航空钛合金课件

航空用钛合金的发展状况GeneralDevelopmentSituationofTitaniumAlloysforAviation2010年5月

什么是钛？什么是钛合金？钛合金的性能有哪些？钛合金的分类？钛合金的应用？◆在介绍航空用钛合金之前，我们先来了解下面几个问题。Titanium钛是周期表中第ⅣB类元素，纯净的钛为银白色，密度为4.51g/cm³，属于轻金属。熔点达1672℃，属难熔金属。其加工提炼难度大，一般被称为稀有金属。钛在地壳中含量较丰富，含量排第九位（地壳中元素排行：氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、钛），远高于Cu、Zn、Sn、Pb等常见金属。钛广泛存在于许多岩石中，特别是砂石和粘土中。我国钛的资源极为丰富，仅四川攀枝花地区发现的特大型钒钛磁铁矿中，伴生钛金属储量约达4.2亿吨，接近国外探明钛储量的总和。纯钛手链钛是伴生金属元素

工业上生产金属钛的主要化学反应有两个：先用金红石矿中的二氧化钛与碳、氯气，在高温达800～900℃的条件下，反应生成四氯化钛；再用金属镁与四氯化钛，在600～800℃的温度及惰性气体的保护下（钛化学活性非常大，易于空气发生剧烈化学反应）反应生成金属钛。通过上面的化学反应，最后得到的钛，是多孔的海绵钛，无法直接使用，还要粉碎后，放进真空电弧炉里熔炼，才能制得各种钛材。TitaniumAlloys钛合金是以金属钛为基体，加入适量的其他元素组成的合金。其在300-600度时的比强度优于钢和铝合金。Properties

强度高

钛合金的密度一般在4.5g/cm³左右，仅为钢的60％，若按单位重量的强度（称比强度）测定，钛合金是铝合金的1.3倍，镁合金的1.6倍，不锈钢的3.5倍，是所有金属材料中的冠军。热强度高

使用温度比铝合金高几百度，可在450～500℃的温度下长期工作。抗蚀性好

耐酸、耐碱、耐大气腐蚀，对点蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强。低温性能好

间隙元素极低的钛合金TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性。化学活性大

钛合金高温时化学活性很高，轻易与空气中的氢、氧等气体杂质发生化学反应，生成硬化层。导热系数小、弹性模量小

钛的导热系数约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50％。钛合金的弹性模量约为钢的1/2。Sorts钛有两种同质异晶体：882℃以下为密排六方结构α钛，882℃以上为体心立方的β钛。钛合金按组织基体可分为：α合金,(α+β)合金和β合金。中国分别以TA、TC、TB表示。钛合金按用途可分为：耐热合金、高强合金、耐蚀合金(钛-钼，钛-钯合金等)、低温合金以及特殊功能合金(钛-铁贮氢材料和钛-镍记忆合金)等。

Development钛元素发现于1789年，1908年挪威和美国开始用硫酸法生产钛白，1910年在试验室中第一次用钠法制得海绵钛，1948年美国杜邦公司才用镁法成吨生产海绵钛——这标志着海绵钛即钛工业化生产的开始。而钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。中国钛工业起步于20世纪50年代。1954，北京有色金属研究总院开始进行海绵钛的制备工艺研究，1956年国家把钛当作战略金属列入了12年发展规划，1958年在抚顺铝厂实现了海绵钛工业试验，成立了中国第一个海绵钛生产车间，同时在沈阳有色金属加工厂成立了中国第一个钛加工生产试验车间。60年代中期开始钛材的工业化生产。

航空航天电讯器材

医疗Purpose造船工业

机械工业硬质合金

Purpose俄海军塞拉II级钛合金攻击核潜艇

潜艇在深海中航行时，要承受巨大的压力。下潜得愈深，承受的压力愈大。核潜艇的外壳采用钛合金制造，其下潜深度是一般潜艇的两倍，可达4500m。如果没有钛合金，潜海是不可能达到这样的深度的。钛合金没有磁性，用它建造的核潜艇不必担心磁性水雷的攻击。

Purpose耐热强度高，做钻头耐热阀，常用于石油工业Purpose钛镍形状记忆合金

Purpose硬质金属外壳（质量轻、耐腐蚀、耐磨损）Purpose钛合金蔬菜架和购物车Purpose①生物相容性等于75%黄金合金。②

使用寿命长，强度高。③安全、高贵、价格适中。目前尽管钛及其合金应用的历史不长，但由于它那超众的性能，已经获得了多个光荣称号。首先荣获的称号就是“空间金属”。它重量轻、强度大又耐高温，特别适于制造飞机和各种航天器。目前世界上生产的钛及钛合金，大约有四分之三都用于航空航天工业。许多原来用铝合金的部件，都改用了钛合金。

现代航空中钛合金使用状况1950年美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。60年代开始钛合金的使用部位从后机身移向中机身、部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。70年代起，民用机开始大量使用钛合金，如波音747客机用钛量达3640公斤以上占机重28%。随着加工工艺技术的发展，在火箭、人造卫星和宇宙飞船上，也用了大量的钛合金。飞机越先进，使用的钛越多。美国F—14A战斗机使用的钛合金，约占机重的25%；F—15A战斗机为25.8%；美国第四代战斗机用钛量为41%，其F119发动机用钛量为39%，是目前用钛量最高的飞机。钛合金大量应用于大型客机：军用飞机及发动机钛合金用量钛合金在航空中主要用途钛合金主要用于飞机及发动机的制造材料，如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、发动机罩、排气装置等零件以及飞机的大梁隔框等结构框架件。航天器主要利用钛合金的高比强度，耐腐蚀和耐低温性能来制造各种压力容器、燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架和火箭壳体。人造地球卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机也都使用钛合金板材焊接件。

合金系和类型代号产品种类主要用途工业纯钛TA1、TA2、TA3板、带、管、棒、线、铸件飞机骨架、蒙皮、发动机部件钛铝合金TA6板、棒、管、铸件飞机蒙皮、骨架零件、压气机壳体、叶片等钛铝钒合金TC4、TC10板、棒、管飞机结构零件、起落支架等钛钒铬合金TC5厚板、棒、锻件支架结构、气动导管等F22“猛禽”，钛合金比例高达39%，后机身前后梁采用了热等静压钛合金铸件结构

中国采用钛合金技术生产的歼八II战机，让俄罗斯兄弟红了眼。钛合金主要应用于机体部位，以抵抗两台喷气发动机运行时所产生的高温。宝钢集团研制出了大型飞机起落架用钢和钛合金结构用钢在飞机降落时，起落架要承受强大的冲击力

钛合金零件在先进航空发动机上占有相当的比重,并且呈现出结构集成度愈来愈高、结构愈来愈复杂的发展趋势,在减轻发动机重量、改善和提高性能等方面发挥着日益重要的作用。航空发动机现代飞机结构材料的发展目标和趋势：

大力发展高比强度、比刚度、高韧性、高损伤容限、抗腐蚀、耐环境侵蚀的先进结构材料和整体结构，实现结构减重。1积极开发结构承载和功能一体化的材料，要求采用既承受气动载荷又具备多功能的复合材料和结构。2

加强新材料疲劳寿命、耐久性和损伤容限的研究，提高机体的使用寿命和可靠性。

3重视新材料及相关制备技术的研究，不断降低制造和维护成本。4钛合金在航空中被大量应用的原因现代飞机的航行最高时速已达到音速的2.7倍以上。这么快的超音速飞行，会使飞机与空气摩擦而产生大量的热。当飞行速度达到音速的2.2倍时，铝合金就经受不住了。必须采用耐高温的钛合金。当航空发动机的推重比从4～6提高到8～10，压气机出口温度相应地从200～300℃增加到500～600℃时，原来用铝制造的低压压气机盘和叶片就必须改用钛合金。近年来科学家们对钛合金性能的研究工作，不断取得新的进展。原来由钛、铝、钒组成的钛合金，最高工作温度为550℃～600℃，而新研制的钛化铝（TiAl）合金，最高工作温度已提高到1040℃。用钛合金代替不锈钢制造高压压气机盘和叶片，可以减轻结构重量。飞机每减轻重10%，可节省燃料4%。对火箭来说，每减轻1kg的重量，就可增加15km的射程。中国航空钛合金的研究和发展

钛合金研究起源于航空，航空工业的发展促进了钛合金的发展，航空用钛合金也形成了自己的体系。航空用钛合金的研究一直是钛合金领域中最重要、最活跃的一个分支，但其发展也极其艰辛，如高温钛合金为克服“热障”问题，就花费了人们十几年的精力。80年代之前我国的航空用钛合金研究是完全仿制，80年代后逐步走向仿制与创新相结合的研究之路，研究水平并不落后于国外。下面重点介绍高温钛合金、损伤容限钛合金、高强钛合金、阻燃钛合金等航空用钛合金近几年的研究现状及将来的发展趋势。㈠高温钛合金⒈高温钛合金的研究现状国外研制的550℃以上使用的高温钛合金主要有美国的Ti-1100，英国的IMI829和IMI834，俄罗斯的BY25Y和BT36，以及中国的Ti55，Ti633G，Ti53311S，7715D，Ti-65Nd，Ti60以及Ti600。中国研制了7种高温钛合金，比美、英、俄三国的总和还多两个。但我国研制的高温钛合金在航空上并没有得到真正应用，Ti53311S和7715D550℃钛合金反而在航天上得到很好应用。2.高温钛合金研究存在的问题及发展方向目前,已在航空发动机上应用的传统高温钛合金的最高使用温度仍为600℃。在600℃以上,蠕变抗力和高温抗氧化性的急剧下降是限制钛合金向更高温度发展的两大主要障碍,研制600℃的新型高性能的高温钛合金迫在眉睫。根据国内外研究现状分析,高温钛合金的发展趋势是:(1)研制600℃以上的新型高温钛合金。可对现有高温钛合金的成分进行调整,改进加工工艺,或研发新的高温钛合金,提高高温钛合金的使用温度。(2)稀土元素在高温钛合金中的作用尚待进一步研究。我国研制的含稀土元素的高温钛合金其使用温度已达到600℃,其各项性能显示均为良好。但稀土元素在合金中的机制作用需进一步研究,为含稀土元素的高温钛合金的发展奠定理论基础。(3)合金朝着多元强化的方向发展。合金成分的优化越来越重要，Ti2Al2Sn2Zr2Mo2Si2(RE)系近α钛合金占主导地位;Si元素是高温钛合金中必不可少的重要元素。㈡阻燃钛合金1.阻燃钛合金的研究现状阻燃钛合金主要有两种体系，一是Ti-V-Cr系，如美国的AlloyC(Ti-35V-15Cr)、英国的Ti-25V-15Cr-2Al-XC、中国Ti40(Ti-25V-15Cr-0.2Si)；二是Ti-Al-Cu系，如俄罗斯的BTT-1/BTTT-3

和中国的Ti14(Ti-Al-Cu-Si)。Ti-V-Cr系阻燃钛合金与Ti-Al-Cu系相比,具有更好的综合力学性能，且AlloyC阻燃钛合金已在F119发动机中得到成功应用。在此只介绍很有应用前景的Ti-V-Cr系Ti40阻燃钛合金。Ti40合金是西北有色院设计研制的，该合金除具有良好的常规力学性能外，还具有良好的阻燃性能。Ti40合金与高温钛合金比较：1.高温钛合金均为近α型钛合金，密度在4.5g/cm³左右，而Ti40全β型钛合金，密度在5.3g/cm³左右。2.高温钛合金热加工性能较好、可焊，具备α型钛合金优缺点；而Ti40合金热加工性能不好，尤其是开坯热加工，但冷加工性能较好，具备β型钛合金的优缺点。3.高温钛合金具有较好的综合力学性能，但不抗燃烧，而Ti40除具有较好的综合力学性能，还具有很好的阻燃性能。4.高温钛合金含贵重金属元素很少，价格较低；而Ti40贵重元素V含量达25%，价格较高，约为高温钛合金的8~10倍。2.阻燃钛合金研究存在的问题及发展方向阻燃钛合金的类型较少,成本较高以及对阻燃性能评价方法的不统一都阻碍了阻燃钛合金的发展。阻燃钛合金的发展方向主要为:(1)制定评价钛合金阻燃性能的统一标准和方法。(2)提高Ti2Cu2Al系阻燃钛合金的综合力学性能。与Ti2V2Cr系阻燃钛合金相比,Ti2Cu2Al系阻燃钛合金的综合力学性能较差,工作温度也较低。(3)降低Ti2V2Cr系阻燃钛合金成本。Ti2V2Cr系阻燃钛合金含有大量贵金属元素V,导致成本较高。㈢损伤容限钛合金1.损伤容限钛合金的研究现状具有很高断裂韧性和很慢裂纹扩展速率的中强或高强钛合金,即高损伤容限钛合金。目前,国外已经研制出了损伤容限钛合金,即低间隙Ti26Al24V(β2ELI)和Ti26222222S。中国研制了新型两相高强高韧TC21合金。

Ti26Al24V

(β2ELI)属于900MPa强度级别的高损伤容限钛合金。已应用于波音777客机的安定面连接接头和F/A222飞机的机体。

Ti26222222S

(Ti26Al22Sn22Zr22Mo22Cr20.2Si)合金是由美国RMI公司于20世纪70年代研制的一种航空用α2β型钛合金。具有良好的强韧性匹配,深淬透性大，超塑成型性能好。现已被美国空军选定作为F222战斗机用材料。2.损伤容限钛合金研究存在的问题及发展方向国外已有30多年损伤容限设计的经验,而我国在损伤容限设计方面起步较晚。随着国内航空系统损伤容限设计技术的迅速普及,对高损伤容限钛合金的需求将日益迫切。损伤容限钛合金的发展趋势为:(1)发展1100MPa级别的高强高韧损伤容限钛合金。长寿命飞机结构件用钛合金发展的趋势是1100MPa级别的高强高韧损伤容限钛合金。(2)为获得高损伤容限性能,可以通过降低间隙元素(C,N,O等)含量、β相区热机械加工、β热处理等方法。㈣高强钛合金1.高强钛合金的研究现状高强度钛合金一般指抗拉强度在1000MPa以上的钛合金。目前,代表国际先进水平并在飞机上获得实际应用的高强度钛合金主要有β型钛合金Ti2102223,Ti21523,β221S,α-β型两相钛合金BT22，以及中国的TB10等。

Ti21023(Ti210V22Fe23Al)合金是美国Timet公司于1971年研制成功的,是迄今为止应用最为广泛的一种高强韧近β钛合金。现已应用于波音777客机起落架主梁。

Ti21523(Ti215V23Cr23Sn23Al)合金是在20世纪70年代由美国空军部门资助下开发出来的一种近β型的高强抗腐蚀合金。具有优良的冷变形性、时效硬化性能和可焊接性能等特点,已应用到波音777上的应用控制系统管道和灭火罐。

β221S(Ti215Mo23Al22.7Nb20.2Si)合金是美国Timet公司在1989年为麦道公司提供一种用于航天飞机的钛金属基复合材料中所需的抗氧化箔材而开发的。具有特别好的高温强度和抗蠕变性能,适用于发动机衬套和喷管等,现已被美国国家宇航局确定用作碳化硅/钛基复合材料的基体材料。

BT22(Ti25Al25Mo25V21Fe21Cr)合金是前苏联在20世纪70年代研制的一种高合金化、高强度近β型钛合金。具有强度高,韧性高,塑性好以及焊接性能优良等特点,主要用于生产模锻件，也可制造工作温度不高于350℃的发动机的风扇盘和叶片等。

TB10(Ti25Mo25V22Cr23Al)合金是在对TB2(Ti25Mo25V28Cr23Al)