全球航空业将维持强劲增长的势头，据空客预测，到2035年航空市场对新增飞机的需要将带来超过5万亿美元的投资。而为了降低燃料亏损和削减碳排放，减沉成为飞机造作商关注的主题问题。钛合金资料由于拥有怪异的高强度-沉量比机能，最早利用于航空工业部门，用在航空器的多个部件，如起落架、发起机部件、弹簧、襟翼导轨、气动系统管路和机身部件等。航空工业对钛合金资料的机能提出了越来越高的要求，如高强度-沉量比，高抗氧化机能，断裂韧性、耐侵蚀机能、委顿强度和抗蠕变机能[1] 。

航空业已成为钛合金最大用户，美国迪胙材重要利用于航空航天领域，约占使用总量的60%。在美国战斗机的更新换代中，钛合金和复合伙料的使用比例不休上升，第五代战斗机F-35用钛量达到27%,F-22战机用钛量则高达41%，其中发起机的叶轮、盘、叶片、机匣、点火室筒体和尾喷管等均为钛合金资料造作[2，3] 。

本文按资料显微组织类型，对国表开发的航空航天领域钛脊合金重要商标、利用及发展趋向进行了介绍和分析。

1、α型钛合金及利用

α合金蕴含工业纯钛（Commercially Pure,简称CP）及只含α不变元素和/或中性元素迪胙合金[1,4] 。

1.1 工业纯钛

工业纯钛重要由密排六方晶体(HCP)α相组成，同时由于源自海绵钛原料残存杂质或报答增长带来的Fe元素，工业纯钛中还含有少量的（<5%）的β相，按拉伸强度按240-550MPa 分 4 个 牌 号 (ASTM 标 准 中 G1、G2、G3 和G4)，商标越高其中能够阐扬间歇固溶强化的氧浓度越高，因而强度也越高[5] 。

CP钛重要用于要求拥有优良的耐侵蚀性和焊接机能，但对强度要求不高的领域。在航空领域，CP钛重要用于机翼前缘除冰系统的空气加热管，机舱环境节造系统管路，液压管路以及各类夹持和支架装置。

1.2 钛合金Ti-5Al-2.5SnELI

另一类α型钛合金含有α不变元素Al和中性合金元素Sn，主张是获得比CP更高的强度。航空领域最常见的α型钛合金蕴含Ti-5Al-2.5Sn ELI （Extra low interstitial，超低间歇），由俄罗斯和美国开发，俄罗斯商标为BT5-1。该合金是在通常钛合金Ti-5Al-2.5Sn基础上，通过降低间歇元素含量,显著提升其在极低温下的强度和韧性，在20K（-250℃）低温前提下仍拥有优良的韧性和较低的热导率[6] ，重要用于低温容器、低温管路以及液体火箭发起机涡轮油泵叶轮，如图1所示。

图1 航天飞机主发起机使用的Ti-5Al-2.5Sn油泵叶轮[5]

2、近α型钛合金及利用

这类合金重要含Al、Sn和Zr以及少量（不超过沉量2%）低扩散率β不变元素，如Mo或Nb、V及Si(不超过0.5%)。参与Mo或Nb可在室温下不变少量被保留的β相，以起到某种强化作用。

近α型钛合金在室温下强度不如α+β或β合金，但拥有优越的抗高温蠕变机能，由于在高温下仍可维持足够强度，这一点对于高温利用尤为沉要。

航空业最常见的近α型钛合金重要商标蕴含Ti-3-2.5、Ti-6-2-4-2S、Ti-1100、IMI834以及BT-36。

（1）Ti-3Al-2.5V(Ti-3-2.5)。Ti-3Al-2.5V是 美 国 开发的一种近α型钛合金，在室和善高温下强度比纯钛逾越20%~50%,合用于飞机和发起机液压和燃油等管路系统。在波音，除驱动主起落架的起落架舱液压管路表，飞机的所有液压管路均选取Ti-3-2.5。航天飞机上的大量油压管路选取Ti-3Al-2.5V合金无缝管做配管，能使管路减沉40% [7,8] 。

（2）Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si(Ti-6-2-4-2S)。由于近α型钛合金抗高温蠕变强杜着于α+β合金，在现代发起机中，压气机叶片使用两种材质，前级叶片燃气温度低于300℃，材质为Ti-6-4，其余末级材质选取高蠕变强度合金Ti-6-2-4-2S，能够在高达540℃下使用。70年代,美国RMI （Reactive Metals Inc）通过增长Si元素,开发了使用温度超过500℃的Ti-6242S合金，选取细化β晶＝谠煺胱醋橹牟街,实现了合金委顿强度和蠕变强度两全,使之在565℃下拥有高强度、高刚度、抗蠕变融洽的热不变性,宽泛利用于涡轮发起机部件[4] 。图2为3-9级钛合金压气机转子。

图2 波音747发起机7级单体压气机转子，前5级为Ti-6-4合金，后两级Ti-6-2-4-2S [5]

（3）Ti-1100 （Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si-0.7O2-0.2Fe）。Ti-1100近α高温钛合金是Timet为满足新型航空发起机对高温钛合金高抗蠕变机能和高断裂韧性的需要,而在20世纪80年代研造的,该合金现实上是Ti-6242Si的发展型,其使用温度达可593℃ ,目前已用于美国莱康明发起机公司(LYCOMING)的T55-712型发起机[9,10] 。

（4）Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.5Mo-0.7Nb-0.35Si-0.06C（IMI834）。IMI834 是 英 国 劳 斯 莱 斯 公 司 (Rolls-Royce，欧洲最大的航空发起机企业)研造的发起机用高温合金，工作温度可达600℃。目前，通常以为它是已投入工业出产的最高温近α钛合金。834合金重要用于航空发起机环件、压气机轮盘及叶片。

（5）Ti-6.2Al-2Sn-3.6Zr-0.7 Mo-0.1Y-5.0W-0.15Si(BT36)。BT36是俄罗斯于1992年研造成功的一种使用温度在600-650℃迪胙合金,该合金在BT18Y的基础上用5%的高熔点W包办1%Nb，W的参与对合金的室温强度、蠕变和悠久性有显著的改善，提高了合金的热不变性[11] 。

3、α+β合金及利用

α+β合金是迄今为止利用最宽泛迪胙合金。其拥有更高含量的（4-6%）β元素，因而与近α型钛合金相比，其β相含量更高，能够通过热处置获得更高的强度。重要强化机造蕴含在室温下保留亚稳β相，通过淬火到室温从原始β相天生马氏体。通过对含有亚稳β相的合金进行时效处置，能够在该区域天生片状α，这样能够在尽可能削减塑性损失的情况下提高强度。

最常用的α+β合金是Ti-6Al-4V（Ti-6-4），其他航空用α+β合金蕴含Ti-6Al-6V-2Sn(Ti-662)，Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si（6-2-2-2-2S），IMI550(Ti-4Al-2Sn-4Mo-0.5Si)。

（1）Ti-6Al-4V（Ti-6-4）。Ti-6-4是利用最宽泛迪胙合金资料，拥有优良的综合机能，常在退火态下使用，最低拉伸强度896MPa(130ksi)。

Ti-6-4属于可热处置强化钛合金，拥有较好的焊接机能、成形性和铸造机能,是机身结构件使用的重要钛合金，同时用于造作喷气发起机压缩机叶片、叶轮以及起落架和结构件，紧固件，支架，飞机附件，框架，桁条结构、管路。

（2）Ti-6Al-6V-2Sn(Ti-662)。Ti-662 拉 伸 强 度1030MPa,屈服强度970MPa，强度高于Ti-6-4，耐侵蚀机能优异，焊接和加工机能中等，用于飞机机身、火箭发起机、核反映堆部件，近年在石油钻井上利用增多[12,13] 。

（3）Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si（6-2-2-2-2S）。6-2-2-2-2S由RMI在1970年代开发，拥有优异的强度、断裂韧性、高温机能，以及优良的加工机能和焊接机能，合用于厚型结构件。用于机身、机翼、发起机结构件[14] 。该合金强度高，在退火态的强度1068MPa，经固溶强化和时效，可达到最大强度1241MPa，并拥有较大的危险容限，宽泛用于战斗机结构件，如美国空军F-22 Raptor战斗机[15,16] 。

（4）Ti-4Al-2Sn-4Mo-0.5Si （IMI550）。IMI550 由英国帝国金属公司（IMI）研造，拉伸强度达1100MPa，屈服强度达940MPa，使用温度达到400℃，用于机身和发起机结构件[17] 。最早作为抗蠕变合金用于劳斯莱斯飞马和奥猎欹斯（Rolls Royce Pegasus and Olympus）发起机，后来又用于欧洲民用和军用飞机机身，如美洲虎（Jaguar）、狂风（Tornado）和空客(Airbus)。

4、β合金及利用

β合金是强度最高迪胙合金，拉伸强度可达1240MPa。在经过急剧冷却后仍可在室温下保留100%的亚稳β相。通过使用分歧的时效温度和功夫，能够节造某个合金β相基体中α相析出的大幼和比例，从而获得比α+β合金更高的强度，选定合适的时效温度和功夫能够获得分歧的机能。除了少数例表，β合金不用于高温利用，由于通常情况下，随着温度的升高，β合金的强度会比近α和α+β合金降落更快，并且不如近α型钛合金那样拥有抗蠕变机能。

β合金重要用于强度要求较高的结构件，如飞机起落架，从波音777起头，已在多款新型大型商用飞机上利用。波音777和787选取β合金的其他构件蕴含襟翼滑轨、弹簧、辅助动力单元支柱（APU Strut）、灭火罐、夹子和托架以及排气管。

用于航空的β合金蕴含Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr、Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr、Ti-35V-15Cr和Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si。

（1）Ti-10V-2Fe-3Al(Ti-10-2-3)。Ti-10V-2Fe-3Al(Ti-10-2-3)合金是由美国Timet公司、Boeing公司、Wyman-Gordon于20世纪70年代共同研造的高强近β合金，成功利用于飞机起落架主承沉梁、机翼和转轴等关键结构件[18] 。该合金经过在波音757上试用后，获批正式用在波音777的起落架上，如图3所示。尔后，空客也使用Ti-10-2-3用作A380飞机的起落架。

图3 波音777起落架结构，该机型是初次使用钛合金起落架的商用飞机[5]

（2）Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr (Ti-5553)。Ti-5553 合金是由俄罗斯上萨尔达（VSMPO）与欧洲空客公司结合研造的一种新型高强高韧近β钛合金，其名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr，比Ti-10-2-3合金强度稍高（约莫1240MPa），经热处置后，抗拉强度可超过1500MPa，有肯定加工机能优势，淬透性更佳。出格合用于造作大规格承力构件，如机翼/悬挂接头、起落架/机翼接头以及起落架等零件。波音新型787飞机起落架大部门部件使用Ti-5553合金，空客A350-1000的起落架部件也使用该合金[19,20] 。

（3）Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al(Ti-15-3-3-3)。Ti-15-3-3-3是美国70年代研造成功的亚不变β型钛合金。经800℃ 30minAC+540℃ 8hAC处置,室温拉伸强度达1100MPa,延长率仍在9%以上。该合金拥有良好的压延性、冷成形性和焊接机能，是一种梦想的航空构件资料[21] 。

重要用作机身结构件和航空紧固件，还可用来造作弹簧，如图4所示。用β钛合金包办钢质弹簧能够获得70%的减沉。

图4 钛造飞机弹簧[5]

注 ：弹簧A是用Ti-15-3-3-3钛带造作的舱门平衡时钟弹簧。弹簧B是用β-C钛丝造作的螺旋弹簧，用作T-45锻练机启动杆动力单元弹簧。

（4）Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo （Ti-6-2-4-6）。Ti-6-2-4-6是美国Timet公司在20世纪60年代开发的一种高Mo含量的高温钛合金，拥有耐高温机能（使用温度在420℃）、优良的强度、耐侵蚀、焊接及加工机能。该合金在固溶时效或双沉退火后的低周委顿强度显著高于相应的Ti-6Al-4V合金，同时拥有较高的高温蠕变强度和瞬时强度，可造作涡轮发起机压气机盘件和叶片[22] 。

（5）Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr（Ti-17）。Ti-17 是美国通用电气公司在70年代初期起头钻研与开发的β型合金，强度高、韧性好,室温下屈服强度为1137~1166MPa，抗拉强度为1196~1235MPa，延长率为8%以上。同时拥有优良的抗裂纹成长/委顿机能和断裂韧性。重要用作一些新研造强度要求较高的大型飞机发起机电扇盘和气压机盘。美国通用电气公司和Wyman Gordon公司选取Ti-17合金造作了发起机用盘件和直升飞机转子卡轴。日本神户造钢所也起头研造该合金并用于造作发起机盘件[23] 。

（6）Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr(β-C)。β-C 是1969年美国RMI公司开发的亚稳β钛合金。该合金含有更多的固溶体，拉伸强度可达到1240 MPa，由于强度高，其塑性和容损机能（断裂韧性和委顿裂纹成长速度）低于α+β合金，因而不常用于关键承沉部件，通常用作飞机弹簧、紧固件、衔接件及导弹部件。

钻研批注，将少量C(0.1%)参与β-C，在时效前进行肯定的冷变形，能够加快时效期间α相析出，同时削减晶界α（GBα）形成，并促使晶粒细化,能够在获得高达1500MPa强度的同时，维持较好的延性[24] 。

（7）Ti-35V-15Cr（Alloy C）。只有一种真正的（不变）β合金拥有有限的贸易利用价值，这就是Alloy C,名义成分为Ti-35V-15Cr-0.05C，由普·惠（Pratt and Whitney公司，美国最大的两家航空发起机造作公司之一）开发。由于β不变合金含量相当高，因而Alloy C在服役温度下β相不会像通常β合金那样分化成α+β相。该合金室温拉伸机能1071MPa，屈服强度1023 MPa，延长率14.7，蠕变温度540℃，由于拥有防火（不点火）机能，而被普·惠用作军用发起机的排气系统[25] 。而其他钛合金在高质量流速下（好比喷气发起机气流），会产生点火，供点火的“燃料”就是险些所有钛合金中都必不成少迪胙和铝。

（8）Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si（β-21S）。β-21S(Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si) 是 TIMET 开 发 的一种超高强度新型β合金。该合金强度高，塑性好，通过热处置，时效到很高的强度水平（抗拉强度>1450MPa），塑性仍维持在Ti-1023的水平。β-21S在加工和使用期间拥有显著的抗氧化机能，更适合加工成薄板。β-21S比其它β合金能接受更高的温度，长功夫工作温度可达540℃[26] 。

由于拥有更好的耐高温机能，这种合金能够用作航空发起机尾椎，如图5所示，此处喷口露出于发起机尾气。用β-21S包办镍基合金能够大幅度减轻喷口和尾椎的沉量。

图5 装配波音-777发起机β-21S尾椎[5]

5、钛铝合金及利用

钛铝合金，比近α型钛合金拥有更好的耐高温机能。钛铝合金有多种金属间化合物，重要有Al含量较少的Ti 3 Al（α2）和Al含量较多的TiAl （?）两种。其中?合金耐高温能力达到725℃，高于通例钛合金的工作温度。目前已有?合金用于发起机造作，在商用飞机发起机中用作低压涡轮叶片，如图6所示。

图6 用?合金造作747发起机低压涡轮转子叶片[5]

目前波音787的GEnx发起机以及空客A-320NEO和波音737MAX的CFM LEAP发起机最后两级低压涡轮（LPT）工作叶片均釆用?合金Ti-48Al-2Nb-2Cr造作。

使用这种合金使GEnx发起机每级叶片减沉约90kg。2006年美国GE公司使用Ti-48Al-2Nb-2Cr合金作为在GEnx发起机中第6、7级低压涡轮叶片。这是钛铝合金初次大规模进入现实关键结构件的利用[27] 。图7为用?合金造作的GEnx发起机低压涡轮转子。

图7 用?合金造作的GEnx发起机最后两级低压涡轮转子叶片[5]

6、结语

对美欧航空航天钛脊合金商标的梳理分析批注，近年来国表开发的高温钛合金、低温钛合金、高强高韧β型钛合金、阻燃钛合金和危险容限型钛合金在航空航天领域得到了宽泛利用，代表了航空航天高机能钛合金资料的发展方向。

（1）高温钛合金。20世纪50年代开发的高温钛合金以美国开发的Ti-6Al-4V合金为代表，其适应温度为300-350℃[28] 。后来开发的高温钛合金以近α型为主，以美国开发的Ti-6-2-4-2S、Ti-1100，英国开发的IMI834以及俄罗斯开发的BT-36为代表，使用温度高达600℃。高温钛合金以其良好的热强性和高的比强度，在航空发起机中获得了宽泛的利用。高温钛合金的另一个发展趋向是钛铝合金，即以钛铝为基础的Ti 3 Al （α2）和TiAl （?）金属间化合物，其中?合金耐高温能力达到725℃。钛铝合金成为未来航空发起机及飞机结构件最具竞争力的资料。

（2）低温钛合金。一些钛和钛合金在低和善超低温下仍能维吃熹原有的机械机能。美国对于低温钛合金的钻研重要集中于α型Ti-5Al-2.5Sn ELI以及α+β型钛合金Ti-6Al-4V ELI [6] ，通过降低间歇元素含量,两种钛合金在20K极低温度下维持优良的强度和韧性，用于低温容器、低温管路以及液体火箭发起机叶轮。

（3）高强钛合金。高强度钛合金通常指抗拉强度在1,000MPa以上迪胙合金，国表高强钛合金研发重要以美国和俄罗斯为主。β合金是强度最高迪胙合金，目前代表国际先进水平并在航空领域获得现实利用的高强度钛合金重要为β型钛合金，如美国Ti-10-2-3、Ti-15-3-3-3和β-21S，俄罗斯Ti-5-5-5-3-1等，重要用于强度要求较高的结构件，如飞机起落架以及机身等部件。

（4）阻燃钛合金。为解决航空发起机用钛合金资料的」点火”问题，以满足高推沉比发起机的必要，美国和俄罗斯从20世纪70年代起头就发展阻燃钛合金的研造。阻燃钛合金重要蕴含两个合金系 ：美国的Ti-V-Cr系Alloy C（T-35V-15Cr）；俄罗斯的Ti-Cu-Al系BTT-1、BTT-3 [3] 。其中Alloy C是一种不变β型阻燃钛合金，拥有较高的室和善高温强度，优良的蠕变强度，优异的委顿强度和冷成形性，已成功利用于F119发起机的高压压气机机匣、导向叶片和矢量尾喷管。

（5）危险容限钛合金。为了满足新型飞机对资料比强度、抗委顿机能、裂纹扩大机能、断裂韧性、寿命期成本等综合机能的要求，国表已研造出高断裂韧性和低裂纹扩大速度的

危险容限型钛合金，以美国开发的α+β型合金Ti-6Al-4V ELI及Ti-6-2-2-2-2S为代表。Ti-6Al-4V ELI为中强危险容限钛合金，Ti-6-2-2-2-2S为高强危险容限钛合金，在美国F-22战斗机得到大量利用[29] 。

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