摘   要 ：強度高和耐高溫是鈦合金最為突出的優點，這使得對材料性能要求苛刻的航空航天業成為鈦合金的最大用戶。本文介紹了國外開發的航空航天領域鈦及鈦合金主要牌號及其性能和零部件應用，分析了國外航空航天鈦合金材料的發展趨勢。調研表明，歐美國家已形成了先進、完整的航空航天領域鈦及鈦合金材料體系，美國是全球航空航天鈦材研發和應用的領先者。近年來國外開發的高溫鈦合金、低溫鈦合金、高強高韌 β 型鈦合金、阻燃鈦合金和損傷容限型鈦合金在航空航天領域得到了廣泛應用，代表了航空航天高性能鈦合金材料的發展方向。 

關鍵詞 ：鈦合金 ；牌號 ；應用 ；航空航天

全球航空業將保持強勁增長的勢頭，據空客預測，到 2035 年航空市場對新增飛機的需求將帶來超過 5 萬億美元的投資。而為了降低燃料消耗和減少碳排放，減重成為飛機制造商關注的核心問題。鈦合金材料由于具有獨特的高強度 - 重量比性能，最早應用于航空工業部門，用在航空器的多個部件，如起落架、發動機部件、彈簧、襟翼導軌、氣動系統管道和機身部件等。航空工業對鈦合金材料的性能提出了越來越高的要求，如高強度 - 重量比，高抗氧化性能，斷裂韌性、耐腐蝕性能、疲勞強度和抗蠕變性能。 

航空業已成為鈦合金最大用戶，美國的鈦材主要應用于航空航天領域，約占使用總量的 60%。在美國戰斗機的更新換代中，鈦合金和復合材料的使用比例不斷上升，第五代戰斗機 F-35 用鈦量達到 27%,F-22 戰機用鈦量則高達 41%， 其中發動機的葉輪、盤、葉片、機匣、燃燒室筒體和尾噴管等均為鈦合金材料制造。本文按材料顯微組織類型，對國外開發的航空航天領域鈦及鈦合金主要牌號、應用及發展趨勢進行了介紹和分析。

1  α型鈦合金及應用 

α 合金包括工業純鈦（Commercially Pure, 簡稱 CP） 及只含 α 穩定元素和 / 或中性元素的鈦合金。 

1.1 工業純鈦 

工業純鈦主要由密排六方晶體 (HCP)α 相構成，同時由于源自海綿鈦原料殘存雜質或人為添加帶來的 Fe 元素， 工業純鈦中還含有少量的（<5%）的 β 相，按拉伸強度按240-550MPa 分 4 個牌號 (ASTM 標準中 G1、G2、G3 和 G4)，牌號越高其中可以發揮間歇固溶強化的氧濃度越高， 因此強度也越高。 

CP 鈦主要用于要求具有良好的耐腐蝕性和焊接性能， 但對強度要求不高的領域。在航空領域，CP 鈦主要用于機翼前緣除冰系統的空氣加熱管，機艙環境控制系統管道，液壓管道以及各種夾持和支架裝置。

1.2 鈦合金Ti-5Al-2.5SnELI 

另一類α型鈦合金含有α穩定元素Al 和中性合金元素 Sn，目的是獲得比CP更高的強度。航空領域最常見的α型鈦合金包括Ti-5Al-2.5Sn ELI（Extra low interstitial，超低間歇），由俄羅斯和美國開發，俄羅斯牌號為BT5-1。該合金是在普通鈦合金Ti-5Al-2.5Sn基礎上，通過降低間歇元素含量, 顯著提升其在極低溫下的強度和韌性，在20K（-250℃）低溫條件下仍具有良好的韌性和較低的熱導率，主要用于低溫容器、低溫管道以及液體火箭發動機渦輪油泵葉輪，如圖1所示。

圖 1 航天飛機主發動機使用的 Ti-5Al-2.5Sn油泵葉輪

2 近α型鈦合金及應用 

這類合金主要含 Al、Sn 和 Zr 以及少量（不超過重量 2%）低擴散率 β 穩定元素，如 Mo 或 Nb、V 及 Si( 不超過 0.5%)。加入 Mo 或 Nb 可在室溫下穩定少量被保留的 β 相， 以起到某種強化作用。

近 α 型鈦合金在室溫下強度不如 α+β 或 β 合金，但具有優越的抗高溫蠕變性能，由于在高溫下仍可保持足夠強度，這一點對于高溫應用尤為重要。 

航空業最常見的近 α 型鈦合金主要牌號包括 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 是美國開發的一種近 α 型鈦合金，在室溫和高溫下強度比純鈦高出 20%~50%, 適用于飛機和發動機液壓和燃油等管路系統。在波音，除驅動主起落架的起落架艙液壓管道外，飛機的所有液壓管道均采用 Ti-3-2.5。航天飛機上的大量油壓管路采用 Ti-3Al-2.5V 合金無縫管做配管，能使管路減重 40%。 

（2）Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si(Ti-6-2-4-2S)。由于近 α 型鈦合金抗高溫蠕變強度優于 α+β 合金，在現代發動機中，壓氣機葉片使用兩種材質，前級葉片燃氣溫度低于 300℃，材質為 Ti-6-4，其余末級材質采用高蠕變強度合金 Ti-6-2-4-2S，可以在高達 540℃下使用。70 年代 , 美國 RMI（Reactive Metals Inc）通過添加 Si 元素 , 開發了使用溫度超過 500℃的 Ti-6242S 合金，采用細化 β 晶粒控制針狀組織的方法,實現了合金疲勞強度和蠕變強度兼顧,使之在 565℃下具有高強度、高剛度、抗蠕變和好的熱穩定性 , 廣泛應用于渦輪發動機部件。圖 2 為 3-9 級鈦合金壓氣機轉子。

圖 2 波音 747發動機 7級單體壓氣機轉子， 前 5 級為 Ti-6-4 合金，后兩級 Ti-6-2-4-2S

（3）Ti-1100 （Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si- 0.7O2-0.2Fe）。Ti-1100近α高溫鈦合金是Timet為滿足新 型航空發動機對高溫鈦合金高抗蠕變性能和高斷裂韌性的需求 , 而在 20 世紀 80 年代研制的 , 該合金實際上是 Ti-6242Si 的發展型 , 其使用溫度達可 593℃ , 目前已用于美國萊康明發動機公司 (LYCOMING) 的 T55-712 型發動機。 

（4）Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.5Mo-0.7Nb-0.35Si- 0.06C（IMI834）。IMI834 是英國勞斯萊斯公司 (RollsRoyce，歐洲最大的航空發動機企業 ) 研制的發動機用高溫合金，工作溫度可達 600℃。目前，一般認為它是已投入工業生產的最高溫近 α 鈦合金。834 合金主要用于航空發動機環件、壓氣機輪盤及葉片。 

（5）Ti-6.2Al-2Sn-3.6Zr-0.7 Mo-0.1Y-5.0W- 0.15Si(BT36)。BT36 是俄羅斯于 1992 年研制成功的一種使用溫度在 600-650℃的鈦合金 , 該合金在 BT18Y 的基礎上用 5% 的高熔點 W 代替 1%Nb，W 的加入對合金的室溫強度、蠕變和持久性有明顯的改善，提高了合金的熱穩定性。

3  α+β合金及應用

α+β 合金是迄今為止應用最廣泛的鈦合金。其具有更高含量的（4-6%）β 元素，因此與近 α 型鈦合金相比，其 β 相含量更高，可以通過熱處理獲得更高的強度。主要強化機制包括在室溫下保留亞穩 β 相，通過淬火到室溫從原始 β 相生成馬氏體。通過對含有亞穩 β 相的合金進行時效處理，可以在該區域生成片狀 α，這樣可以在盡可能減少塑性損失的情況下提高強度。 

最常用的α+β合金是Ti-6Al-4V（Ti-6-4），其他航空用 α+β 合金包括 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 是應用最廣泛的鈦合金材料，具有良好的綜合性能，常在退火態下使用，最低拉伸強度 896MPa(130ksi)。Ti-6-4 屬于可熱處理強化鈦合金，具有較好的焊接性能、成形性和鍛造性能 , 是機身結構件使用的主要鈦合金， 同時用于制造噴氣發動機壓縮機葉片、葉輪以及起落架和結構件，緊固件，支架，飛機附件，框架，桁條結構、管道。 

（2）Ti-6Al-6V-2Sn(Ti-662)。Ti-662 拉伸強度 1030MPa, 屈服強度 970MPa，強度高于 Ti-6-4，耐腐蝕 性能優異，焊接和加工性能中等，用于飛機機身、火箭發動機、核反應堆部件，近年在石油鉆井上應用增多。 

（3）Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si（6-2-2-2- 2S）。6-2-2-2-2S 由 RMI 在 1970 年代開發，具有優異的強度、斷裂韌性、高溫性能，以及良好的加工性能和焊接性能， 適用于厚型結構件。用于機身、機翼、發動機結構件。該合金強度高，在退火態的強度 1068MPa，經固溶強化和時效， 可達到最大強度 1241MPa，并具有較大的損傷容限，廣泛用于戰斗機結構件，如美國空軍 F-22 Raptor 戰斗機。 

（4）Ti-4Al-2Sn-4Mo-0.5Si （IMI550）。IMI550 由英國帝國金屬公司（IMI）研制，拉伸強度達 1100MPa，屈服強度達 940MPa，使用溫度達到 400℃，用于機身和發動機結構件。最早作為抗蠕變合金用于勞斯萊斯飛馬和奧林匹斯（Rolls Royce Pegasus and Olympus）發動機，后來又用于歐洲民用和軍用飛機機身，如美洲虎（Jaguar）、 狂風（Tornado）和空客 (Airbus)。

4  β合金及應用

β 合金是強度最高的鈦合金，拉伸強度可達 1240MPa。在經過快速冷卻后仍可在室溫下保留 100% 的亞穩 β 相。通 過運用不同的時效溫度和時間，可以控制某個合金 β 相基體 中 α 相析出的大小和比例，從而獲得比 α+β 合金更高的強度，選定適宜的時效溫度和時間可以獲得不同的性能。

除了少數例外，β 合金不用于高溫應用，因為一般情況下，隨著溫度的升高，β 合金的強度會比近 α 和 α+β 合 金下降更快，并且不如近 α 型鈦合金那樣具有抗蠕變性能。 

β合金主要用于強度要求較高的結構件，如飛機起落架， 從波音 777 開始，已在多款新型大型商用飛機上應用。波音 777和787采用β合金的其他構件包括襟翼滑軌、彈簧、輔助 動力單元支柱（APU Strut）、滅火罐、夾子和托架以及排氣管。 

用 于 航 空 的 β 合 金 包 括 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) 合金是由美國 Timet 公司、Boeing 公司、 Wyman-Gordon 于 20 世紀 70 年代共同研制的高強近 β 合金，成功應用于飛機起落架主承重梁、機翼和轉軸等關鍵結構件。該合金經過在波音 757 上試用后，獲批正式用在波音 777 的起落架上，如圖 3 所示。此后，空客也使用 Ti-10-2-3 用作 A380 飛機的起落架。

圖 3 波音 777 起落架結構，該機型是首次使用鈦合金起落架的 商用飛機

（2）Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr (Ti-5553)。Ti-5553 合金是由俄羅斯上薩爾達（VSMPO）與歐洲空客公司聯合研制的一種新型高強高韌近 β 鈦合金，其名義成分為 Ti- 5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr，比 Ti-10-2-3 合金強度稍高（大約 1240MPa），經熱處理后，抗拉強度可超過 1500MPa，有一定加工性能優勢，淬透性更佳。特別適用于制造大規格承力構件，如機翼 / 吊掛接頭、起落架 / 機翼接頭以及起落架等零件。波音新型 787 飛機起落架大部分部件使用 Ti-5553 合金，空客 A350-1000 的起落架部件也使用該合金 。

（3）Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al(Ti-15-3-3-3)。Ti- 15-3-3-3 是美國 70 年代研制成功的亞穩定 β 型鈦合金。經 800℃ 30minAC+540℃ 8hAC 處理 , 室溫拉伸強度達 1100MPa, 延伸率仍在 9% 以上。該合金具有優良的壓延性、冷成形性和焊接性能，是一種理想的航空構件材料。主要用作機身結構件和航空緊固件，還可用來制作彈簧，如圖 4 所示。用 β 鈦合金代替鋼質彈簧可以獲得 70% 的減重。

圖 4 鈦制飛機彈簧

 注 ：彈簧 A 是用 Ti-15-3-3-3 鈦帶制作的艙門平衡時鐘彈簧。彈簧 B 是 用 β-C 鈦絲制作的螺旋彈簧，用作 T-45 教練機啟動桿動力單元彈簧。

（4）Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo （Ti-6-2-4-6）。Ti- 6-2-4-6 是美國 Timet 公司在 20 世紀 60 年代開發的一種高 Mo 含量的高溫鈦合金，具有耐高溫性能（使用溫度在 420℃）、良好的強度、耐腐蝕、焊接及加工性能。該合金在固溶時效或雙重退火后的低周疲勞強度明顯高于相應的 Ti-6Al-4V 合金，同時具有較高的高溫蠕變強度和瞬時強度，可制造渦輪發動機壓氣機盤件和葉片。 

（5）Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr（Ti-17）。Ti-17 是美國通用電氣公司在 70 年代初期開始研究與開發的 β 型合金，強度高、韌性好, 室溫下屈服強度為 1137~1166MPa， 抗拉強度為 1196~1235MPa，延伸率為 8% 以上。同時具有良好的抗裂紋生長 / 疲勞性能和斷裂韌性。主要用作一些新研制強度要求較高的大型飛機發動機風扇盤和氣壓機盤。美國通用電氣公司和 Wyman Gordon 公司采用 Ti-17 合金制造了發動機用盤件和直升飛機轉子卡軸。日本神戶制鋼所也開始研制該合金并用于制造發動機盤件。

（6）Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr(β-C)。β-C 是 1969 年美國 RMI 公司開發的亞穩 β 鈦合金。該合金含有更多的固溶體，拉伸強度可達到 1240 MPa，由于強度高， 其塑性和容損性能（斷裂韌性和疲勞裂紋生長速率）低于 α+β 合金，因此不常用于關鍵承重部件，通常用作飛機彈簧、緊固件、連接件及導彈部件。 

研究表明，將少量 C(0.1%) 加入 β-C，在時效前進行一定的冷變形，可以加快時效期間 α 相析出，同時減少晶界 α（GBα）形成，并促使晶粒細化 , 可以在獲得高達 1500MPa 強度的同時，保持較好的延性。

（7）Ti-35V-15Cr（Alloy C）。只 有 一 種 真 正 的（ 穩 定）β 合金具有有限的商業應用價值，這就是 Alloy C, 名 義 成 分 為 Ti-35V-15Cr-0.05C，由普· 惠（Pratt and  Whitney 公司，美國最大的兩家航空發動機制造公司之一） 開發。由于 β 穩定合金含量相當高，因此 Alloy C 在服役溫度下 β 相不會像普通 β 合金那樣分解成 α+β 相。該合金室溫拉伸性能 1071MPa，屈服強度 1023 MPa，延伸率 14.7，蠕變溫度 540℃，由于具有防火（不燃燒）性能，而被普·惠用作軍用發動機的排氣系統。而其他鈦合金在高質量流速下（比如噴氣發動機氣流），會發生燃燒，供燃燒的 “燃料”就是幾乎所有鈦合金中都必不可少的鈦和鋁。 

（ 8 ）T i - 1 5 M o - 2 . 7 N b - 3 Al - 0 . 2 S i（ β - 2 1 S ）。β-21S(Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si) 是 TIMET 開發的一種超高強度新型 β 合金。該合金強度高，塑性好，通過熱處理，時效到很高的強度水平（抗拉強度 >1450MPa），塑性仍保持在 Ti-1023 的水平。β-21S 在加工和使用期間具有顯著的抗氧化性能，更適合加工成薄板。β-21S 比其它 β 合金能承受更高的溫度，長時間工作溫度可達 540℃。 

由于具有更好的耐高溫性能，這種合金可以用作航空發動機尾椎，如圖 5 所示，此處噴口暴露于發動機尾氣。用 β-21S 代替鎳基合金可以大幅度減輕噴口和尾椎的重量。

圖 5 裝配波音 -777發動機β-21S尾椎

5  鈦鋁合金及應用

鈦鋁合金，比近 α 型鈦合金具有更好的耐高溫性能。鈦鋁合金有多種金屬間化合物，主要有 Al 含量較少的 Ti3Al （α2）和 Al 含量較多的 TiAl（  ）兩種。其中    合金耐高溫能力達到 725℃，高于常規鈦合金的工作溫度。目前已有    合金用于發動機制造，在商用飛機發動機中用作低壓渦輪葉片，如圖 6 所示。

圖 6 用 Y 合金制作 747發動機低壓渦輪轉子葉片

目 前 波 音 787 的 GEnx 發 動 機 以 及 空 客 A-320NEO 和波音 737MAX 的 CFM LEAP 發動機最后兩級低壓渦輪 （LPT）工 作 葉 片 均 釆 用    合金 Ti-48Al-2Nb-2Cr 制造。使用這種合金使 GEnx 發動機每級葉片減重約 90kg。2006 年美國 GE 公司使用 Ti-48Al-2Nb-2Cr 合金作為在 GEnx 發動機中第 6、7 級低壓渦輪葉片。這是鈦鋁合金首次大規模進入實際關鍵結構件的應用。圖 7 為用    合金制造的 GEnx 發動機低壓渦輪轉子。

圖 7 用 Y 合金制造的 GEnx發動機最后兩級低壓渦輪轉子葉片

6  結語

對美歐航空航天鈦及鈦合金牌號的梳理分析表明，近年來國外開發的高溫鈦合金、低溫鈦合金、高強高韌 β 型鈦合金、阻燃鈦合金和損傷容限型鈦合金在航空航天領域得到了廣泛應用，代表了航空航天高性能鈦合金材料的發展方向。 

（1）高溫鈦合金。20 世紀 50 年代開發的高溫鈦合金以美國開發的 Ti-6Al-4V 合金為代表，其適應溫度為 300- 350℃。后來開發的高溫鈦合金以近 α 型為主，以美國開發的 Ti-6-2-4-2S、Ti-1100，英國開發的 IMI834 以及俄羅斯開發的 BT-36 為代表，使用溫度高達 600℃。高溫鈦合金以其優良的熱強性和高的比強度，在航空發動機中獲得了廣泛的應用。高溫鈦合金的另一個發展趨勢是鈦鋁合金， 即以鈦鋁為基礎的 Ti3Al（α2）和 TiAl（  ）金屬間化合物， 其中    合金耐高溫能力達到 725℃。鈦鋁合金成為未來航空發動機及飛機結構件最具競爭力的材料。 

（2）低溫鈦合金。一些鈦和鈦合金在低溫和超低溫下仍能保持其原有的機械性能。美國對于低溫鈦合金的研究主要集中于 α 型 Ti-5Al-2.5Sn ELI 以及 α+β 型鈦合金 Ti-6Al-4V ELI，通過降低間歇元素含量 , 兩種鈦合金在 20K 極低溫度下保持良好的強度和韌性，用于低溫容器、低溫管道以及液體火箭發動機葉輪。 

（3）高強鈦合金。高強度鈦合金一般指抗拉強度在 1,000MPa 以上的鈦合金，國外高強鈦合金研發主要以美國和俄羅斯為主。β 合金是強度最高的鈦合金，目前代表國際先進水平并在航空領域獲得實際應用的高強度鈦合金主要為 β 型鈦合金，如美國 Ti-10-2-3、Ti-15-3-3-3 和 β-21S，俄羅斯 Ti-5-5-5-3-1 等，主要用于強度要求較高的結構件，如飛機起落架以及機身等部件。 

（4）阻燃鈦合金。為解決航空發動機用鈦合金材料的 “鈦燃燒”問題，以滿足高推重比發動機的需要，美國和俄羅斯從 20 世紀 70 年代開始就開展阻燃鈦合金的研制。阻燃鈦合金主要包括兩個合金系 ：美國的 Ti-V-Cr 系 Alloy C （T-35V-15Cr）；俄羅斯的 Ti-Cu-Al 系 BTT-1、BTT- 3[3]。其中 Alloy C 是一種穩定 β 型阻燃鈦合金，具有較高的室溫和高溫強度，良好的蠕變強度，優異的疲勞強度和冷成形性，已成功應用于 F119 發動機的高壓壓氣機機匣、導向葉片和矢量尾噴管。 

（5）損傷容限鈦合金。為了滿足新型飛機對材料比強度、 抗疲勞性能、裂紋擴展性能、斷裂韌性、壽命期成本等綜合性能的要求，國外已研制出高斷裂韌性和低裂紋擴展速率的損傷容限型鈦合金，以美國開發的 α+β 型合金 Ti-6Al- 4V ELI 及 Ti-6-2-2-2-2S 為代表。Ti-6Al-4V ELI 為中 強損傷容限鈦合金，Ti-6-2-2-2-2S 為高強損傷容限鈦合金，在美國 F-22 戰斗機得到大量應用。