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知识分享，，，，，，钛合金在四大领域上的应用现状及前景展望

发布时间：2021-11-05点击：2908

一、钛合金在海洋工程上的应用现状及前景展望

㈠、引言

占地球表面积约71% 的海洋中蕴藏着丰富的资源，，，，，，开发海洋、利用海洋，，，，，，让海洋成为我们巨大财富的源泉，，，，，，这已成为人们多年来努力的方向之一。。。。。。。但是，，，，，，由于海水中含有大约3.5% 的含盐量，，，，，，因此，，，，，，海水具有腐蚀性。。。。。。。此外，，，，，，海洋中的某些生物污染也加速了海水的腐蚀。。。。。。。

钛是一种物理性能优良、化学性能稳定的材料。。。。。。。钛及其合金强度高、比重小，，，，，，耐海水腐蚀和海洋气氛腐蚀，，，，，，可以很好地满足人们在海洋工程方面应用的要求。。。。。。。经过钛业界人士和海洋工程应用研究人员多年的努力，，，，，，钛已经在海洋油气开发、海港建筑、沿海发电站、海水淡化、船舶、海洋渔业及海洋热能转换等领域取得了广泛的应用。。。。。。。现在，，，，，，海洋工程用钛已成为钛民用应用的主要领域之一。。。。。。。

㈡、应用现状

2.1 海洋油气开发

石油是一个国家的经济命脉。。。。。。。据估计，，，，，，世界可开采的石油资源储量为3000亿吨，，，，，，其中海底石油储量约为1300 亿吨。。。。。。。海底石油的开发，，，，，，开始于20 世纪初。。。。。。。它的发展经历了从近海到远海、从浅海到深海的过程。。。。。。。受技术条件和材料发展的***，，，，，， ***初只能开采从海岸直接向浅海延伸的石油、天然气矿藏。。。。。。。20 世纪80 年代以来，，，，，，在能源危唬�；；；；；；图际踅降拇碳は�，，，，，，近海石油勘探与开发飞速发展，，，，，，海洋石油开发迅速向大陆架挺进，，，，，，逐渐形成了崭新的近海石油工业部门。。。。。。。海上钻井平台是实施海底油气勘探和开采的工作基地，，，，，，它标志着海底油气开发技术的水平。。。。。。。海上石油开采设备主要包括采油平台和附属设备，，，，，，附属设备有原油冷却器、升油管、泵、阀、接头和夹具等。。。。。。。这些设备均与海水及原油中的硫化物、氨、氯等介质接触。。。。。。。由于钛在这些介质中具有优异的耐蚀性，，，，，，所以美国在上世纪70 年代初就在其油田中使用了钛制造的近海石油平台支柱，，，，，，同时用钛制造了列管式换热器和板式换热器。。。。。。。钛列管式换热器利用海水作为冷却介质，，，，，，把从油井里抽出的高温汽/ 油混合物冷却。。。。。。。钛板式换热器也是利用海水作为冷却介质，，，，，，把碳钢换热器内冷却原油的淡水冷却。。。。。。。美国在北海油田钻井平台上大约使用了100 个钛热交换器。。。。。。。位于英国苏格兰阿伯丁的亨廷油田服务公司订购的钛制部件据说是世界上***个钛制高压立管式竖井，，，，，，用于美国大陆石油公司（Conoco）挪威的Heidrum 工程项目中。。。。。。。

石油钛合金钛钻探管的使用寿命较长，，，，，，其重量仅为不锈钢的一半，，，，，，而使用灵活性却是不锈钢的二倍，，，，，，使用寿命为钢的10 倍。。。。。。。这些优异的性能使得钛成为一种用于钻探难度较大的近圆形、且深度深的油井的***材料。。。。。。。包含有钛钻探管的组合钻具可以极大地减少钻探时间、降低钻探总成本。。。。。。。美国的GrantPrideco 公司、RTI 能源系统公司及Torch 钻探服务公司在2000 年***将钛钻探管用于工业应用。。。。。。。GrantPrideco 公司和RTI 能源系统公司共同生产和供应的钛钻探管还配有GrantPrideco 抗疲劳公司提供的钢工具接头。。。。。。。这种接头的重量轻、使用灵活性好，，，，，，且可以使钛钻探管坚固结实。。。。。。。

据资料报道，，，，，，在美国北海油田开发项目中，，，，，，船上浮体装置和海底固定装置的用钛量比以前有所增加。。。。。。。24 台船上浮体装置和64 台海底固定装置对钛材的需求量为：安全保唬�；；；；；；ぷ爸�50 ～ 100t,连接装置50 ～ 100t, 通用升降设备400 ～ 1000t, 钻杆1400 ～ 4200t。。。。。。。海上石油开采平台生物污染引起的结构件腐蚀是相当严重的，，，，，，美国一家公司在开采平台上使用了钛管制成的长套管，，，，，，对平台上的部位进行保唬�；；；；；；ぁ！�。。。。。

在过去几年里，，，，，，钛合金部件在石油钻探和海滨生产作业中的应用明显增加。。。。。。。钛合金部件使得石油钻探可以进入更深的水域和更深的油井，，，，，，包括更高的温度和腐蚀严重（即多盐）的生产环境。。。。。。。

对于这类应用，，，，，，从综合性能来考虑，，，，，，TC4 钛棒（Ti-6Al-4V）基合金是***适用的，，，，，，且成本***低。。。。。。。海水管道系统是海底石油开采不可缺少的部分，，，，，，由于钛对海水具有很高的耐蚀性，，，，，，其使用寿命为钢系的10 倍，，，，，，因此，，，，，，钛管系的成本与Cu-Ni 系统相比是合算的。。。。。。。美国活性金属公司与精密管技术公司合办了一个钛管技术公司，，，，，，生产一种大口径钛合金管。。。。。。。这种管子所使用的合金是TA18（Ti-3Al-2.5V）合金，，，，，，口径为650mm, 壁厚为22 ～ 25mm, 长度为350m, 一根管子重达80 ～ 90t, 计划用于海底石油开采。。。。。。。美国另一家公司利用长度为15m、外径为600mm、壁厚为25mm 的无缝钛合金管通过挤压方法制成了近500m 长的竖井管，，，，，，已经用于一个近海钻井平台。。。。。。。据称，，，，，，这种竖井管的重量可以减轻一半，，，，，，从而大大降低压载成本，，，，，，另外，，，，，，还具有很高的断裂韧性和较长的疲劳寿命。。。。。。。

实践证明，，，，，，Ti-6Al-4V（Gr.5_TC4）合金是钻井管的***佳材料，，，，，，作为钻井应用，，，，，，屈服强度和疲劳强度是***重要的，，，，，，因此，，，，，，两种特别低间隙元素的Gr.5 合金适用于比较关键的动态提升装置。。。。。。。当使用温度超过75 ～ 80℃时，，，，，，为了防止缝隙腐蚀或应力腐蚀，，，，，，使用含钌的Gr29 合金。。。。。。。

***常用的部件包括海滨钻井提升装置、钻探管、锥形应力接头（TSJ）和钛/ 钢混合提升装置。。。。。。。

钛泵、阀、接头、紧固件、夹具和零配件等小型钛部件在石油开采平台上已经广泛使用。。。。。。。国外海上石油勘探测井仪器外壳上也大量使用了钛合金。。。。。。。

2.2 海港建筑

钛材表面有一层厚度不超过10nm的氧化膜，，，，，，它在腐蚀环境中非常稳定，，，，，，对空气、海水及海洋环境具有优异的耐蚀性，，，，，，是目前***能适应各种海洋环境的原材料。。。。。。。日本大力进行海洋开发，，，，，，如本洲到四国的大桥、东京湾横跨道路、关西机场、浮式储油基地等。。。。。。。日本建设省和钢铁俱乐部在大井川洋面进行的暴露试验以及运输省和钢管桩协会在波崎漂沙栈桥上的各种防腐暴露试验等的调查报告也都显示了钛是***合适的材料。。。。。。。钛除了具有优异的防腐性能外，，，，，，还具有海水环境下溶出离子极少，，，，，，无毒性，，，，，，不必担心污染环境等优点。。。。。。。日本还建造了一个超大型浮式海洋建筑物，，，，，，在海水冲刷处使用了钛钢复合材；；；；；；；；在东京湾横跨公路的建设中使用了钛材做桥墩的防溅躯干，，，，，，每个桥墩的用钛量为0.9t。。。。。。。已经使用或计划中的大型浮式海洋建筑有机场、港湾物流基地、体育设施等等。。。。。。。

2.3 沿海发电站

海水的综合利用是海洋工程中的重要项目之一，，，，，，沿海发电站凝汽器是利用海水量较大的设备。。。。。。。沿海电站用钛主要是凝汽器用钛。。。。。。。由于冷凝器是用海水做冷却水的，，，，，，而海水中含有大量的泥砂、悬浮物质、海生物和各种腐蚀性物质，，，，，，在海水与河水交替变化的淡盐水中的情况更为严重。。。。。。。传统的凝汽器是用铜合金管，，，，，，这种铜合金管在海水中因各种腐蚀，，，，，，经常遭到严重破坏。。。。。。。钛在海水，，，，，，特别是污染海水中具有良好的耐蚀性，，，，，，耐海水的高速冲刷腐蚀性能尤为突出。。。。。。。

2.4 海水淡化装置

“水是生命之源”。。。。。。。目前，，，，，，水资源缺乏成为困扰全世界的问题。。。。。。。世界上约25% 的人口没有充足的饮用水资源。。。。。。。世界上的陆地河流、地下水资源已远远满足不了工业发展的需要，，，，，，因此，，，，，，将来海水淡化将是人类解决淡水资源的有效的方法。。。。。。。

从国内外海水淡化的发展来看，，，，，，主要由两种方法：蒸馏法和反渗透法。。。。。。。前者是将海水加热使其汽化，，，，，，然后将蒸汽冷凝而获得淡水。。。。。。。后者是将海水加压，，，，，，使其中的淡水透过一种特殊的膜而将盐分截留获得淡水。。。。。。。早期的海水淡化装置使用铜合金、碳素钢等材料，，，，，，因这些材料不耐海水腐蚀，，，，，，生产效率低，，，，，，很快被耐海水腐蚀性能优异的钛所代替。。。。。。。在海水淡化中，，，，，，钛的主要应用是淡化装置的加热器传热管。。。。。。。海水淡化装置的主要生产国是美国和日本。。。。。。。到2004 年，，，，，，全世界已建和在建海水淡化装置已有15000多台，，，，，，日产淡水约3200 万吨。。。。。。。日本公司为沙特建造日产淡水3 万吨的蒸馏法装置10 台，，，，，，用钛管3200 吨，，，，，，平均日产1 万吨的装置，，，，，，需用钛107 吨。。。。。。。

我国的天津、山东等地均建有或在建海水淡化装置。。。。。。。如天津市海水淡化的初步规划是到2007 年日产淡水量达50万吨，，，，，，到2010 年达到70 万吨。。。。。。。预计天津和山东的海水淡化工程用钛量大约是250 吨。。。。。。。

2.5 船舶

钛及其合金在海水及海洋气氛中耐腐蚀，，，，，，且比重轻、强度高、抗冲击、无磁、透声、膨胀系数小，，，，，，被认为是良好的船舶材料。。。。。。。近年来，，，，，，钛在船舶上的应用备受人们的关注。。。。。。。各国海军和船舶工业对钛在船舶上的应用研究也十分重视，，，，，，研制出了许多牌号的船用钛合金。。。。。。。钛及其合金在船舶中的应用十分广泛，，，，，，如船体结构件、深海调查船及潜艇耐压壳体、管道、阀、船舵、轴托架、配件、动力驱动装置中的推进器和推进器轴、热交换器、冷却器、船壳声呐导流罩等等。。。。。。。

钛在舰船壳体上***应用是前苏联的α 级潜水艇。。。。。。。随后，，，，，，钛被用于人工或者无人驾驶的深海研究及深海援助潜水艇。。。。。。。一般的结构件用工业纯钛，，，，，，压力容器用Ti-6Al-4V 合金。。。。。。。据资料报道，，，，，，船体结构用钛不但可以减轻船体自身重量，，，，，，增加有效载入重量，，，，，，而且可以减少维护、延长船舶的使用寿命。。。。。。。铝合金、软钢等船体结构材，，，，，，一般10 年就要维护，，，，，，而钛材几乎不需要维护修理，，，，，，寿命也可从一般的20 年左右延长到30 ～ 40年。。。。。。。

日本在深海调查船用钛合金方面的研究卓有成效，，，，，，在“深海6500”可容纳3 名操作员的耐压仓中几乎全部都使用了钛合金材料。。。。。。。这是三菱重工业神户造船厂长时间努力的结果。。。。。。。潜艇用钛量较大，，，，，，如一艘下潜深度900m 的核潜艇的用钛量高达3500t。。。。。。。

2.6 海洋渔业

据报道，，，，，，日本渔业已经由捞鱼向鱼类养殖业转变，，，，，，狮鱼、比目鱼、鳗鱼等已实现人工养殖。。。。。。。在人工养殖技术中，，，，，，大量使用了钛金属网和维持一定海水温度的钛管式热交换器。。。。。。。我国福建沿海一带地区实现了人工养殖石斑鱼，，，，，，所用的钛板式养殖筐对养殖石斑鱼带来了极好的效益。。。。。。。

2.7 海洋热能转换

海洋中蕴藏着巨大的能量，，，，，，如潮汐能、波浪能、温差能、海流能和盐差能等等。。。。。。。随着世界能源的日益紧缺，，，，，，人们对海洋能源进行开发和利用的兴趣会更大。。。。。。。已研究和开发了温差发电和潮汐发电项目。。。。。。。温差发电的原理是利用海洋表面温度较高的海水将氨或者氟里昂汽化来驱动涡轮机转动发电，，，，，，再用海洋深层的低温海水将汽化的氨或者氟里昂冷却，，，，，，构成一个不断循环的热机系统。。。。。。。

温差发电的主要设备是蒸发器、凝缩器及海水吸管、环路等，，，，，，要求设备不仅要耐腐蚀，，，，，，而且还要耐氨和氟的腐蚀，，，，，，钛及其合金不但具有良好的耐海水腐蚀性能，，，，，，而且还耐氨和氟的腐蚀，，，，，，所以钛是***理想的材料。。。。。。。

美国、日本的温差发电站上都使用了钛管式蒸发器和凝缩器，，，，，，取得了良好的效果。。。。。。。

㈢、前景展望

海洋工程作为新兴的钛的民用市场，，，，，，近年来发展很快。。。。。。。随着世界能源危唬�；；；；；；慕徊郊泳�，，，，，，世界各国将投入大量的人力和物力开采海底石油资源和其它矿物资源；；；；；；；；全球性淡水日益缺乏的趋势中，，，，，，各个沿海国家都将利用海水来制取淡水；；；；；；；；况且，，，，，，各军事大国的海军装备竞争日益激烈等等，，，，，，这些都离不开钛及钛合金材料。。。。。。。因此，，，，，，钛及其合金在海洋工程上的应用会越来越广泛。。。。。。。预计海洋工程用钛有望成为钛材的一个较大的应用市场。。。。。。。

二、钛合金民用健康产品市场情

1、目前市场情况

目前，，，，，，国内外餐具、炊具材料广泛使用的是铁、铝、不锈钢这些材料，，，，，，在使用中对人体都或多或少会产生一些不利于健康的因素：

①铁锅：到了菜里的铁，，，，，，是三价铁，，，，，，人体是不能吸收，，，，，，人体只能吸收二价铁。。。。。。。

②铝锅：在高温酸、碱条件下会有铝溶出，，，，，，引发铝中毒，，，，，，是不安全的。。。。。。。国际卫生组织明文禁止铝锅接触含有盐类的食品使用。。。。。。。

③不粘锅：大部分是采用“特富龙”

涂料，，，，，，美国政府指控它是致癌物质。。。。。。。特富龙在高温下，，，，，，会释放出十几种有害气体，，，，，，导致一些呼吸道敏感的动物死亡。。。。。。。

但这些气体对人体的毒害作用还没有确定。。。。。。。

④搪瓷餐具：涂在搪瓷制品外层的实际上是一层珐琅质，，，，，，含有硅酸铝一类物质。。。。。。。因为翻炒的碰撞摩擦，，，，，，极易造成破损，，，，，，使硅酸铝一类物质便会转移到食物中去。。。。。。。

⑤陶锅、砂锅：潜在危害主要有两方面：一是土砂锅的釉质，，，，，，二是“伪紫砂”。。。。。。。“伪紫砂”添加铁红粉、二氧化锰等化学颜料配制加工而成，，，，，，用化工制剂进行增色制造而成，，，，，，而非真正紫砂。。。。。。。

2、钛健康产品优势

钛健康产品的优势是在钛金属表面生有一层牢固的氧化钛化合物薄膜，，，，，，化学性质极其稳定，，，，，，甚至酸中的“王水”都奈何不了它。。。。。。。钛锅在烹饪时不与食材发生化学反应。。。。。。。所以能烹饪出食材的原汁原味，，，，，，纯钛锅是***可以用来煎中药的金属锅。。。。。。。

在美国和日本，，，，，，人们称钛锅是美味锅，，，，，，原汁原味的美味就是健康元素。。。。。。。

钛锅的热功能优异：能低温、快速、低油脂的烹饪出绿色佳肴，，，，，，***大限度的保留食材的营养成分和口感。。。。。。。高营养的绿色食品是健康元素。。。。。。。

钛制餐具、炊具的使用优势体现在以下几个方面：

⑴强防腐蚀性：比不锈钢更耐腐蚀，，，，，，即使盛装腐蚀性***强的“王水”（浓硫酸与浓硝酸的混合物）也毫无锈迹，，，，，，长时间烹煮和存放酸性和碱性的食物也不会产生金属异味，，，，，，还可以用来煲中药。。。。。。。

其它金属的锅具无法做到这一点。。。。。。。

⑵高硬度：比不锈钢的硬度高很多，，，，，，耐磨、耐刮，，，，，，半永久使用。。。。。。。

⑶重量轻：太太使用很轻松，，，，，，重量只有铁锅的一半，，，，，，使用轻便。。。。。。。

⑷无需保养：丈夫使用很放心高温烧不坏，，，，，，摔不坏，，，，，，无需保养。。。。。。。

⑸抗菌性：具有天然的光触媒抗菌效果，，，，，，在自然光线下具有天然的抗菌作用，，，，，，卫生、无细菌污染。。。。。。。

⑹不粘效果：良好的不粘效果，，，，，，和铁锅相当，，，，，，但不能完全不粘。。。。。。。

⑺节能：省时节能，，，，，，传热速度是铁锅的7 倍，，，，，，是复合底钢锅和合金锅的数十倍，，，，，，炒菜节省能源。。。。。。。

⑻生物亲合性：是人体亲和金属长时间接触也不会过敏，，，，，，医疗上已取代不锈钢作为“人骨”植入人体内。。。。。。。

⑼使用范围：可以使用火炉和陶磁炉⑽健康性：99.75％高纯度的钛金属制成无涂层，，，，，，是***健康安全的金属锅具。。。。。。。

⑾表面不粘性：电解研磨更加***彻底，，，，，，不存在机械抛光遗留的有害粉尘颗粒，，，，，，电解研磨的钛锅呈现细微的凹凸表面，，，，，，可以提升传热速度和不粘性。。。。。。。

⑿众人眼中的形象：在公众眼中钛是用来做航天飞机、核反应堆、首饰、眼睛架高尔夫球棍等***品。。。。。。。

钛金属拥有这样***的特性，，，，，，同时钛也是非常难以加工的金属。。。。。。。对钛加工技术和加工手段的了解和认识制约了相关企业进入这一领域，，，，，，到目前，，，，，，国内钛制餐具、炊具还是一块***地，，，，，，正在等待有识之士的开发。。。。。。。本项目技术生产的钛制餐具、炊具克服了纯钛金属难展现艺术性的难度和美感的刻板印象，，，，，，并有着鲜艳的颜色，，，，，，让科技与生活工艺***结合。。。。。。。使千家万户真正体会到“要健康，，，，，，用钛锅！

钛合金建筑装饰材料应用介绍

金属材料用于建筑，，，，，，特别是屋顶，，，，，，首先应用的是铜，，，，，，依次开发使用的是表面处理过的钢板、铝、不锈钢和钛。。。。。。。随着国民经济的持续发展和人民生活水平的不断提高，，，，，，人们对城市建筑物的要求，，，，，，特别对建筑物的美观性要求越来越高。。。。。。。

近年来建筑师追求使用比传统材料更***的新型建筑材料。。。。。。。钛金属具有许多非常优异性能，，，，，，完全满足对建筑材料的许多特殊性能要求，，，，，，因而倍受建筑师和建筑业的青睐。。。。。。。

日本是首先将钛应用于建筑物的国家，，，，，，也是在建筑物上应用钛***多的国家。。。。。。。

其主要是应用于建筑物的屋顶，，，，，，以及大厦幕墙、港口、桥梁、隧道、外壁、门牌、栏杆、管道等。。。。。。。英国、法国、美国、西班牙、荷兰、加拿大、比利时、瑞士均有建筑物使用钛金属作屋顶和幕墙的范例，，，，，，瑞典、新加坡和埃及等国家也在一些新建筑上开始使用钛金属。。。。。。。1997 年西班牙毕尔巴鄂市的古根海姆博物馆就是采用钛金属板构造出去曲面的建筑造型。。。。。。。阿布扎比机场也选用了钛，，，，，，且用量几百吨，，，，，，该机场是世界上***将钛作为建筑结构材料使用的机场。。。。。。。

我国***先提出应用钛金属的建筑是国家大剧院，，，，，，***先应用的是杭州大剧院。。。。。。。

应用钛金属的建筑还有中国有色工程设计研究总院大门厅、杭州临平东来***阁、上海马戏杂技场屋顶和大连圣亚极地世界等。。。。。。。用于城市雕塑的有陕西省宝鸡市河滨公园内的钛雕塑“海豚与人”、河北省邢台市中心广场的钛雕塑“乾坤球”、陕西省宝鸡市步行街的钛雕塑“雄鸡报晓”等。。。。。。。

我国钛金属生产技术基本成熟，，，，，，生产设计规模很大，，，，，，但销售市场不大，，，，，，经济效益不理想，，，，，，主要是缺少客户满意的技术经济性能好的产品。。。。。。。我国目前的建筑用钛现状如下：

1、产品单一：作为结构材料，，，，，，没有足够的品种以供使用者选择。。。。。。。作为表面装饰材料，，，，，，目前我国没有形成较大的钛表面处理规模生产企业，，，，，，加工还停留在手工作坊生产方式阶段，，，，，，这不利于大面积使用钛作为装饰用材。。。。。。。

2、品位低：没有较高品质的产品，，，，，，更没有钛及相关复合材料的大量供应，，，，，，只能生产一些模型、城雕、工艺品等，，，，，，没有品位较高的表面装饰材料及其生产手段。。。。。。。

3、价格高：由于没有稳定的高品质的产品，，，，，，不可能有大面积的广泛应用，，，，，，导致使用量小、价格高，，，，，，更不利于推广使用。。。。。。。

4、设计者因素：我国没有类似职业培训制度，，，，，，新材料发明后没有在建筑设计师思维中储存下来，，，，，，导致在建筑原创设计图很少把钛金属设计进去，，，，，，用途就显然少了。。。。。。。

近年来随着全球海洋化的进展以及钛原材料价格不断下跌，，，，，，钛在建筑、装饰领域的需求量和应用范围正在不断拓展，，，，，，预计今后几年在建筑、装饰行业钛材需求量将达5000 吨以上，，，，，，海洋工程和海岛建设钛材需求量将达5000 吨以上，，，，，，造船工业用钛量将达5000 吨以上。。。。。。。

而我国现在还没有一家***从事建筑装饰用钛材生产企业，，，，，，只是将工业用材料简单的应用于民用领域，，，，，，与市场和行业需求差距较大，，，，，，急需建立***化生产线，，，，，，满足这一领域的各项***化需求。。。。。。。

钛是目前能大量生产的、价格***低的、几乎完全不被海水腐蚀的金属。。。。。。。作为建筑材料，，，，，，钛材的反射率较小，，，，，，并呈现淡银灰色，，，，，，拥有迷人的金属自然光泽。。。。。。。

宝鸡钛产业研究院将生产建筑装饰用钛材，，，，，，主要是应用于建筑物的屋顶，，，，，，其次是大厦的幕墙、港湾设施、桥梁、海底隧道、外壁、装饰物、小配件类、立柱装饰、外装、纪念碑、标牌、门牌、栏杆、管道、防蚀被覆等。。。。。。。项目利用国内现有钛板、钛卷带为原料，，，，，，采用整形抛光、压花技术，，，，，，使板材表面光亮，，，，，，色泽一致并具有金属花纹；；；；；；；；采用大面积板材阳极氧化着色技术，，，，，，为板材表面着色，，，，，，形成多彩颜色，，，，，，满足建筑、装饰类材料的需求。。。。。。。

航空用钛合金研究进展

钛元素分布比较广泛，，，，，，其含量超过地壳质量的0.4%，，，，，，全球探明储量约34 亿吨，，，，，，在所有元素中含量居第10 位（氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢、钛）。。。。。。。

美国科学家在1910 年采用“钠法”（钠还原TiCl4）***早获得金属钛，，，，，，但是钛工业并没有随着钛的发现立即得以发展。。。。。。。

直到第二次世界大战后的1948 年，，，，，，卢森堡科学家发明的“镁法”（镁还原TiCl4）在美国用于生产之后钛工业才开始起步。。。。。。。

钛比钢密度小40%，，，，，，而钛的强度和钢的相当，，，，，，这可以提高结构效率。。。。。。。同时，，，，，，钛的耐热性、耐蚀性、弹性、抗弹性和成形加工性良好。。。。。。。由于钛具备上述特性，，，，，，从一出现钛合金就应用于航空工业。。。。。。。1953 年，，，，，，美国道格拉斯公司出产的DC-T 机发动机防火壁和短舱上***使用钛材，，，，，，开始钛合金应用于航空的历史。。。。。。。

航天飞机是***主要的、应用范围***广的航空器。。。。。。。钛是飞机的主要结构材料，，，，，，也是航空发动机风扇、压气机轮盘和叶片等重要构件的***材料，，，，，，被誉为“太空金属”。。。。。。。飞机越先进，，，，，，钛用量越多，，，，，，如美国 F22 ***机用钛含量为41%（质量分数），，，，，，其F119 发动机用钛含量为39%，，，，，，是目前用钛含量***高的飞机。。。。。。。钛合金研究起源于航空，，，，，，航空工业的发展也促进了钛合金的发展。。。。。。。航空用钛合金的研究一直是钛合金领域中***重要、***活跃的一个分支，，，，，，但其发展也极其艰辛，，，，，，如人们花费十几年的精力克服航空发动机用钛合金的“热障”问题。。。。。。。

本文从合金基体相组成角度对钛合金进行归类。。。。。。。以飞机为航空器的代表，，，，，，着重介绍钛合金在航空发动机、飞机机身、航空紧固件等方面的应用研究情况。。。。。。。***后，，，，，，分析航空用钛合金发展过程中存在的问题。。。。。。。

1 钛合金的分类

美、英、俄、法、日等国钛合金的分类多为厂家自定，，，，，，名目繁多。。。。。。。某些公司直接采用元素的化学符号和数字代替所加合金元素及其含量命名，，，，，，如Ti-6Al-4V（相当于我国的TC4），，，，，，各国牌号对照及化学成分如表1 所列。。。。。。。按相组成钛合金可分为：密排六方结构（HCP）的α 型钛合金（包括近α 型合金）—即国内牌号TA、两相混合的α+β 型钛合金—即国内牌号 TC 和体心立方结构（BCC）的β 型钛合金（包括近β型合金）—即国内牌号为 TB 。。。。。。。

1.1 α 型钛合金

退火状态以α 钛为基体的单相固溶体合金为α 型钛合金，，，，，，它主要含Al、Sn 等元素。。。。。。。Al 能增加合金的抗拉和蠕变强度，，，，，，减小钛合金的密度，，，，，，提高比强度，，，，，，是钛合金中重要的合金元素。。。。。。。为了***大限度地发挥铝的固溶强化作用，，，，，，避免因过量Al 引起合金脆化，，，，，，高温钛合金的合金化工作应遵循ROSENBERG 提出的当量经验公式，，，，，，只有这样才能保证合金在提高耐热强度的同时保持良好的热稳定性。。。。。。。α 钛合金中的这些元素通过在相变温度下抑制相变或者提高相变温度而起到稳定作用。。。。。。。与β 型钛合金相比，，，，，，α 型合金具有良好的抗蠕变性能，，，，，，强度、可焊性以及韧性，，，，，，是高温下使用的***合金。。。。。。。同时，，，，，，α 型合金不存在冷脆性，，，，，，它也适合在低温环境中使用，，，，，，扩大了其应用范围。。。。。。。α 型合金锻造性较差，，，，，，容易产生锻造缺陷，，，，，，可通过减少每道次加工率和频繁热处理来控制锻造缺陷。。。。。。。α 基体为稳定相，，，，，，对于给定成分合金而言，，，，，，其性能变化主要是晶粒大小的变化，，，，，，因为屈服强度和抗蠕变强度均与晶粒大小、变形时储存的能量有关。。。。。。。α 型钛合金不能通过热处理来提高强度，，，，，，退火后强度基本无变化或少有变化。。。。。。。有些合金含有较多的 Al、Sn、Zr 及少量的β 稳定元素（一般小于2%）。。。。。。。尽管这些合金中含有β 相，，，，，，但基体主要由α 相组成，，，，，，在热处理敏感性和加工性能上都与α 型合金很接近，，，，，，被称为近α 型钛合金。。。。。。。近α 型合金是在人们认识到采用固溶合金元素强化α 基体可以得到高的蠕变强度基础上开发的，，，，，，大多数近α型合金因具有较好的热稳定性，，，，，，现在已成为高温钛合金的重要合金种类。。。。。。。它的强化机制是β 相中原子扩散快，，，，，，易于发生蠕变，，，，，，β 稳定元素还有抑制α 相脆化的作用（即延缓α 中形成有序相的过程）。。。。。。。

常见的α 型钛合金（包括近α 型合金）有Ti811（Ti-8Al-1Mo-1V）、Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V、Ti-679（Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.25Si）、BT18（Ti-7.7Al-11Zr-0.6Mo-1Nb-0.3Si）和Ti6242S（Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si）等，，，，，，其成分和性能如表2所列。。。。。。。

1.2 α+β 型钛合金

为提高钛合金的强度和韧性，，，，，，人们研制出α+β 型钛合金。。。。。。。与其他钛合金相比，，，，，，α+β 合金中同时加入α 稳定元素和β 稳定元素，，，，，，使α 和β 相得到强化。。。。。。。α+β 合金具有优良的综合性能，，，，，，如其室温强度高于α 合金的，，，，，，热加工工艺性能良好，，，，，，可以进行热处理强化，，，，，，因此适用于航空结构件。。。。。。。α+β 型钛合金退火组织为α+β 相，，，，，，β 相含量一般为5%~40%。。。。。。。但其组织不够稳定，，，，，，使用温度***高只能到500℃，，，，，，焊接性能和耐热性低于α 型钛合金。。。。。。。

α+β 型钛合金主要有TC4（Ti-6 A l - 4 V ）、T C 6 （ T i - 6 A l - 1 . 5 C r -2.5Mo-0.5Fe-0.3Si）、TC11（Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si）、TC17（Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr）、TC19（Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo）和TC21（Ti-6.2Al-2.8Mo-2Nb-2Sn-2.1Zr-1.3Cr）等。。。。。。。其中TC11 合金也被称为近β 合金。。。。。。。

ZHOU 提出了一种TC11 合金加工工艺，，，，，，先将合金在低于β- 转变温度15°下进行热处理，，，，，，随后快速水冷，，，，，，再经过高温和低温增韧强化热处理，，，，，，获得一种新的显微组织。。。。。。。这种新组织基体由15%等轴α 晶粒、50%~60% 层状α 晶粒和已转变完成的β 晶粒组成。。。。。。。其研究结果显示该合金表现出较高的抗疲劳性能，，，，，，较长的蠕变疲劳寿命，，，，，，高韧性和优良的高温服役性能，，，，，，并且不降低塑性和热稳定性。。。。。。。

并且对该新工艺和强韧化机理的实验原理进行了讨论。。。。。。。该加工工艺实际应用的关键问题就是对温度的准确控制。。。。。。。

这种TC11 钛合金加工工艺已应用于生产可靠的航空发动机压气机盘、旋转子和其他部件。。。。。。。

1.3 β 型钛合金

β 稳定元素含量足够高，，，，，，且固溶处理后快速冷却β 相保留至室温得到的合金称为β 型钛合金。。。。。。。按照稳定状态组织类型分类，，，，，，β 钛合金可分为稳定型β 钛合金，，，，，，亚稳型β 钛合金，，，，，，如图1所示。。。。。。。在图1 中，，，，，，MS 为马氏体相变温度线，，，，，，βC 为亚稳型合金的β 稳定元素***低含量，，，，，，βS 为稳定型合金β 稳定元素***低含量。。。。。。。

β 合金在固溶状态下冷成形性能良好，，，，，，而且淬透性和热处理响应性也优良。。。。。。。

常用的热处理方法是先固溶处理，，，，，，然后在 450~650℃时效，，，，，，合金原β 基体上会析出细小的α 相，，，，，，形成弥散分布的第二相，，，，，，这就是β 合金的强化机理。。。。。。。由于β 钛合金比其他类型钛合金在时效时析出更多的α 相，，，，，，含有更多的α-β相界面阻碍位错运动，，，，，，因此β 钛合金的室温强度***高。。。。。。。

金属材料在变形和断裂过程中吸收能量的能力称为韧性，，，，，，材料吸收的能量越多，，，，，，韧性也就越好。。。。。。。断裂韧性是表示材料韧性的指标，，，，，，反映材料对裂纹和其他尖锐缺陷扩展的抵抗能力。。。。。。。通常来说，，，，，，钛合金的断裂韧性和强度呈反比趋势，，，，，，即强度提高的同时断裂韧性下降。。。。。。。研究β 钛合金在航空航天工业的应用，，，，，，需要设计同时具备良好强度和断裂韧性的显微组织以及加工工艺和热处理制度。。。。。。。合金成分和显微组织是决定β 钛合金断裂韧性的两个主要因素。。。。。。。合金成分决定合金中β 相的数量，，，，，，也决定合金的类型和断裂韧性。。。。。。。显微组织的形态、数量、体积同样影响合金断裂韧性的高低。。。。。。。付艳艳等认为β 钛合金的β 稳定元素和中型元素Zr 可以提高合金的强度，，，，，，降低断裂韧性。。。。。。。细小的β 晶粒并不能有效提高时效态β 钛合金的强度，，，，，，会降低Ti-15-3 合金的断裂韧性，，，，，，但对β-C和Ti-1023 合金的断裂韧性无明显影响。。。。。。。

时效态β 钛合金的强度主要取决于时效析出的次生α 相的含量和尺寸，，，，，，在含有同样初生α 相的情况下，，，，，，细小的次生α 相可以显著提高合金的强度。。。。。。。

初生α 相的粗化以及初生相从球状转变为片状会导致β 钛合金塑性降低，，，，，，断裂韧性提高。。。。。。。β 钛合金的双态组织具有良好的强度、塑性和韧性的匹配。。。。。。。

β 钛合金之所以得到广泛的应用，，，，，，也是因为其时效后具有其他类型的钛合金无法比拟的高强度和高塑性优势。。。。。。。同时，，，，，，β 钛合金所具有的可热处理强化性和深淬透能力使得它逐渐代替α+β两相钛合金成为用于飞机机身和机翼的***结构材料，，，，，，在航空航天工业中发挥着越来越重要的作用。。。。。。。

2 航空用钛合金的发展及应用

20 世纪50 年代，，，，，，军用飞机进入超音速时代，，，，，，原有的铝、钢结构已经不能满足新的需求，，，，，，钛合金恰恰在这个时候进入了工业性发展阶段。。。。。。。钛合金因密度小、比强度高、耐蚀、耐高温、无磁、可焊、使用温度范围宽（269~600℃）等优异性能，，，，，，而且能够进行各种零件成形、焊接和机械加工，，，，，，在航空领域很快得到广泛应用。。。。。。。20 世纪50 年代初期的军用飞机上开始使用工业纯钛制造后机身的隔热板、机尾罩、减速板等受力较小的结构件。。。。。。。20 世纪60 年代，，，，，，钛合金进一步应用到飞机襟翼滑轧、承力隔框、中翼盒形梁、起落架梁等主要受力结构件中。。。。。。。到20 世纪70 年代，，，，，，钛合金在飞机结构上的应用，，，，，，又从战斗机扩大到军用大型轰炸机和运输机，，，，，，而且在民用飞机上也开始大量采用钛合金结构。。。。。。。

进入20 世纪80 年代后，，，，，，民用飞机用钛逐步增加，，，，，，并已超过军用飞机用钛。。。。。。。飞机越先进，，，，，，钛用量越多。。。。。。。表3~5 所列分别为美国第3 代、第4 代战斗机及先进轰炸机、运输机用钛材的质量分数、一般飞机使用的钛合金种类和空客飞机钛合金和复合材料的用量。。。。。。。由表5 可知，，，，，，空客A380 飞机上的钛材使用量已达10%，，，，，，钛材已经成为现代飞机不可缺少的结构材料。。。。。。。根据用途不同，，，，，，可将航空用钛合金分为飞机发动机用钛合金、飞机机身用钛合金和航空紧固件用钛合金。。。。。。。近年来，，，，，，人们对航空用钛合金在上述 3 个方面的应用进行了深入研究。。。。。。。

2.1 航空发动机用钛合金

发动机是飞机的心脏。。。。。。。发动机的风扇、高压压气机盘件和叶片等转动部件，，，，，，不仅要承受很大的应力，，，，，，而且要有一定的耐热性。。。。。。。这样的工况条件对铝来说温度太高；；；；；；；；对钢来说密度太大。。。。。。。钛是***佳的选择，，，，，，钛在300~650℃温度下具有良好的抗高温强度、抗蠕变性和抗氧化性能。。。。。。。同时，，，，，，发动机的一个重要性能指标是推重比，，，，，，即发动机产生的推力与其质量之比。。。。。。。***早发动机的推重比为2~3，，，，，，现在能够达到10。。。。。。。推重比越高，，，，，，发动机性能越好。。。。。。。使用钛合金替代原镍基高温合金可使发动机的质量降低，，，，，，大大提高飞机发动机的推重比。。。。。。。钛在飞机发动机上的用量越来越多。。。。。。。在国外先进航空发动机中，，，，，，高温钛合金用量已占发动机总质量的25%~40%，，，，，，如第3 代发动机F100 的钛合金用量为25%，，，，，，第4 代发动机F119 的钛合金用量为40% 。。。。。。。

航空发动机部件要求钛合金在室温至较高的温度范围内具有很好的瞬时强度、耐热性能、持久强度、高温蠕变抗力、组织稳定性。。。。。。。β 型和近β 型钛合金尽管在室温至300℃左右具有高的拉伸强度，，，，，，但在更高的温度下，，，，，，合金的蠕变抗力和耐热稳定性急剧下降，，，，，，所以β 型钛合金很少用于飞机发动机。。。。。。。α 型和近α 型钛合金具有良好的蠕变、持久性能和焊接性，，，，，，适合于在高温环境下使用。。。。。。。

α+β 型钛合金不仅具有良好的热加工性能，，，，，，而且在中高温环境下还具有良好的综合性能。。。。。。。因此，，，，，，α 型、近α 型和α+β 型钛合金被广泛应用于航空发动机。。。。。。。表6 所列为世界各国研制的飞机发动机用钛合金。。。。。。。

目前，，，，，，航空发动机用高温钛合金的***高工作温度已由350℃提高到600℃，，，，，，能够满足先进发动机对材料的需求。。。。。。。经过世界各国钛合金研究者半个世纪的努力，，，，，，研制出 Ti811（Ti-8Al-1Mo-1V）、Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V、Ti-679（Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.25Si）、TC6（Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si）、TC17（Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr）、TC19（Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo）、TC21（Ti-6.2Al-2.8Mo-2Nb-2Sn-2.1Zr-1.3Cr）、Ti1100（Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-4Mo-0.45Si）、IMI834（Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si-0.06C）等合金。。。。。。。

Ti811（Ti-8Al-1Mo-1V）合金具有密度低、弹性模量高、振动阻尼性能优良、热稳定性好、焊接性能和成型性能好等诸多优点，，，，，，其比刚度是所有工业钛合金中***高的。。。。。。。赵永庆等对Ti811合金热稳定性和高温疲劳性能等问题进行深入研究，，，，，，研究显微组织和试样表面状态对Ti811 合金热稳定性能的影响。。。。。。。结果表明：具有等轴组织和双态组织的Ti811 合金有很好的热稳定性能；；；；；；；；针状组织的存在使Ti811 合金热稳定性能恶化。。。。。。。此外，，，，，，研究认为Ti811 合金在425℃热暴露下，，，，，，表面氧化层及暴露时间对合金的热稳定性能没有明显影响。。。。。。。

高广睿等利用高频疲劳实验机和自制高温微动疲劳装置研究温度、位移幅度、接触压力等因素对Ti811 钛合金高温微动疲劳（FF）行为的影响。。。。。。。结果表明：

在350℃和500℃的高温下，，，，，，Ti811 合金微动疲劳敏感性随着温度的升高微动疲劳的敏感性增强，，，，，，蠕变是高温下Ti811合金FF 失效的重要影响因素，，，，，，位移幅度变化影响疲劳应力因素和磨损在FF 过程中所起作用和机制。。。。。。。

Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V 是前苏联20世纪60 年代研制成功的一种通用性合金，，，，，，该合金能够在300~500 ℃ 温度下工作，，，，，，主要用于生产飞机发动机匣。。。。。。。

OUYANG 等在研究Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V钛合金不同温度和应变速率下的再结晶行为方面做了大量工作。。。。。。。研究结果表明：

在变形温度高于1050℃、应变速率低于0.01s-1 时，，，，，，合金的动态再结晶机制以不连续动态再结晶为主；；；；；；；；在变形温度低于1050℃、应变速率高于0.01s-1 时，，，，，，合金的动态再结晶机制以连续动态再结晶为主，，，，，，同时存在少量的不连续动态再结晶。。。。。。。此外，，，，，，Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V 合金相变时的位向关系与其他钛合金有所不同，，，，，，HE 等对影响该合金相变位向关系的因素进行研究。。。。。。。结果表明：外部因素（如变形应力、应变速率和冷却速率）在β → α 阶段转换遵守Burgers 位向转换规则。。。。。。。然而，，，，，，应变速率和冷却速率能显著影响α 沉淀相的形态。。。。。。。

Ti-679 合金为低铝高锡，，，，，，再添加锆、钼、硅等合金元素而得到的，，，，，，可用作发动机高压压气机叶片和盘。。。。。。。在它的合金元素中，，，，，，铝的作用是提高合金强度，，，，，，但易导致塑形变差，，，，，，用低铝高锡配合，，，，，，可以获得较好的塑形和强度；；；；；；；；钼的作用是避免形成过多的β 相，，，，，，使蠕变强度下降；；；；；；；；而锆的作用是补充强化α 相。。。。。。。Ti-679合金的抗蠕变性能和热稳定性都比较好，，，，，，其工作温度可达450℃。。。。。。。

TC6 钛合金的热强性和热稳定性良好，，，，，，它在高温下的力学行为与微结构的变化引起全世界研究者的广泛关注。。。。。。。白新房等对TC6 钛合金进行990℃保温热处理，，，，，，研究保温过程中氧原子、合金元素分布变化对内表层组织及硬度的影响。。。。。。。结果表明：在990℃热处理后试样内表层富氧α 层从边部到基体内部显微硬度呈现低- 高- 低的变化规律，，，，，，在距边部约55μm 处达到***大值449HV1。。。。。。。内表层显微硬度的变化是由于氧化作用而导致内表层合金元素分布变化和氧原子的富集引起的。。。。。。。孙坤等研究 4种典型组织TC6 钛合金试样在高应变率加载条件（1×103s-1）下的动态力学行为。。。。。。。结果表明：不同组织TC6 钛合金的流变应力随应变增加快速增加。。。。。。。

TC17 钛合金是一种富β 稳定元素的过渡型两相钛合金，，，，，，该合金在中温（300~450℃）具有抗蠕变性能高，，，，，，淬透性好、断裂韧度高等优点，，，，，，广泛用于制造航空发动机风扇盘、压气机盘。。。。。。。作为两相钛合金，，，，，，TC17 可以通过热处理调整其显微组织，，，，，，进而提高综合力学性能，，，，，，其标准热处理工艺为：（840℃，，，，，，1hAC）+（800 ℃，，，，，，4hWQ）+（630 ℃，，，，，，8hACTC4）。。。。。。。孙晓敏等研究激光熔化沉积TC17 钛合金原态及固溶时效后的显微组织。。。。。。。结果表明：当固溶温度从 800℃升高到835℃时，，，，，，初生α 相体积分数由 53% 减少到34%，，，，，，时效后相片层显著增粗，，，，，，宽 0.7~0.8μm，，，，，，次生α 相含量伴随固溶温度升高逐渐增多。。。。。。。TC19钛合金是20 世纪美国开发的一种富β的α+β 型钛合金，，，，，，是在Ti-6242 合金（Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo）基础上发展而来，，，，，，是一种高强度高韧性钛合金。。。。。。。与Ti-6242 合金相比，，，，，，TC19 钛合金提高Mo 含量，，，，，，使室温和高温拉伸性能得到改善。。。。。。。而Sn 和Zr 的加入，，，，，，使该合金的相变行为变得非常唬�；；；；；；郝� 。。。。。。。朱宝辉等研究不同锻造工艺制备的TC19 钛合金棒材。。。。。。。结果表明：常规锻造工艺和高- 低-高锻造工艺均可用来锻造TCl9 合金棒材，，，，，，但采用高- 低- 高锻造工艺得到的棒材的力学性能优于常规锻造工艺。。。。。。。

TC21 合金是我国自行研制的具有独立知识产权的新型两相高强韧钛合金，，，，，，在航空、航天领域作为重要的结构材料使用。。。。。。。人们对该合金的冷却速度、热处理和组织性能的关系先后展开了较多研究。。。。。。。王义红等提出：当冷却速率大于122e/s 时，，，，，，β 相转变形成正交马氏体，，，，，，冷却速率介于 122~3℃ /s 之间时，，，，，，发生块状转变，，，，，，冷却速率继续降低，，，，，，相变由扩散控制，，，，，，形成两种不同形貌的魏氏体片层。。。。。。。宋颖刚等的研究结果表明：

TC21 钛合金表面经喷丸强化后，，，，，，在表层形成一个弹塑性变形层。。。。。。。强化过程中由于密排六方晶体的基面、柱面和锥面滑移系的开动造成位错密度升高，，，，，，A 相中位错形貌呈现网状；；；；；；；；强化前纳米压痕硬度为3.2GPa，，，，，，强化后为6.7GPa，，，，，，提高1 倍以上。。。。。。。在强化层内形成很高的宏观残余压应力，，，，，，并且表现为由表面向里逐渐减少的梯度变化。。。。。。。强化层深度达到370μm。。。。。。。宫旭辉等研究TC21 钛合金的高温动态拉伸力学行为。。。。。。。结果表明：当应变速率为0.001 和0.05s-1 的屈服应力- 温度曲线存在转折点，，，，，，且转折点温度随应变速率的增大而升高；；；；；；；；当温度低于转折点温度时，，，，，，相同氧含量的TC21钛合金和多晶纯钛的屈服应力具有相似的温度相关性。。。。。。。曲恒磊等对TC21 钛合金进行应变速率为 0.01~50s-1、温度为973~1373K 的压缩试验后得出结论，，，，，，在试样的不同部位存在变形组织的不均匀现象，，，，，，该合金在不同温度区域变形时分别发生重结晶和动态再结晶。。。。。。。重结晶导致晶粒粗化（尺寸约100~200μm）。。。。。。。

而动态再结晶导致晶粒细化（***小尺寸为1~2μm）。。。。。。。

以上几种合金为常规航空发动机用钛合金，，，，，，其使用温度均在 650 ℃以下。。。。。。。

目前实用性能耐热钛合金是Ti1100 和IMI834，，，，，，它们已经分别应用于EJ2000 和55-712 改型发动机。。。。。。。由于“钛火”事故的出现，，，，，，阻燃钛合金越来越受到人们的关注。。。。。。。美、俄等国进行了阻燃性能良好新型钛合金的研制。。。。。。。由美国普惠公司研制的高强阻燃钛合金 Alloy C，，，，，，已用作F119 发动机的矢量喷口零件，，，，，，该合金的名义成分为Ti-35V-15Cr（质量分数，，，，，，%），，，，，，合金中含大量昂贵金属钒，，，，，，再加上Alloy-C 合金铸锭热变形工艺要采用一些专用设备，，，，，，进一步提高了材料价格。。。。。。。***对成本较低的Ti-Cu 合金进行了研究，，，，，，并报导了BT25 和BT36 合金。。。。。。。中国科研工作者对前人的发动机用钛合金研究工作进行过系统总结和中肯评价。。。。。。。

2.2 飞机机身用钛合金

飞机发动机要求所用合金热强度、比强度好，，，，，，而机身则要求合金在中等温度下具备强度好、耐腐蚀、质轻等优良特性。。。。。。。钛合金能很好的达到这些要求，，，，，，采用钛合金做机身材料有以下5 方面优势：1）替代钢和镍基高温合金可大大降低飞机质量。。。。。。。高推重比让钛合金能够替代强度稍好的钢而用于飞机零部件中。。。。。。。2）能够满足飞机强度要求。。。。。。。

与铝合金相比，，，，，，60% 左右质量的钛合金即可达到相同的强度。。。。。。。在使用温度超过 130℃时，，，，，，钛合金能取代铝合金，，，，，，因为这一温度是传统铝合金的极限适用温度。。。。。。。3）耐腐蚀性良好。。。。。。。大部分飞机支撑机构在厨房、厕所下面，，，，，，很容易产生腐蚀，，，，，，钛合金不需要表面防腐涂层或者镀膜。。。。。。。4）与聚合物复合材料电化学相容性好。。。。。。。5）空间的***，，，，，，替代钢和铝合金。。。。。。。因空间***而使用钛合金的典型例子是波音747 的钛合金起落架梁。。。。。。。这种梁是***大的钛合金锻件，，，，，，尽管其他合金（比如7075 铝合金）成本更低，，，，，，但承载需要质量时，，，，，，铝合金起落架体积超出机翼范围而不符合要求。。。。。。。钢的强度足可以承载质量，，，，，，但它会使飞机质量大大增加。。。。。。。图2 所示是波音777 飞机机身使用材料示意图。。。。。。。在飞机机身中应用较广泛的钛合金有β-21S（Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si）、Ti-10-2-3（Ti-10V-2Fe-3Al）、Ti-15-3（Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn）、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr 等。。。。。。。BOYER 曾就钛合金在机身的应用情况进行过总结，，，，，，本文作者仅讨论前两种合金。。。。。。。

β-21S（Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.25Si）合金是美国Timet 公司为国家航天飞机开发的，，，，，，可制成带材，，，，，，具有抗氧化性，，，，，，可作为复合材料来使用。。。。。。。

它具有较好的高温特性，，，，，，并比Ti-6-4具有更好的抗蠕变性能（一般β 合金在高温环境下抗蠕变性并不好）。。。。。。。

β-21S 已被波音和P&W 用在瞬时650℃的高温环境，，，，，，它的持续工作温度是480~565℃。。。。。。。β-21S 合金的突出优点在于它可以较好地抗高温液压机液体腐蚀。。。。。。。这种液压机液体是一种少数能在航天环境下腐蚀钛合金的物质，，，，，，在超过130℃时会分解并形成一种含有机金属的磷酸，，，，，，会腐蚀钛合金，，，，，，更重要的是会使含有大量氢的发动机泵产生严重的脆裂。。。。。。。β-21S 是***一种能抵抗这种腐蚀剂的金属，，，，，，这是因为β-21S 含有钼和铌，，，，，，可用于引擎机舱和喷射引擎部位（原先使用钢或镍基合金）。。。。。。。此外，，，，，，β-21S可减少质量，，，，，，用于制造波音777 的3 种引擎（P&W4084，，，，，，GE90 和Trent800）中的喷嘴、塞子、蒙皮和各种纵梁结构，，，，，，这些可以为每架飞机减少质量74 kg。。。。。。。

Ti-10-2-3（Ti-10V-2Fe-3Al）是迄今为止应用***为广泛的一种高强韧近β 钛合金，，，，，，***早也由美国Timet 公司在1971 年研制而成。。。。。。。它是一种为适应损伤容限性设计原则而产生的高结构效益、高可靠性和低成本的锻造钛合金，，，，，，V 和Fe 为主要的β 稳定元素。。。。。。。为了提高合金的锻造性能和断裂韧性，，，，，，Fe 的含量低于2%，，，，，，O 的含量***在 0.13% 以下。。。。。。。

该锻件抗拉强度可达11901Mpa，，，，，，用Ti-10-2-3 可为每架飞机减少质量270kg。。。。。。。

波音公司生产飞机时选择高强度合金并***大限度减少质量，，，，，，该钛合金是波音777 中用量***大的β 钛合金，，，，，，该种飞机起落架几乎全部由该合金制成，，，，，，仅内、外气缸和轮轴由4340M 制成（强度为1895MPa）。。。。。。�？？？？？湛虯380 的主起落架支柱也是采用的Ti-10-2-3 合金。。。。。。。该合金还具有很好的抗疲劳性能，，，，，，还能消除用钢时产生的应力腐蚀开裂。。。。。。。McDonnellDouglas 采用Ti-10-2-3（1105 MPa）制成货舱门、引擎机舱、尾翼以及C-17运输机的其他部分。。。。。。。Ti-10-2-3 在疲劳强度方面的优势也使其广泛应用于直升机。。。。。。。Bell，，，，，，Westland，，，，，，Sikorsky 和Eurocopter 等公司都采用Ti-10-2-3 合金做他们的转子系统。。。。。。。

2.3 航空紧固件用钛合金

不论军民用飞机还是航天器上，，，，，，除了金属构件还有很多碳纤维复合材料。。。。。。。

钛与碳纤维复合材料的电极电位相近，，，，，，钛合金又成为复合材料惟一的连接材料。。。。。。。因此，，，，，，随着先进军民用飞机钛合金和复合材料用量的不断增加，，，，，，对钛合金紧固件的需求日益加大。。。。。。。钛合金用作航空紧固件，，，，，，至少具备以下4 点优势：1）减重效果好。。。。。。。俄罗斯的一架伊尔-96 飞机用紧固件14.2 万件，，，，，，可减少质量近600kg。。。。。。。我国航空航天系统钛合金紧固件的使用也有明显的减重效果。。。。。。。飞机和航天器减少质量后，，，，，，可以提高推力、增加射程、节省燃料、减少发射费用等。。。。。。。

2）钛合金优异的耐腐蚀性能，，，，，，尤其是它正电位与碳纤维复合材料匹配，，，，，，可以有效防止紧固件发生电偶腐蚀。。。。。。。3）在飞机结构中，，，，，，紧固件部位因温度较高，，，，，，不能采用铝合金，，，，，，只能使用钛合金。。。。。。。4）钛具有良好弹性和无磁，，，，，，对于防止紧固螺栓的松动和防磁场干扰至关重要。。。。。。。

现代飞机采用多种钛合金紧固件主要有普通钛螺栓、干涉螺栓、特种紧固件等。。。。。。。美国、法国等航空发达国家，，，，，，95% 以上的钛合金紧固件都采用Ti-6Al-4V（TC4）材料制造。。。。。。。除此之外，，，，，，还有TB2、β III、Ti-44.5、Ti-15-3（TB5）、TB8 和TB3，，，，，，其典型性能参数如表7 所列。。。。。。。

Ti-6Al-4V（TC4）合金β 稳定系数***低，，，，，，为0.27。。。。。。。它的优点是密度***低，，，，，，强度和疲劳性能良好，，，，，，合金成分简单，，，，，，半成品成本***低。。。。。。。但由于室温塑性没有达到足够高，，，，，，所以加工紧固件时需要采用感应加热进行热镦成形，，，，，，以及真空固溶处理和时效处理加工成本较高。。。。。。。

TB2、TB3、TB8 和TB16 为亚稳型β 钛合金，，，，，，β 稳定系数均比合金高，，，，，，缺点是密度较高，，，，，，强度虽与Ti-6Al-4V 相当，，，，，，但疲劳性能不如 Ti-6Al-4V，，，，，，而且成分复杂，，，，，，半成品成本高。。。。。。。由于同样需要进行真空时效处理，，，，，，所以成品紧固件的成本还要高于Ti-6Al-4V。。。。。。。

三、存在的问题与前景展望

钛是一种性能优异而又储量丰富的金属，，，，，，有“现代金属”的美称，，，，，，经过半个世纪的发展，，，，，，钛合金制备技术和应用研究都取得了很大进展，，，，，，在航空领域中尤其得到广泛的应用。。。。。。。但存在的一些问题也逐渐暴露出来，，，，，，航空用钛合金进一步发展面临着不小的挑战，，，，，，主要表现在以下3 个方面：

（1）用量方面。。。。。。。不论是军民用飞机或航空器中，，，，，，钛合金用量高低直接反应出一个国家的航空水平。。。。。。。目前航空发动机钛用量都较低，，，，，，要进一步提高至 50%左右，，，，，，其难度仍相当大。。。。。。。

（2）性能方面。。。。。。。与其他航空结构材料一样，，，，，，高性能是要求具有良好的性能匹配，，，，，，即必须综合考虑其力学性能、物理性能、化学性能、工艺性能和缺陷的可控性。。。。。。。现有的钛合金在600℃以上，，，，，，蠕变抗力和高温抗氧化性的急剧下降是***钛合金扩大应用的两大主要障碍。。。。。。。

本文作者认为，，，，，，在整个航空钛合金技术发展和应用过程中，，，，，，新的制造技术将会是开发和研究的重点，，，，，，如超塑成形等近净型加工、粉末冶金成型法等。。。。。。。

（3）成本方面。。。。。。。目前人们在降低成本航空钛合金方面虽然取得了一些成就，，，，，，但仍有许多领域有待研究和开发。。。。。。。以阻燃钛合金为例，，，，，，美国发明的Alloy-C 虽然具有优良的阻燃特性和高温力学性能，，，，，，但由于它需要添加大量昂贵的V 和较差的可锻性而导致价格很高，，，，，，因此只有在F119 发动机中正式应用。。。。。。。

由于管理和技术落后等原因，，，，，，国内钛合金产品价格在国际上竞争力差，，，，，，在国内不利于进一步扩大应用。。。。。。。因此，，，，，，首先必须认真研讨降低钛产品成本的途径，，，，，，确定近、中、长期发展规划。。。。。。。其次，，，，，，我国应建立自己的钛合金体系，，，，，，确保每一用途有多种合金备选，，，，，，逐步摆脱航空关键材料对国外的长期依赖，，，，，，形成主干材料或通用材料，，，，，，从根本上为实现低成本制造奠定基础。。。。。。。***后，，，，，，用价格较低的元素取代贵的合金元素，，，，，，通过工艺途径降低钛合金零部件的成本，，，，，，是今后钛合金研究工作中的重要课题。。。。。。。

综上所述，，，，，，钛合金推重比大、韧性高、强度和可焊接性好，，，，，，是一种综合性能优良的航空材料。。。。。。。在过去几十年中，，，，，，航空用钛合金的合金化理论、综合强韧化技术和热处理工艺均得到了很大发展。。。。。。。目前，，，，，，钛合金的研究主要集中在高温下热稳定性、蠕变抗力和低成本的钛合金设计及制造工艺等方面。。。。。。。随着研究的深入，，，，，，将以航空高端应用带动钛合金低成本加工的技术进步，，，，，，从而在根本上突破制约航空用钛合金用量和应用水平提升的成本瓶颈。。。。。。。全钛制造的飞机也许在不远的将来即会成为现实。。。。。。。

来源：材易通