航空用鈦合金棒鈦鍛件等材料及鈦合金標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展綜述

鈦合金材料密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、組織性能穩(wěn)定性好，且具有優(yōu)良的綜合性能。鈦合金所具有的這一系列突出優(yōu)點(diǎn)，使其在飛機(jī)結(jié)構(gòu)和航空發(fā)動機(jī)中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。近年來，世界鈦工業(yè)和鈦材加工技術(shù)得到了飛速發(fā)展，海綿鈦和鈦合金加工材的生產(chǎn)和消費(fèi)都達(dá)到了很高的水平。我國鈦資源豐富，儲量居世界前列，目前已經(jīng)成為世界上繼美國、俄羅斯、日本之后，具有完整工業(yè)體系和生產(chǎn)能力的世界第4大鈦工業(yè)國，加強(qiáng)我國鈦合金材料的研究和應(yīng)用推廣對促進(jìn)我國航空工業(yè)的快速發(fā)展具有重要意義。伴隨著鈦工業(yè)的發(fā)展，我國鈦及鈦合金的標(biāo)準(zhǔn)從建立、發(fā)展也已經(jīng)歷近40年，現(xiàn)已形成較為完整的標(biāo)準(zhǔn)體系。本文在對航空用鈦合金材料和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀進(jìn)行闡述的基礎(chǔ)上，對航空用鈦合金材料和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的未來發(fā)展趨勢作了探討。

1、 航空用鈦合金材料

航空工業(yè)部門是最早應(yīng)用鈦及鈦合金材料的。1952年，在道格拉斯的DC–7飛機(jī)的短艙及隔熱墻上就使用了鈦金屬。50年代初期，一些軍用飛機(jī)后機(jī)身的隔熱板、機(jī)尾罩、減速板等受力不大的結(jié)構(gòu)件也開始使用工業(yè)純鈦制造。進(jìn)入60年代，飛機(jī)上的襟翼滑軋、承力隔框、中翼盒形梁、起落架梁等主要承力結(jié)構(gòu)件也陸續(xù)采用了鈦合金材料制造。近年來，航空工業(yè)對高強(qiáng)度、低密度材料的需求日益迫切，使得鈦合金材料的應(yīng)用從戰(zhàn)斗機(jī)拓展到大型軍用轟炸機(jī)和運(yùn)輸機(jī)。鈦合金材料的應(yīng)用水平已成為衡量飛機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一。在美國戰(zhàn)斗機(jī)的更新?lián)Q代中，鈦合金和復(fù)合材料的使用比例不斷上升，第四代戰(zhàn)斗機(jī)F–22所使用材料中41%為鈦合金，其中發(fā)動機(jī)的葉輪、盤、葉片、機(jī)匣、燃燒室筒體和尾噴管等均為鈦合金材料制造。

幾十年來，國內(nèi)外針對航空應(yīng)用所研究的鈦合金材料取得了很大發(fā)展，許多合金也得到廣泛應(yīng)用，其中應(yīng)用最廣的是Ti–6Al–4V和Ti–6Al–2Sn–4Zr–2Mo（Ti6242）兩個鈦合金牌號材料。

我國鈦合金棒鈦鍛件等鈦合金材料的研制從1956年開始，以仿制前蘇聯(lián)鈦合金材料為主。近年來，我國新型鈦合金研究十分活躍，研制出許多具有知識產(chǎn)權(quán)的新型鈦合金，合金總數(shù)約70多種，其中多數(shù)已獲得廣泛的應(yīng)用。新開發(fā)的用于航空領(lǐng)域的新型鈦合金主要有高溫鈦合金、高強(qiáng)高韌β型鈦合金、阻燃鈦合金等，其中高溫鈦合金是現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵材料之一，也是鈦合金的主要發(fā)展方向之一。

1.1 高溫鈦合金材料

高溫鈦合金以其優(yōu)良的熱強(qiáng)性和高的比強(qiáng)度，在航空發(fā)動機(jī)中獲得了廣泛的應(yīng)用，以其為材料生產(chǎn)的零件包括風(fēng)扇盤、葉片、壓氣機(jī)盤等。歐美、俄羅斯等航空工業(yè)發(fā)達(dá)國家先后研制出了在350℃～600℃環(huán)境中使用的高溫鈦合金，使用溫度逐步提高。目前已成功地應(yīng)用在軍用和民用飛機(jī)發(fā)動機(jī)中的新型高溫鈦合金有：英國的IMI829、IMI834合金，美國的Ti1100合金，俄羅斯的BT18Y、BT36合金等，使用溫度達(dá)550℃～600℃ [1-3] 。國外在傳統(tǒng)高溫鈦合金的基礎(chǔ)上仍在進(jìn)行深化研究。另外，鈦鋁化合物為基的Ti 3 Al（α2）和TiAl（γ）金屬間化合物開始受到關(guān)注，成為未來航空發(fā)動機(jī)及飛機(jī)結(jié)構(gòu)件最具競爭力的材料。

其最大優(yōu)點(diǎn)是高溫性能好（最高使用溫度分別為816℃和982℃）、抗氧化能力強(qiáng)、抗蠕變性能好且質(zhì)量更輕。目前，有兩個以Ti 3 Al為基的Ti–21Nb–14Al和Ti–24Al–14Nb–3V–0.5Mo鈦合金在美國開始批量生產(chǎn)。

近20年來，我國也自行研制了多種牌號的高溫鈦合金，主要有Ti–55、Ti–60、Ti–600及7715系列合金等。

1.2 高強(qiáng)鈦合金

高強(qiáng)度鈦合金一般指抗拉強(qiáng)度在1 000MPa以上的鈦合金。在飛機(jī)上的應(yīng)用主要包括起落架的扭力臂、支柱以及機(jī)身的承力隔梁等重要結(jié)構(gòu)件。目前，代表國際先進(jìn)水平并在航空領(lǐng)域獲得實際應(yīng)用的高強(qiáng)度鈦合金主要有β型鈦合金Ti–1023，Ti–15-3，β–21S，α-β型兩相鈦合金B(yǎng)T22以及我國的TB10等。我國成功開發(fā)了TB6、TB8、TB10、TC21等高強(qiáng)鈦合金，其中TC21和TB10（Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al）最為典型。TC21鈦合金具有高強(qiáng)度、高韌性、高損傷容限性能（較低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN值和較高的疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值?Kth）和疲勞性能（優(yōu)于普通TC4、TA15等中等強(qiáng)度鈦合金）等綜合性能匹配，是目前我國高強(qiáng)韌鈦合金綜合力學(xué)性能匹配最佳的鈦合金材料。

TB10合金是屬于高強(qiáng)高韌近β型鈦合金，具有比強(qiáng)度高，斷裂韌度好，淬透性高等優(yōu)點(diǎn)，已在我國航空領(lǐng)域得到了實際應(yīng)用。

1.3 阻燃鈦合金

為解決航空發(fā)動機(jī)用鈦鍛件的“鈦燃燒”問題，以滿足高推重比發(fā)動機(jī)的需要，美國和俄羅斯從20世紀(jì)70年代開始就積極開展阻燃鈦合金的研制，并先后成功研制出各自的阻燃鈦合金。其他各國的阻燃鈦合金基本處于研究階段，實際應(yīng)用較少。目前國外比較典型的合金有美國的Ti–V–Cr系阻燃鈦合金AlloyC、俄羅斯的Ti–Cu–Al系阻燃鈦合金B(yǎng)TT–1、BTT–3。BTT–1、BTT–3鈦合金具有相當(dāng)好的熱變形工藝性能，可用其制成復(fù)雜的零件，但力學(xué)性能和熔鑄性能差。AlloyC阻燃鈦合金已成功地應(yīng)用于F119發(fā)動機(jī)的高壓壓氣機(jī)機(jī)匣、導(dǎo)向葉片和矢量尾噴管。我國在此方面的研究起步晚，與國外差距較大，主要產(chǎn)品為全β型低成本阻燃鈦合金Ti–40，其阻燃性能與美國的AlloyC合金相當(dāng)，已研制出機(jī)匣并裝機(jī)試車。

2、鈦合金相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展

2.1 國際鈦及鈦合金標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

目前國際標(biāo)準(zhǔn)化委員會（ISO）尚無鈦分標(biāo)委，鈦類標(biāo)準(zhǔn)只有4個TC150分標(biāo)委制定的外科植入物用鈦材標(biāo)準(zhǔn)。

各國之間貿(mào)易中應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)主要是美國、日本、俄羅斯和德國的標(biāo)準(zhǔn)，尤其是美國的標(biāo)準(zhǔn)。俄羅斯和德國標(biāo)準(zhǔn)近年來變化不大，很少見到新修訂的版本。美國的標(biāo)準(zhǔn)體系中，包括鈦類標(biāo)準(zhǔn)的主要有：ASTM（American Societyfor Testing and Materials，美國材料與試驗協(xié)會）、AMS（Aerospace Material Specifications，美國宇航材料規(guī)范）、

ASME（American Society of Mechanical Engineers，美國機(jī)械工程師協(xié)會）、MIL（美國軍用標(biāo)準(zhǔn)）、AWS（AmericanWelding Society，美國焊接協(xié)會）等，其中鈦類標(biāo)準(zhǔn)較全面的是ASTM、AMS、ASME等 [1，2] 。

MIL中有關(guān)航空用的鈦合金材料標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)取消， 轉(zhuǎn)化為相應(yīng)編號的AMS標(biāo)準(zhǔn)。

ASTM目前已有12 000余份標(biāo)準(zhǔn)，在世界上得到高度關(guān)注和廣泛使用。據(jù)統(tǒng)計，已有2 800項美國軍用標(biāo)準(zhǔn)被ASTM標(biāo)準(zhǔn)替代。ASTM體系包括的鈦類相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)共有28個，其中活性與耐熔金屬委員會下屬的鈦金屬分委員會B10.01制定了13項（見表1）。

表1 ASTM B10.01委員會發(fā)布的鈦類標(biāo)準(zhǔn)

AMS標(biāo)準(zhǔn)由美國SAE（美國汽車工程師協(xié)會）下屬航空航天理事會的航空材料分會發(fā)布，是美國材料專業(yè)數(shù)量最多的非政府標(biāo)準(zhǔn)，作為最優(yōu)秀的采購規(guī)范，在世界航空領(lǐng)域享有很高的聲譽(yù)，也是我國航空材料重點(diǎn)參照的國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)。AMS標(biāo)準(zhǔn)其有效標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量接近2 800項，已有超過1 270份被美國國防部采用。分會的14個專業(yè)委員會中，AMS–G專業(yè)委員會負(fù)責(zé)鈦合金和難熔材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制訂。根據(jù)SAE網(wǎng)站最新資料統(tǒng)計，AMS目前約有112個現(xiàn)行的鈦類標(biāo)準(zhǔn)，編號范圍主要集中在AMS4897～4999和MS6900~6946（見表2）。標(biāo)準(zhǔn)中包括大量的新合金，美國新開發(fā)鈦合金的標(biāo)準(zhǔn)主要是通過AMS制定并發(fā)布的。

表2 AMS鈦類標(biāo)準(zhǔn)的分布

ASME是美國機(jī)械工程師協(xié)會(The American Society ofMechanical Engineers)制訂的建造規(guī)范及其材料標(biāo)準(zhǔn)。鈦類標(biāo)準(zhǔn)主要在第II卷（材料篇）的B類—非鐵基材料中，這些標(biāo)準(zhǔn)全部引用了ASTM相應(yīng)的材料標(biāo)準(zhǔn)和材料試驗標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 我國鈦及鈦合金標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程

我國鈦及鈦合金的生產(chǎn)起步于20世紀(jì)50年代，1964年實現(xiàn)了鈦加工材的工業(yè)化生產(chǎn)。我國鈦合金的標(biāo)準(zhǔn)是隨著我國鈦工業(yè)發(fā)展而建立、發(fā)展和完善的，經(jīng)過40多年的發(fā)展，目前已經(jīng)形成了GB和GJB兩大類體系。GB以滿足民用為主，兼顧軍用的一般通用要求，采標(biāo)對象主要是ASTM和ASME。GJB則是為滿足軍品的需求，采標(biāo)對象主要是AMS和MIL。

2.2.1 鈦合金國標(biāo)的發(fā)展

1970年，我國由冶金部正式頒布了第一部鈦類標(biāo)準(zhǔn)YB761-70《鈦及鈦合金牌號和化學(xué)成分》，建立了以原蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的我國鈦加工材牌號系列。根據(jù)使用狀態(tài)的組織，將α鈦合金、β鈦合金和（α+β）鈦合金的牌號分別以TA、TB、TC加上合金順序號來表示。共包括21個牌號，其中純鈦4個，合金17個。同時發(fā)布了鈦帶材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB763-70。1983年在原有冶金部標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，制訂了我國第一部《鈦及鈦合金牌號和化學(xué)成分》國家標(biāo)準(zhǔn)GB 3620-1983。刪除了原標(biāo)準(zhǔn)中的3個牌號，保留了18個牌號 [4] 。

從20世紀(jì)90年代初期開始國家對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，借鑒美國的經(jīng)驗，引入了鈦合金材料用戶的“復(fù)驗分析允許偏差”理念，將GB 3620-1983分為兩個標(biāo)準(zhǔn)，一個是GB/T 3620.1《鈦及鈦合金牌號和化學(xué)成分》，和GB/T 3620.2《鈦及鈦合金加工產(chǎn)品化學(xué)成分及成分允許偏差》。在GB/T 3620.1中納入了新合金牌號TA0，TA7ELI，TA9，TA10，

TB3，TB4，TC11，TC12，同時刪除了TA8和TC7兩個合金。牌號數(shù)量為24個。

2006年，國家對鈦類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了第3次修訂和完善，GB/T 3620.1-2007除增加大量的新合金牌號外，對純鈦牌號及化學(xué)成分進(jìn)行了重大調(diào)整，取消了TAD和TA0牌號，并對化學(xué)成分進(jìn)行了全面調(diào)整，與國際標(biāo)準(zhǔn)ISO和ASTM一致。

另外，在原24個牌號的基礎(chǔ)上新納入54個新牌號，刪除了2個牌號，牌號總數(shù)達(dá)到了76個 [5] 。

截至2008年，我國鈦及鈦合金類GB有45項，其中與航空用鈦材相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)16項，化學(xué)分析方法標(biāo)準(zhǔn)25項，其他方法類標(biāo)準(zhǔn)4項。表3為其余16項與航空用鈦材相關(guān)的主要鈦類標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展情況。

表3 我國主要鈦及鈦合金國標(biāo)發(fā)展情況

另外，2009年4月有5項關(guān)于鈦及鈦合金方法類的GB發(fā)布，已于2010年2月1日實施（見表4）。

表4 我國2009年新發(fā)布的鈦類國標(biāo)

從表3和表4中可以得知，我國在原料（海綿鈦）、合金成分、半成品加工材（棒材、板材、帶材、箔材、絲材、管材、餅材、環(huán)材）、鑄造產(chǎn)品（鑄件和鑄造合金）、材料組織結(jié)構(gòu)、相關(guān)檢驗方法、試驗方法和廢料回收利用等方面均規(guī)劃制訂了相關(guān)的鈦合金材料的國家標(biāo)準(zhǔn)，基本滿足了航空用鈦合金材料的相關(guān)需求。

2.2.2 鈦合金國軍標(biāo)的發(fā)展

為了滿足航空、航天等國防工業(yè)對鈦合金材料更高要求的需求，1983年我國確立了國家軍用標(biāo)準(zhǔn)體系，并于1987年8月28日通過審定并于1988年正式實施了我國第一個鈦類國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 391-1987《航天工業(yè)用TC4鈦合金鍛制餅材》。經(jīng)過多年的發(fā)展和完善，到2000年已經(jīng)初步形成了較完整的鈦合金材料軍用標(biāo)準(zhǔn)體系。此后到目前的一段時間內(nèi)，并沒有增加新的標(biāo)準(zhǔn)，只是更新了14項舊標(biāo)準(zhǔn)。目前現(xiàn)行GJB中與鈦及鈦合金相關(guān)的有34項，涉及航空工業(yè)的主要有25項，其中關(guān)于鉚釘?shù)挠?項、螺栓1項，其余15項為重要鈦材的標(biāo)準(zhǔn)（見表5）。

表5 我國主要航空用鈦合金材料國軍標(biāo)

從表5中可以得知，我國對飛機(jī)結(jié)構(gòu)件用的鈦合金材料安排制訂了棒材、線材、板材、帶材、管材、鍛坯、鍛件規(guī)范，對發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)件用的鈦合金材料安排制訂了壓氣機(jī)葉片用鈦合金棒材規(guī)范、鈦合金餅、環(huán)坯規(guī)范、鈦毛細(xì)管規(guī)范。在工藝標(biāo)準(zhǔn)方面，制訂了適用于包括航空行業(yè)在內(nèi)的通用的鈦合金材料熱處理工藝標(biāo)準(zhǔn)。

這些標(biāo)準(zhǔn)的確立，基本上滿足了我國航空工業(yè)中已定型的諸多型號飛機(jī)和發(fā)動機(jī)生產(chǎn)的使用需求，為我國航空工業(yè)的進(jìn)步發(fā)揮了重要作用。

3、航空用鈦合金材料和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的未來發(fā)展趨勢初探

相對于美國、前蘇聯(lián)、德國、英國、法國等工業(yè)化國家在鈦合金工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展而言，我國在鈦合金材料方面的研究和應(yīng)用起步較晚。與上述鈦工業(yè)化強(qiáng)國存在不小的差距。

我國生產(chǎn)的熔煉用的海綿鈦的純凈度低，鈦合金鑄錠的雜質(zhì)含量高，組織均勻性差，熔煉工藝的穩(wěn)定性不高。鈦合金半成品加工設(shè)備的能力普遍偏低，同時造成鈦合金半成品的質(zhì)量低且不穩(wěn)定。

從鈦合金材料標(biāo)準(zhǔn)角度來看，與美國112項AMS宇航專用鈦合金材料標(biāo)準(zhǔn)相比，我國的鈦合金材料標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量明顯不能滿足于未來航空工業(yè)的發(fā)展需求。在標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)內(nèi)容方面與上述國家的差距則主要體現(xiàn)在鈦合金半成品的規(guī)格、質(zhì)量要求、檢驗測試手段及品種類型等。

我國鈦合金材料和鈦合金材料標(biāo)準(zhǔn)與這些國家產(chǎn)生差距的原因有兩方面：一是我國鈦工業(yè)化歷史的時間短，在我國開始鈦合金研究的時候，上述國家已經(jīng)進(jìn)入鈦的工業(yè)化階段了；二是終端航空武器裝備的差距，各種型號的大型軍用運(yùn)輸機(jī)、轟炸機(jī)、殲擊機(jī)、武裝直升機(jī)等。

為了滿足我國航空武器裝備的需求，更好地服務(wù)于國防事業(yè)，在鈦合金材料的研究和應(yīng)用領(lǐng)域及鈦合金材料的標(biāo)準(zhǔn)化工作領(lǐng)域應(yīng)著手開展以下的工作。

4、結(jié)論

4.1 鈦合金在航空領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是飛機(jī)和飛機(jī)用發(fā)動機(jī)的重要結(jié)構(gòu)材料。

4.2 在新型鈦合金研究方面，目前國內(nèi)比較活躍；未來開展能滿足包括高強(qiáng)、高韌、高溫、阻燃和損傷容限型的各種設(shè)計使用要求的鈦合金材料研究以及對這些材料的大規(guī)格和超大規(guī)格半成品的研究是必然趨勢。

適應(yīng)航空武器裝備小型化、超大型化及多樣化品種規(guī)格的需求，以及高空、高速、高機(jī)動性、超遠(yuǎn)航程等特殊要求，開展能滿足包括高強(qiáng)、高韌、高溫、阻燃和損傷容限型的各種設(shè)計使用要求的鈦合金材料研究。對大規(guī)格和超大規(guī)格的鈦合金棒材、板材、帶材、鍛坯、鍛件、環(huán)形件、鑄件，高性能的管材、緊固件，大型、復(fù)雜、精密鑄件，阻燃材料，600℃及以上的高溫材料，型材等給予優(yōu)先研究。

對大型鈦合金鍛造、擠壓、軋制加工設(shè)備、熱處理設(shè)備及熔煉設(shè)備加快設(shè)計制造和裝備速度，為實現(xiàn)大型鈦合金半成品生產(chǎn)加工創(chuàng)造條件。

建立并完善鈦合金型材的生產(chǎn)加工，在滿足航空武器裝備需求的同時，填充了我國鈦合金半成品加工方式的空白。

在確保準(zhǔn)確性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性的前提下，開展鈦合金半成品規(guī)格和質(zhì)量方面檢驗測試設(shè)備研制和方法研究，為鈦合金材料工業(yè)化提供技術(shù)支持。

未來的鈦合金材料的標(biāo)準(zhǔn)化工作應(yīng)在上述鈦合金材料工業(yè)化的基礎(chǔ)上展開。將新研制的各種材料，半成品的不同品種、規(guī)格，新的檢驗、測試方法，加工、處理工藝制訂為相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)、國家軍用標(biāo)準(zhǔn)或航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

開展鈦合金材料的標(biāo)準(zhǔn)化工作，在借鑒上述鈦工業(yè)化強(qiáng)國技術(shù)經(jīng)驗的同時，更應(yīng)重點(diǎn)突出我國的發(fā)展特色。強(qiáng)化吸收，但力求協(xié)調(diào)適用，符合我國的具體情況，使鈦合金材料的標(biāo)準(zhǔn)在我國的國防工業(yè)體系中發(fā)揮應(yīng)有的效能。

4.3 國際上的鈦工業(yè)化強(qiáng)國在鈦合金材料標(biāo)準(zhǔn)方面具有相對完善的體系，我國鈦材標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過多年的建立和改進(jìn)，體系已初步形成，但仍需進(jìn)一步完善。

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