飞机结构和功能用钛合金材料的特点与分类

引言

钛及钛合金具有良好的综合性能，在航空航天、石油化工、生物医学、环境保护等领域的应用都很广泛，有较高的比强度，良好的耐腐蚀、耐高温等性能，在金属材料王国中被称为“全能金属”，是继铁、铝之后极具发展前景的“第三金属”和“战略金属”[1]，作为高性能航空航天结构的关键材料，其性能对飞行器结构、质量、效率、服役可靠性和使用寿命都具有重要的作用。

作为飞机上重要的结构材料和功能材料，近十几年国内外关于钛合金材料的应用及研究也越来越多。战斗机和轰炸机的用钛量在不断提高，美国的F-15，从20%升至27%，美国F-22 战机的用钛量升为41%[2]。

1、钛合金的特点及应用

钛有两种晶格类型，相互之间可以发生同素异构转变：温度在882℃以下时，为α-Ti（hpc），晶格结构为密排六方，温度在882℃以上时，为β-Ti（bcc），晶格结构为体心立方。合金元素的不同对相变温度的影响也很大，可分为三类：

1）稳定α相，能提高相变温度的α稳定元素有：Al、C、O、N 等；

2）稳定β相，能降低相变温度的β稳定元素有两类：同晶型Mo、Nb、V 等；共析型Cr、Mn、Cu、Fe 等；

3）盂中性元素，其对相变温度的作用很小：Zr、Sn 等。

不同元素对相变温度的作用不同，对应的温度变化如图1 所示。

钛密度为4.5g/cm³，属于轻金属，熔点为1669℃，化学活性大，容易与空气中的氧发生反应生成致密的氧化膜，阻止进一步氧化，高温时，反应剧烈，氧化膜脱落会加速反应速度，所以，在钛合金的制备过程中，真空或气体保护是非常必要的。

钛合金作为应用广泛的结构材料，比铝、钢强度高，而且在海水中有较好的抗腐蚀和耐低温的性能。目前，飞机的机架、起落架、机身蒙皮以及发动机的叶片等制造材料的选择，主要来源于钛合金及其复合材料，基于钛合金的发展水平，可以作为判断先进水平检测的重要指标[4]。随着钛合金用量的不断增加，其应用也越来越广泛。由于钛的无毒、质轻、耐腐蚀、强度高以及较好的生物相容性等特点，可以作为植入人体的植入物和手术机械等材料；鉴于其良好的结构弹性，可以用来减轻设备的质量，提高性能，增加寿命。例如Ti6Al4V 制造的榴弹炮座，质量降低了31%，采用钛合金代替轧制均质钢，在制造坦克其它部件的过程中，减重可达420kg 以上[5]。钛合金在航海领域也有很好的发展前景，其耐蚀性、高比强度、无磁等特性使得其在发动机、螺旋桨、声纳系统等装置的应用极为广泛。

2、钛合金的分类

钛会发生同素异构转变，在低温时，稳态的α-Ti 是密排的晶格结构；高温时，β-Ti 的体心晶格结构相对比较稳定，对应的晶胞结构图如图2 所示。

钛合金组织有α型、α+β型、β型三种结构，对应的符号为TA、TC、TB。

2.1 α型钛合金

α钛合金是单相合金，其组织是α相固溶体，符号用TA 表示。合金的主要元素为中性元素或α稳定元素，例如Al、Sn、Zr 等，基本不含β稳定元素。工业纯钛，组织均为α相，属于典型的α型钛合金。α型钛合金的抗氧化能力和切削加工性能良好，其强度和蠕变抗力在500耀600℃范围内仍可维持，缺点是无法实行热处理工艺进行强化，室温的强度相对较低，退火后的强度变化量很小或基本无变化。

2.2 α+β型钛合金

α+β型钛合金的组织为α相、β相的两相合金，符号用TC 表示。它是双相合金，α相和β相的比例取决于合金的成分，主要与β稳定元素的含量有关，β相所占的比例约为1/20~1/4。α+β型合金有较好的组织与性能，比较适合热处理强化，热加工过程中最能体现合金的塑韧性和高温变形能力。这类合金最大的特点是可以通过不同的热处理工艺，获得不同的组织形态如魏氏组织、网篮组织、双态组织和等轴组织，进而得到不同的合金性能。

2.3 β型钛合金

β钛合金是由β相组成的单相合金，符号用TB 表示。其中，β稳定元素的含量大于17%[6]，β单相组织的晶粒一般要大于等轴的α或α+β组织，并且可以进行淬火、时效 强化。强度高，变形能力好，但焊接性能和热稳定性较差，长期处于高温条件下会产生硬脆相，因此不宜在高温下使用，并且耐热性也不好。

3、钛合金的典型组织

TC4 是典型的α+β双相钛合金，优点是可以进行热处理强化，热处理工艺不同，合金的显微组织也不同，主要有以下四类，其显微组织如图3 所示[7]：

3.1 魏氏组织

第一类如图3（a）所示为魏氏组织，其组织特点是β晶粒比较清晰且保存完整，晶界比较明显，晶内α相呈层片状、粗针或细针状规则排列，生成的条件是在β相区热加工或β相区退火，且变形量小于50%，从β转变温度以上缓慢冷却。冷却的快慢对α相的大小影响很大，快冷时，得到的α相较窄，缓慢冷却时，获得的α相较宽，快速冷却时，可能得到的针状的马氏体α"[8]。魏氏组织有良好的断裂韧性，原始β晶粒及完整“晶界”的存在可以限制裂纹的扩展速度。由于没有其它相的牵制，β相的晶界容易迁移，造成晶粒长大，因此合金塑性、疲劳性较差，拉伸性能不好，所以在实际的工业生产中，应该尽量避开这种组织的出现。

3.2 网篮组织

第二类如图3（b）所示为网篮组织，网篮组织是在β相区加热，并在α+β相区最终变形的结果，变形量较大，大约为0.5~0.8，β相及晶界的处α相被破坏，冷却后α束变细，尺寸也变短小，且相互交错杂乱排列，呈网篮状，最后形成了网篮组织；特点是α、β交错排列强度高，但塑性差，与魏氏组织相比，其塑性，疲劳韧性比较高，但断裂韧性低，目前可代替魏氏组织应用于在高温条件下长期受力的零部件。

3.3 双态组织

第三类如图3（c）所示为双态组织，双态组织是在热处理温度低于β相变点较少加热或变形时获得的综合性能比较好的组织，其组织特点是在转变β组织上分布一定数量的等轴的初生α相。一种是片状α束域，分布在β转变组织中；另一种是分布在β转变组织间，数量小于50%的α相，这种α相是等轴状。双态组织不仅有较高的疲劳强度、塑性，其蠕变性能、热稳定性能及疲劳性能也比较好。

3.4 等轴组织

第四类如图3（d）所示为等轴组织，等轴组织与双态组织相同，都是初生的α相和β转变组织，只是初生α相的含量有差异（大于50%）。等轴组织加热属于α+β相区，变形温度较高，会发生再结晶，获得完全等轴的α+β组织，如果变形温度较低时，再结晶部分发生或者不发生时，可进行再结晶退火，仍可获得等轴组织，钛合金中等轴α相的含量影响合金的塑性，含量越高，塑性越好。其组织特点刚好与魏氏组织相反，优点是良好的塑性、疲劳强度及抗缺口敏感性，缺点是断裂韧性，蠕变性能相对较差。

4、展望

随着科技的进步和现代工业的发展，钛合金在军工和民用领域的应用也越来越广泛，在汽车行业，钛合金的应用不仅能减重，更能满足环保的要求，未来航空航天和推力系统需要钛合金材料具有更小的密度，更高的强度、工作温度和弹性模量，对材料性能的要求也逐渐提高，高强度、高硬度、高耐热性的材料越来越受各领域的青睐，优质轻型金属材料的钛合金必将代替部分传统的材料，既减轻质量，又降低成本，达到降低能源消耗的目的，因此高性能钛合金的研究已成为重要的发展方向，相信随着发展的需要，钛合金在我国的市场前景会越来越好。

参考文献

[1]刘奇先，刘杨，高凯.合金的研究进展与应用[J].航天制造技术，2011，8（4）：45-48.

[2]吴欢，赵永庆，葛鹏，等.β稳定元素对钛合金α相强化行为的影响[J].稀有金属材料与工程，2012，41（5）：807-810.

[3]白新房，赵永庆，郑翠萍，等.不同组织形态TC4 钛合金力学性能研究[J].钛工业进展，2011，28（3）：27-29.

[4]何丹琪，石颢.钛合金在航空航天领域中的应用探讨[J].中国高新技术企业，2016，27（18）：50-51.

[5]Klenz E. Titaniium Industry Overview [C]. InternationalTitanium Association: TITANIUM 2008. 2008, 117-119.

[6]黄晓艳，刘波，李雪.钛合金在军事上的应用[J].轻金属，2005（9）：51-53.

[7]金和喜，魏克湘，李建明，等.航空用钛合金研究进展[J].中国有色金属学报，2015（2）：280-292.

[8]蔡一湘，李达人.粉末冶金钛合金的应用现状[J].中国材料进展，2010，29（5）：31-37.

[9]任朋立.高温钛合金的应用及其发展前景[J].新材料产业，2014（3）：56-58.

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