近年來(lái)隨著材料科學(xué)的發(fā)展以及能源危機(jī)的沖擊，航空航天工業(yè)對(duì)高強(qiáng)度、高彈性模量、低密度、耐高溫的新型結(jié)構(gòu)材料的需要越來(lái)越迫切。因此，新型鈦合金便成為近年來(lái)世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)。
鈦合金具有密度小、強(qiáng)度高、耐高溫和抗腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。美國(guó)在80年代以后設(shè)計(jì)的各種先進(jìn)軍用戰(zhàn)斗機(jī)和轟炸機(jī)中，鈦風(fēng)機(jī)合金用量已經(jīng)穩(wěn)定在20%以上。如第三代戰(zhàn)斗機(jī)F-15鈦合金用量占27%，而第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-22鈦合金用量占41%，表1為最近飛機(jī)的結(jié)構(gòu)用材情況［1，2］?，F(xiàn)有航空航天用鈦反應(yīng)釜合金中，應(yīng)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(lái)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(qiáng)度、工作溫度和彈性模量更高、密度更小和價(jià)格更低的鈦合金材料［3］。因此，近年來(lái)所開(kāi)發(fā)出的新型鈦合金主要分為以下4大類：(1)高強(qiáng)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(gè)方面簡(jiǎn)述了鈦合金的新進(jìn)展。
表1 飛機(jī)的結(jié)構(gòu)用材比例/%
| 機(jī)種 | 鋼 | 鋁合金 | 鈦合金 | 復(fù)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(qiáng)高韌β型鈦合金 β型鈦合金最早是50年代中期由美國(guó)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(jī)的高強(qiáng)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(guò)固溶-時(shí)效處理獲得較高的機(jī)械性能、良好的環(huán)境抗力及強(qiáng)度與斷裂韌性的很好配合。新型高強(qiáng)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(yīng)損傷容限設(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鍛造鈦合金。由表2可以看出，Ti1023合金的拉伸強(qiáng)度、斷裂韌性和疲勞性能明顯優(yōu)于Ti-6Al-4V，并與飛機(jī)結(jié)構(gòu)中常用的30CrMnSiA高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼相當(dāng)。這種Ti1023合金具有優(yōu)異的鍛造性能，在760℃可進(jìn)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(qiáng)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(jìn)行各種復(fù)雜零件的冷成形，時(shí)效后的室溫拉伸強(qiáng)度可達(dá)1000MPa以上，該合金特別適宜制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑貯箱和導(dǎo)管等部件。 表2 Ti1023與Ti-6Al-4V和30CrMnSiA的力學(xué)性能對(duì)比 |
| 性能 | Ti1023 | Ti-6Al-4V | 30CrMnSiA |
| 密度/103kg．m-3 | 4.65 | 4.51 | 7.75 |
| 室溫拉伸強(qiáng)度/MPa | ≥1105 | ≥895 | ≥1080 |
| 比強(qiáng)度 | ≥238 | ≥198 | ≥139 |
| 300℃拉伸強(qiáng)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(guó)鈦金屬公司Timet分部研制成的一種新型抗氧化、超高強(qiáng)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(zhǎng)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(dá)75%左右，不需要中間退火；已被美國(guó)國(guó)家宇航局(NASA)確定用作碳化硅/鈦復(fù)合材料的基體材料，并將用于美國(guó)國(guó)家航空航天飛機(jī)(NASP)的機(jī)身和機(jī)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(dá)2000%。該合金強(qiáng)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(kuò)散連接(SPF/DB)技術(shù)制造各種航空航天構(gòu)件。目前，美國(guó)RMI鈦公司計(jì)劃開(kāi)發(fā)這種合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)動(dòng)零件方面的應(yīng)用市場(chǎng)。雖然它的價(jià)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(gè)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(qiáng)度≥1105MPa，該合金已成功地用來(lái)作IL-86和IL-96-300的機(jī)身、機(jī)翼、起落架和其他高承載部件。通過(guò)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(lái)的，其研制工作始于50年代初。世界上第一個(gè)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(dá)400℃左右。60年代，各國(guó)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(guò)500℃。目前已成功地應(yīng)用在軍用和民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中的新型高溫合金有：英國(guó)的IMI829、IMI834合金；美國(guó)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(xué)成分［7］。 表3 高溫鈦合金的使用溫度及化學(xué)成分 |
| 國(guó)家 | 合金 | 最高使用溫度/℃ | 化學(xué)成分ω/% |
| Al | Sn | Zr | Mo | Nb | Si | 其他 |
| 美國(guó) | 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(guó) | 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(jìn)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(guó)冶金學(xué)家用0.5%～1%Ta(質(zhì)量分?jǐn)?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(shí)屈服強(qiáng)度達(dá)580MPa、蠕變性能高于IMI834。另外，在合金中添加硅和鐵是至關(guān)重要的問(wèn)題，硅能有效地改變?nèi)渥儚?qiáng)度；相反，增加鐵含量對(duì)蠕變強(qiáng)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(duì)提高高溫合金的性能有明顯的作用。近幾年國(guó)外把采用快速凝固/粉末冶金技術(shù)研制鈦設(shè)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(guó)麥道公司采用這種技術(shù)成功地研制出一種高純度、高致密性鈦合金，在760℃下其強(qiáng)度相當(dāng)于目前室溫下使用的鈦合金強(qiáng)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(diǎn)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(qiáng)、抗蠕變性能好(見(jiàn)圖1)［9］和重量輕(它們的密度與鈦合金相當(dāng)，只有鎳基高溫合金的1/2)，這些優(yōu)點(diǎn)使其成為未來(lái)航空用發(fā)動(dòng)機(jī)及飛機(jī)結(jié)構(gòu)件最具競(jìng)爭(zhēng)力的材料。 |
目前，已有兩個(gè)Ti3Al為基的鈦合金Ti-21Nb-14Al和Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo在美國(guó)開(kāi)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(qiáng)度與鎳基高溫合金Inconel713相當(dāng)，最高韌性可達(dá)32MPa．m1/2，已制成高壓壓氣機(jī)機(jī)匣、高壓渦輪支承環(huán)、導(dǎo)彈尾翼和燃燒室噴管密封片等［10］。Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo合金通過(guò)熱機(jī)械處理(TMP)可獲得具有良好強(qiáng)度、塑性的綜合機(jī)械性能：拉伸強(qiáng)度σb=893MPa、屈服強(qiáng)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(yīng)用的主要障礙是在室溫下的低塑性，以及與其相關(guān)的低斷裂韌性和高裂紋擴(kuò)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(jìn)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(duì)超細(xì)晶的鈦鋁基合金進(jìn)行SPF/DB處理，如Ti-46Al-3Cr合金經(jīng)熱機(jī)械處理后，在1100℃、1×10-4s-1應(yīng)變速率下，流動(dòng)應(yīng)力為5MPa，可獲得450%的伸長(zhǎng)率?？梢?jiàn)，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(wèn)題，制造出大型復(fù)雜的薄板構(gòu)件和NASP用的機(jī)身和機(jī)翼壁板。近來(lái)美國(guó)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(wú)疑會(huì)促進(jìn)鈦鋁化合物在航空航天構(gòu)件上的應(yīng)用。該工藝是用先進(jìn)等離子噴射成形技術(shù)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(jià)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(shù)可生產(chǎn)出完全致密的鈦鋁金屬間化合物構(gòu)件，其室溫塑性可達(dá)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(jìn)展。日本東北工業(yè)技術(shù)研究所通過(guò)鈦鋁合金與SiC復(fù)合，在氧氣氛中加熱，在合金表面上能生成氧化鋁的保護(hù)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(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和NASA路易斯研究中心共同開(kāi)發(fā)出一種簡(jiǎn)單、低成本的提高γ鈦鋁化合物抗氧化性的方法(美國(guó)專利號(hào)5635303)，且效果良好。該方法是將γ鈦鋁化合物試樣經(jīng)過(guò)噴丸處理，然后用磷酸溶液(在水中含磷酸85%)進(jìn)行噴涂處理。最后一道工序是在200℃旋轉(zhuǎn)甩干，再置于400℃下煅燒30min。在試驗(yàn)過(guò)程中，經(jīng)處理和未經(jīng)處理的Ti-48Al-2Cr-2Nb(原子數(shù)分?jǐn)?shù))γ鈦鋁化合物試樣在大氣中800℃下進(jìn)行周期性氧化500h(18～24h為一個(gè)循環(huán))。試驗(yàn)結(jié)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(gè)數(shù)量級(jí)［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(yīng)用。針對(duì)這種情況，各國(guó)都展開(kāi)了對(duì)阻燃鈦合金的研究并獲得了成功應(yīng)用。80年代美國(guó)P&W和Teledyne Wah Chang Albany公司聯(lián)合研制出對(duì)持續(xù)燃燒不敏感的鈦合金AlloyC(也稱為T(mén)i-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(zhì)量分?jǐn)?shù))。AlloyC具有較高的強(qiáng)度，尤其是高溫強(qiáng)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(dòng)機(jī)。BTT-1和BTT-3是俄羅斯從摩擦機(jī)制入手成功地研制出的阻燃鈦合金，均為T(mén)i-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(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)零件，如壓氣機(jī)機(jī)匣和葉片，工作溫度可達(dá)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(yàn)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(qiáng)度/MPa | 996(室溫)，800(538℃) | 1150(室溫)，640(500℃) | 600～750 |
| 屈服強(qiáng)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(qiáng)度/MPa |
| 720(350℃)550(450℃)300(500℃) | 320(350℃) |
| 蠕變強(qiáng)度/MPa | 345(538℃,0.1/100h) | 370(450℃,0.2/100h) |
|
| 5 結(jié)束語(yǔ) 航空航天用高性能金屬材料目前雖然面臨著先進(jìn)復(fù)合材料的挑戰(zhàn)，但通過(guò)對(duì)現(xiàn)有金屬材料性能的進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)展性能更好的新材料(如鈦鋁基鈦合金等)，采用先進(jìn)的制造技術(shù)(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(shí)間內(nèi)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(lái)十分重要的航空航天結(jié)構(gòu)和功能材料。 |
