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(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；已被美國國家宇航局(NASA)確定用作碳化硅/鈦復(fù)合材料的基體材料，并將用于美國國家航空航天飛機(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RMI鈦公司計(jì)劃開發(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。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(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(xué)成分^［7］。

表3　高溫鈦合金的使用溫度及化學(xué)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(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)使其成為未來航空用發(fā)動(dòng)機(jī)及飛機(jī)結(jié)構(gòu)件最具競爭力的材料。

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　　目前，已有兩個(gè)Ti₃Al為基的鈦合金Ti-21Nb-14Al和Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo在美國開始批量生產(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^．m^1/2，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σ_b=893MPa、屈服強(qiáng)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(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(fù)雜的薄板構(gòu)件和NASP用的機(jī)身和機(jī)翼壁板。近來美國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］。美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和NASA路易斯研究中心共同開發(fā)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(hào)5635303)，且效果良好。該方法是將γ鈦鋁化合物試樣經(jīng)過噴丸處理，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^［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(yīng)用。80年代美國P&W和Teledyne Wah Chang Albany公司聯(lián)合研制出對持續(xù)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(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(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

　　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)，但通過對現(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十分重要的航空航天結(jié)構(gòu)和功能材料。