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。可冷成形Ti153(Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn)高強度β鈦合金的冷加工性能比工業純鈦還好，可在固溶狀態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

　　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的發展而發展起來的，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

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)，這些優點使其成為未來航空用發動機及飛機結構件最具競爭力的材料。

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　　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。Ti-21Nb-14Al合金已經熔鑄出了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^．m^1/2，已制成高壓壓氣機機匣、高壓渦輪支承環、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σ_b=893MPa、屈服強度σ_0.2=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。研究發現，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。可見，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特殊材料公司聯合研制生產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，然后經冷軋而成箔材。采用此工藝生產鈦鋁化合物箔材，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20h，增加22%重量，而新合金在1100℃經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，經處理和未經處理的Ti-48Al-2Cr-2Nb(原子數分數)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)。試驗結果表明，經處理試樣的氧化速率比未經處理的試樣降低了近2個數量級^［13］。

4　阻燃鈦合金

　　常規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公司聯合研制出對持續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)。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

　　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，但通過對現有金屬材料性能的進一步改進和發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品，而且生產成本只有熔解法的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。