航空航天用新型钛合金的研究发展及应用

2024年3月12日发(作者：)

第24卷 第3期

Vol.24l.3

稀 有 金 属

CHINESEJOURNALOFRAREMETALS

2000年5月

May2000

航空航天用新型钛合金的研究发展及应用

钱 九 红

(北京有色金属研究总院科技信息研究所,北京100088)

摘 要:

从高强高韧B型钛合金(Ti1023,Ti153,B21S,SP-700和BT-22)、高温钛合金

(IMI829,IMI834,Ti1100,BT18Y,BT36)、钛铝化合物为基的钛合金(Ti

3

Al(A

2

)和TiAl(C))和

阻燃钛合金(AlloyC,BTT-1和BTT-3)等4个方面,对航空航天用新型钛合金的新进展作

了简略介绍。

X

关键词: 新型钛合金 B型钛合金 高温钛合金 钛铝化合物 阻燃钛合金

文献标识码: A 文章编号: 0258-7076(2000)03-0218-06

近年来随着材料科学的发展以及能源危机的冲

击,航空航天工业对高强度、高弹性模量、低密度、

耐高温的新型结构材料的需要越来越迫切。因此,

新型钛合金便成为近年来世界各国的研究热点。

钛合金具有密度小、强度高、耐高温和抗腐蚀

性好等优点,在航空航天领域中获得了广泛的应

用。美国在80年代以后设计的各种先进军用战斗

机和轰炸机中,钛合金用量已经稳定在20%以上。

如第三代战斗机F215钛合金用量占27%,而第四

代战斗机F222钛合金用量占41%,表1为最近飞

机的结构用材情况

[1,2]

。现有航空航天用钛合金中,

应用最广的是多用途A+B型Ti26Al24V合金和Ti2

6Al22Sn24Zr22Mo(Ti6242)高温钛合金。但常规钛合

金的工作温度较低,如Ti26Al24V合金的工作温度

仅为400e左右,一般用于300~350e。未来的航

空航天飞行器及其推力系统,要求发展比现有Ti2

6Al24V和Ti26Al22Sn24Zr22Mo合金的强度、工作温

度和弹性模量更高、密度更小和价格更低的钛合金

材料。因此,近年来所开发出的新型钛合金主要

分为以下4大类:(1)高强高韧B型钛合金;(2)高

温钛合金;(3)钛铝化合物为基的钛合金;(4)阻

燃钛合金。本文从这4个方面简述了钛合金的新进

展。

[3]

B型钛合金最早是50年代中期由美国Crucible

钢铁公司研制出的B120VCA合金(Ti213V211Cr2

3Al),主要用于制造SR71飞机的高强度板材零

件

[4]

。B型钛合金具有良好的冷、热加工性能,易

锻造,可轧制、焊接,可通过固溶2时效处理获得较

高的机械性能、良好的环境抗力及强度与断裂韧性

的很好配合。新型高强高韧B型钛合金最具代表性

的有以下几种

[5]

:

Ti1023(Ti210V22Fe23Al)钛合金是一种为适应

损伤容限设计原则而产生的高结构效益、高可靠性

和低制造成本的锻造钛合金。由表2可以看出,

Ti1023合金的拉伸强度、断裂韧性和疲劳性能明显

优于Ti26Al24V,并与飞机结构中常用的30CrMnSiA

高强度结构钢相当。这种Ti1023合金具有优异的锻

造性能,在760e可进行等温锻造,提供各种近净

型加工锻件。可冷成形Ti153(Ti215V23Cr23Al23Sn)

高强度B钛合金的冷加工性能比工业纯钛还好,可

在固溶状态下进行各种复杂零件的冷成形,时效后

的室温拉伸强度可达1000MPa以上,该合金特别

适宜制造火箭发动机推进剂贮箱和导管等部件。

另外,美国钛金属公司Timet分部研制成的一

种新型抗氧化、超高强钛合金B21S(Ti215Mo23Al2

217Nb20.2Si),在649e具有良好的抗氧化性能,可

在540e下长期工作;冷、热加工性能优良,可制成

厚度为0.064mm的箔材,冷轧变形量达75%左右,

1 高强高韧B型钛合金

X收稿日期:1999-08-02;钱九红,女,1969年生,工程师;联系地址:北京新街口外大街2号。

3期

钱九红 航空航天用新型钛合金的研究发展及应用

表1 飞机的结构用材比例/%

机种

F-104

F-4E

F-14E

F-15E

Hurficane

F-16A

F-18A

AV-8B

F-117A

B-1

C-17

B-2

F-22

B747

B757

B767

B777

钢

20.0

17.0

15.0

4.4

15.0

4.7

13.0

8.0

5.0

15.0

13.0

6.0

5.0

13.0

12.0

14.0

11.0

铝合金

70.0

54.0

36.0

35.8

46.5

78.3

50.9

47.7

20.0

41.0

70.0

19.0

20.0

81.0

78.0

80.0

70.0

6.0

25.0

26.9

15.5

2.2

12.0

9.0

25.0

22.0

9.0

26.0

41.0

4.0

6.0

2.0

7.0

3.0

4.0

2.0

3.0

4.2

12.0

26.3

40.0

1.0

7.0

38.0

24.0

1.0

3.0

3.0

11.0

钛合金复合材料

219

其他

10.0

20.0

20.0

20.9

20.0

10.6

12.1

9.0

10.0

21.0

1.0

11.0

10.0

1.0

1.0

1.0

1.0

表2 Ti1023与Ti26Al24V和30CrMnSiA的力学性能对比

性能

密度/10

3

kg#m

-3

Ti1023

4.65

1105

238

1005

60

Ti26Al24V

4.51

895

198

690

~55

30CrMnSiA

7.75

1080

139

955

~80

室温拉伸强度/MPa

比强度

300e拉伸强度/MPa

断裂韧性/MPa#m

1/2

疲劳极限/MPa

K

t

=1,R=0.1,N=10

7

K

t

=3,R=0.1,N=10

7

735

341

539

258

-

329

注:K

t

)缺口系数;R)缺口圆角半径;N)周次

不需要中间退火;已被美国国家宇航局(NASA)确

定用作碳化硅/钛复合材料的基体材料,并将用于

美国国家航空航天飞机(NASP)的机身和机翼壁

板。日本钢管公司(NKK)研制成功的SP2700(Ti2

415Al23V22Mo22Fe)钛合金,在770~800e就呈现超

塑性,延伸率高达2000%。该合金强度高,超塑成

形温度比Ti26Al24V低140e,可取代Ti26Al24V合

金用超塑成型)扩散连接(SPF/DB)技术制造各种

航空航天构件。目前,美国RMI钛公司计划开发这

种合金在飞机结构及转动零件方面的应用市场。虽

然它的价格比Ti26Al24V大约高出10%,但由于生

产成本的降低,所以整个成本基本持平。俄罗斯研

制出的BT222(Ti25V25Mo21Cr21Fe25Al),其拉伸强度

1105MPa,该合金已成功地用来作IL286和IL2962

300的机身、机翼、起落架和其他高承载部件。通过

热处理可使20cm厚的部件获得较高性能

[4,6,7]

。

2 高温钛合金

高温钛合金是随着航空工业的发展而发展起来

的,其研制工作始于50年代初。世界上第一个研制

成功的高温钛合金是Ti26Al24V,使用温度为300~

350e。随后相继研制出IMI550、BT321等合金,使

用温度稍有提高,达400e左右。60年代,各国先

后研制成功了IMI679、IMI685、Ti26246、Ti26242等

合金,使用温度在450e以上,均不超过500e。目

前已成功地应用在军用和民用飞机发动机中的新型

220

稀 有 金 属

24卷

高温合金有:英国的IMI829、IMI834合金;美国的

Ti1100合金;俄罗斯的BT18Y、BT36合金等。表3

为高温钛合金的使用温度及化学成分

[7]

。

表3 高温钛合金的使用温度及化学成分

化学成分X/%

国家

美国

合金

Ti-64

Ti-6246

Ti-6242

Ti-6242S

英国

Ti-1100

IMI550

IMI679

IMI685

IMI829

俄罗斯

IMI834

BT3-1

BT8

BT9

BT18

BT18Y

BT25

BT25Y

BT36600

最高使用温度/e

300

450

450

520

600

425

450

520

580

590

400~450

500

500~550

500~600

550~600

500~550

Al

6

6

6

6

6

6

2

6

5.5

5.5

6.5

6.5

6.5

8.0

6.5

6.8

6.5

6.2

215

2

2

2

2

8

4

117

4

316

3.5

4

2

2

2

2.7

2

115

5

3

4

4

4

4

4

6

2

2

0.4

4

1

0.5

0.3

0.3

215

315

315

016

017

2

4

017

1

1

1

1

015Fe

0.1

0.45

0.5

0.2

0.25

0.3

0.5

013

012

013

0122

0125

012

012

0115

0.7W

1.0W

5.0W

0.15Fe

0.06C

1.5Cr

SnZrMoNb

4V

Si其他

进一步提高这些合金的工作温度往往受到蠕变

温度、组织稳定性和表面抗氧化能力的限制。美国

冶金学家用0.5%~1%Ta(质量分数)代替IMI834

合金中的Nb,称为IMI8342Ta。IMI8342Ta合金的高

温性能与IMI834几乎相同,600e时屈服强度达580

MPa、蠕变性能高于IMI834。另外,在合金中添加硅

和铁是至关重要的问题,硅能有效地改变蠕变强

度;相反,增加铁含量对蠕变强度却有致命影响,

铁含量必须控制在0.015%以下。减少偏析程度和

夹杂物,对提高高温合金的性能有明显的作用。近

几年国外把采用快速凝固/粉末冶金技术研制钛合

金作为高温钛合金的发展方向,使钛合金的使用温

度可提高到650e以上。美国麦道公司采用这种技

术成功地研制出一种高纯度、高致密性钛合金,在

760e下其强度相当于目前室温下使用的钛合金强

度

[8]

。

与一般钛合金相比,钛铝化合物为基的Ti

3

Al

(A

2

)和TiAl(C)金属间化合物的最大优点是高温性

能好(它们的最高使用温度分别为816和982e)、

抗氧化能力强、抗蠕变性能好(见图1)

[9]

和重量轻

(它们的密度与钛合金相当,只有镍基高温合金的

1/2),这些优点使其成为未来航空用发动机及飞机

结构件最具竞争力的材料。

图1 钛铝化合物与一般钛合金蠕变性能的比较

3 钛铝化合物为基的钛合金

3期

钱九红 航空航天用新型钛合金的研究发展及应用

221

目前,已有两个Ti

3

Al为基的钛合金Ti221Nb2

14Al和Ti224Al214Nb23V20.5Mo在美国开始批量生

产。Ti221Nb214Al合金已经熔铸出了3200kg重的铸

锭,并轧制出0.08mm@914mm@2438mm的箔材,

其蠕变强度与镍基高温合金Inconel713相当,最高

韧性可达32MPa#m

1/2

,已制成高压压气机机匣、高

压涡轮支承环、导弹尾翼和燃烧室喷管密封片

等

[10]

。Ti224Al214Nb23V20.5Mo合金通过热机械处理

(TMP)可获得具有良好强度、塑性的综合机械性

生成氧化铝的保护膜,以防止氧化,使抗氧化性能

飞速提高。钛铝合金在1000e经20h,增加22%重

量,而新合金在1100e经60h,仅增加0.1%重量,

在1200e,仅增加0.6%重量

[12]

。美国橡树岭国家

实验室和NASA路易斯研究中心共同开发出一种简

单、低成本的提高C钛铝化合物抗氧化性的方法

(美国专利号5635303),且效果良好。该方法是将C

钛铝化合物试样经过喷丸处理,然后用磷酸溶液

(在水中含磷酸85%)进行喷涂处理。最后一道工

能:拉伸强度R

b

=893MPa、屈服强度R

0.2

=738

MPa、延伸率D=26%。

80年代后期,钛铝为基的高温钛合金(如Ti2

30Al212Cr215V)采用等温轧制已轧制出尺寸为

1127mm@380mm@690mm的薄板。影响钛铝为基

的合金迅速推广应用的主要障碍是在室温下的低塑

性,以及与其相关的低断裂韧性和高裂纹扩展速

率。研究发现,在钛铝中加入Nb、V、Cr和Mn等合

金元素可明显改进其塑性,采用等温轧制已轧出

1127mm@2400mm@3050mm的钛铝基合金薄板。

在1149e就能对超细晶的钛铝基合金进行SPF/DB

处理,如Ti246Al23Cr合金经热机械处理后,在

1100e、1@10

-4

s

-1

应变速率下,流动应力为5

MPa,可获得450%的伸长率。可见,钛铝基合金良

好的超塑成形性能,使它可以克服室温塑性低、难

加工成形的问题,制造出大型复杂的薄板构件和

NASP用的机身和机翼壁板。近来美国Texas仪器公

司和Textron特殊材料公司联合研制生产钛铝化合

物箔材的新工艺的成功,无疑会促进钛铝化合物在

航空航天构件上的应用。该工艺是用先进等离子喷

射成形技术制得薄板,然后经冷轧而成箔材。采用

此工艺生产钛铝化合物箔材,可使其价格较化铣的

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

热等静压技术可生产出完全致密的钛铝金属间化合

物构件,其室温塑性可达5%

[11]

。

另外,在提高钛铝化合物抗氧化性方面也取得

了一些进展。日本东北工业技术研究所通过钛铝合

金与SiC复合,在氧气氛中加热,在合金表面上能

序是在200e旋转甩干,再置于400e下煅烧30

min。在试验过程中,经处理和未经处理的Ti248Al2

2Cr22Nb(原子数分数)C钛铝化合物试样在大气中

800e下进行周期性氧化500h(18~24h为一个循

环)。试验结果表明,经处理试样的氧化速率比未

经处理的试样降低了近2个数量级

[13]

。

4 阻燃钛合金

常规钛合金在特定的条件下有燃烧的倾向,这

在很大程度上限制了其应用。针对这种情况,各国

都展开了对阻燃钛合金的研究并获得了成功应用。

80年代美国P&W和TeledyneWahChangAlbany公司

联合研制出对持续燃烧不敏感的钛合金AlloyC(也

称为Ti21270,属于Ti2V2Cr系,B型钛合金),该合

金的名义成分为50Ti235V215Cr(质量分数)。AlloyC

具有较高的强度,尤其是高温强度,并具有良好的

室温和高温塑性、蠕变和疲劳性能,可制成板材、

带材、棒材以及锻件等,已用于F119发动机。BTT2

1和BTT23是俄罗斯从摩擦机制入手成功地研制出

的阻燃钛合金,均为Ti2Cu2Al系合金(添加Mo、V、

Zr),BTT21具有良好的热加工性能,可制成形状复

杂的发动机零件,如压气机机匣和叶片,工作温度

可达450e。BTT23合金的工艺塑性比BTT21合金更

好,特别适合于制造各种板材和箔材零件。BTT23

的阻燃能力也高于BTT21,在相同的试验条件下,

Ti26Al24V的摩擦着火温度为100e,BTT21为

650e,BTT23则大于800e。表4为部分阻燃钛合

金的性能

[14~18]

。

222

稀 有 金 属

表4 部分阻燃钛合金的性能

24卷

合金

状态

密度/10

3

kg#m

-

弹性模量/GPa

拉伸强度/MPa

屈服强度/MPa

延伸率/%

断面收缩率/%

低周疲劳(N=10

4

)/MPa

高周疲劳/MPa

100h持久强度/MPa

蠕变强度/MPa

3

AlloyCBTT-1

棒(520mm)

BTT-3

板(厚2mm)

5.04

115

600~750

420~460

10

5.33

115

996(室温),800(538e)

900(室温),640(538e)

17~21(室温),10(538e)

24(室温),20(538e)

4.88

120

1150(室温),640(500e)

1100(室温),330(500e)

4~8

10

600(K

t

=2.2)300(K

t

=2.6)

380/2(10

7

周)

320(350e)

400/(10

7

周)480/2(10

7

周)

720(350e)550(450e)300(500e)

345(538e,0.1/100h)370(450e,0.2/100h)

5 结束语

航空航天用高性能金属材料目前虽然面临着先

进复合材料的挑战,但通过对现有金属材料性能的

进一步改进和发展性能更好的新材料(如钛铝基钛

合金等),采用先进的制造技术(如超塑成形等近

净型加工),以及降低钛合金的制造成本(如日本

一家公司研究出一种制造钛合金的新方法,该方法

为粉末冶金法的一种,可以使钛合金由粉末状态制

成成品。与常用的熔解法相比,新方法可在较短时

间内制成相同性能的产品,而且生产成本只有熔解

法的25%~50%)

[19]

,相信高性能的金属材料仍将

是未来十分重要的航空航天结构和功能材料。

参考文献

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3

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19 yp´,1998,(1):29

3期

钱九红 航空航天用新型钛合金的研究发展及应用

223

ApplicationandDevelopmentofNewTitanium

AlloysforAerospace

QianJiuhong

(ResearchInstituteofScienceandTechnologyInformation,GeneralResearchInstituteforNonferrousMetals,Beijing100088,China)

Abstract:

InfourfieldsofBeta2titaniumalloyswithhighstrengthandtoughness(Ti1023,Ti153,B21S,

SP2700andBT222),high2temperaturetitaniumalloys(IMI829,IMI834,Ti1100,BT18Y,BT36),titani2

umaluminide(Ti

3

Al(ATT21andBTT23),the

2

)andTiAl(C))andfire2resistanttitaniumalloys(AlloyC,B

newdevelopmentoftitaniumalloysforaerospacewereintroducedbriefly.

KeyWords:

Newtitaniumalloys,Beta2titaniumalloys,High2temperaturetitaniumalloys,Titaniumalu2

minide,fire2resistanttitaniumalloys