℃左右。60年代，各國先后研制成功了IMI679、IMI685、Ti-6246、Ti-6242等合金，使用溫度在450℃以上，均不超過500℃。目前已成功地應用在軍用和民用飛機發(fā)動機中的新型高溫合金有：英國的IMI829、IMI834合金；美國的Ti1100合金；俄羅斯的BT18Y、BT36合金等。表3為高溫鈦合金的使用溫度及化學成分［7］。 表3 高溫鈦合金的使用溫度及化學成分 |
| 國家 | 合金 | 最高使用溫度/℃ | 化學成分ω/% |
| Al | Sn | Zr | Mo | Nb | Si | 其他 |
| 美國 | Ti-64
Ti-6246
Ti-6242
Ti-6242S
Ti-1100 | 300
450
450
520
600 | 6
6
6
6
6 |
2
2
2
2.7 |
4
4
4
4 |
6
2
2
0.4 | 4V
|
0.1
0.45 |
|
| 英國 | IMI550
IMI679
IMI685
IMI829
IMI834 | 425
450
520
580
590 | 6
2
6
5.5
5.5 | 2
11
3.5
4 |
5
5
3
4 | 4
1
0.5
0.3
0.3 |
1
1 | 0.5
0.2
0.25
0.3
0.5 |
0.06C |
| 俄羅斯 | BT3-1
BT8
BT9
BT18
BT18Y
BT25
BT25Y
BT36 | 400～450
500
500～550
500～600
550～600
500～550
600 | 6.5
6.5
6.5
8.0
6.5
6.8
6.5
6.2 |
2
2.5
2
2
2 |
8
4
1.7
4
3.6 | 2.5
3.5
3.5
0.6
0.7
2
4
0.7 | 0.5Fe
1
1
| 0.3
0.2
0.3
0.22
0.25
0.2
0.2
0.15 | 1.5Cr
0.15Fe
0.7W
1.0W
5.0W |
| 進一步提高這些合金的工作溫度往往受到蠕變溫度、組織穩(wěn)定性和表面抗氧化能力的限制。美國冶金學家用0.5%～1%Ta(質量分數(shù))代替IMI834合金中的Nb，稱為IMI834-Ta。IMI834-Ta合金的高溫性能與IMI834幾乎相同，600℃時屈服強度達580MPa、蠕變性能高于IMI834。另外，在合金中添加硅和鐵是至關重要的問題，硅能有效地改變蠕變強度；相反，增加鐵含量對蠕變強度卻有致命影響，鐵含量必須控制在0.015%以下。減少偏析程度和夾雜物，對提高高溫合金的性能有明顯的作用。近幾年國外把采用快速凝固/粉末冶金技術研制鈦設備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。美國麥道公司采用這種技術成功地研制出一種高純度、高致密性鈦合金，在760℃下其強度相當于目前室溫下使用的鈦合金強度［8］。 3 鈦鋁化合物為基的鈦合金 與一般鈦合金相比，鈦鋁化合物為基的Ti3Al(α2)和TiAl(γ)金屬間化合物的最大優(yōu)點是高溫性能好(它們的最高使用溫度分別為816和982℃)、抗氧化能力強、抗蠕變性能好(見圖1)［9］和重量輕(它們的密度與鈦合金相當，只有鎳基高溫合金的1/2)，這些優(yōu)點使其成為未來航空用發(fā)動機及飛機結構件最具競爭力的材料。 |
目前，已有兩個Ti3Al為基的鈦合金Ti-21Nb-14Al和Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo在美國開始批量生產(chǎn)。Ti-21Nb-14Al合金已經(jīng)熔鑄出了3200kg重的鑄錠，并軋制出0.08mm×914mm×2438mm的箔材，其蠕變強度與鎳基高溫合金Inconel713相當，最高韌性可達32MPa．m1/2，已制成高壓壓氣機機匣、高壓渦輪支承環(huán)、導彈尾翼和燃燒室噴管密封片等［10］。Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo合金通過熱機械處理(TMP)可獲得具有良好強度、塑性的綜合機械性能：拉伸強度σb=893MPa、屈服強度σ0.2=738MPa、延伸率δ=26%。
80年代后期，鈦鋁為基的高溫鈦合金(如Ti-30Al-12Cr-15V)采用等溫軋制已軋制出尺寸為1.27mm×380mm×690mm的薄板。影響鈦鋁為基的合金迅速推廣應用的主要障礙是在室溫下的低塑性，以及與其相關的低斷裂韌性和高裂紋擴展速率。研究發(fā)現(xiàn)，在鈦鋁中加入Nb、V、Cr和Mn等合金元素可明顯改進其塑性，采用等溫軋制已軋出1.27mm×2400mm×3050mm的鈦鋁基合金薄板。在1149℃就能對超細晶的鈦鋁基合金進行SPF/DB處理，如Ti-46Al-3Cr合金經(jīng)熱機械處理后，在1100℃、1×10-4s-1應變速率下，流動應力為5MPa，可獲得450%的伸長率?？梢?，鈦鋁基合金良好的超塑成形性能，使它可以克服室溫塑性低、難加工成形的問題，制造出大型復雜的薄板構件和NASP用的機身和機翼壁板。近來美國Texas儀器公司和Textron特殊材料公司聯(lián)合研制生產(chǎn)鈦鋁化合物箔材的新工藝的成功，無疑會促進鈦鋁化合物在航空航天構件上的應用。該工藝是用先進等離子噴射成形技術制得薄板，然后經(jīng)冷軋而成箔材。采用此工藝生產(chǎn)鈦鋁化合物箔材，可使其價格較化銑的下降4倍多，即下降到1540美元/kg，材料利用率也由5%～6%提高到80%以上。使用高能球磨和熱等靜壓技術可生產(chǎn)出完全致密的鈦鋁金屬間化合物構件，其室溫塑性可達5%［11］。
另外，在提高鈦鋁化合物抗氧化性方面也取得了一些進展。日本東北工業(yè)技術研究所通過鈦鋁合金與SiC復合，在氧氣氛中加熱，在合金表面上能生成氧化鋁的保護膜，以防止氧化，使抗氧化性能飛速提高。鈦鋁合金在1000℃經(jīng)20h，增加22%重量，而新合金在1100℃經(jīng)60h，僅增加0.1%重量，在1200℃，僅增加0.6%重量［12］。美國橡樹嶺國家實驗室和NASA路易斯研究中心共同開發(fā)出一種簡單、低成本的提高γ鈦鋁化合物抗氧化性的方法(美國專利號5635303)，且效果良好。該方法是將γ鈦鋁化合物試樣經(jīng)過噴丸處理，然后用磷酸溶液(在水中含磷酸85%)進行噴涂處理。最后一道工序是在200℃旋轉甩干，再置于400℃下煅燒30min。在試驗過程中，經(jīng)處理和未經(jīng)處理的Ti-48Al-2Cr-2Nb(原子數(shù)分數(shù))γ鈦鋁化合物試樣在大氣中800℃下進行周期性氧化500h(18～24h為一個循環(huán))。試驗結果表明，經(jīng)處理試樣的氧化速率比未經(jīng)處理的試樣降低了近2個數(shù)量級［13］。 4 阻燃鈦合金 常規(guī)鈦合金在特定的條件下有燃燒的傾向，這在很大程度上限制了其應用。針對這種情況，各國都展開了對阻燃鈦合金的研究并獲得了成功應用。80年代美國P&W和Teledyne Wah Chang Albany公司聯(lián)合研制出對持續(xù)燃燒不敏感的鈦合金AlloyC(也稱為Ti-1270，屬于Ti-V-Cr系，β型鈦合金)，該合金的名義成分為50Ti-35V-15Cr(質量分數(shù))。AlloyC具有較高的強度，尤其是高溫強度，并具有良好的室溫和高溫塑性、蠕變和疲勞性能，可制成板材、帶材、棒材以及鍛件等，已用于F119發(fā)動機。BTT-1和BTT-3是俄羅斯從摩擦機制入手成功地研制出的阻燃鈦合金，均為Ti-Cu-Al系合金(添加Mo、V、Zr)，BTT-1具有良好的熱加工性能，可制成形狀復雜的發(fā)動機零件，如壓氣機機匣和葉片，工作溫度可達450℃。BTT-3合金的工藝塑性比BTT-1合金更好，特別適合于制造各種板材和箔材零件。BTT-3的阻燃能力也高于BTT-1，在相同的試驗條件下，Ti-6Al-4V的摩擦著火溫度為100℃，BTT-1為650℃，BTT-3則大于800℃。表4為部分阻燃鈦合金的性能［14～18］。 表4 部分阻燃鈦合金的性能 |
| 合金 | AlloyC | BTT-1 | BTT-3 |
| 狀態(tài) |
| 棒(Φ20mm) | 板(厚2mm) |
| 密度/103kg．m-3 | 5.33 | 4.88 | 5.04 |
| 彈性模量/GPa | 115 | 120 | 115 |
| 拉伸強度/MPa | 996(室溫)，800(538℃) | 1150(室溫)，640(500℃) | 600～750 |
| 屈服強度/MPa | 900(室溫)，640(538℃) | 1100(室溫)，330(500℃) | 420～460 |
| 延伸率/% | 17～21(室溫)，10(538℃) | 4～8 | 10 |
| 斷面收縮率/% | 24(室溫)，20(538℃) | 10 |
|
| 低周疲勞(N=104)/MPa |
| 600(Kt=2.2) | 300(Kt=2.6) |
| 高周疲勞/MPa | 400/(107周) | 480/2(107周) | 380/2(107周) |
| 100h持久強度/MPa |
| 720(350℃)550(450℃)300(500℃) | 320(350℃) |
| 蠕變強度/MPa | 345(538℃,0.1/100h) | 370(450℃,0.2/100h) |
|
| 5 結束語 航空航天用高性能金屬材料目前雖然面臨著先進復合材料的挑戰(zhàn)，但通過對現(xiàn)有金屬材料性能的進一步改進和發(fā)展性能更好的新材料(如鈦鋁基鈦合金等)，采用先進的制造技術(如超塑成形等近凈型加工)，以及降低鈦合金的制造成本(如日本一家公司研究出一種制造鈦合金的新方法，該方法為粉末冶金法的一種，可以使鈦合金由粉末狀態(tài)制成成品。與常用的熔解法相比，新方法可在較短時間內制成相同性能的產(chǎn)品，而且生產(chǎn)成本只有熔解法的25%～50%)［19］，相信高性能的金屬材料仍將是未來十分重要的航空航天結構和功能材料。 |
