航空用鈦合金棒鈦鍛件等材料及鈦合金標準發展綜述

鈦合金材料密度低、比強度高、耐腐蝕、組織性能穩定性好，且具有優良的綜合性能。鈦合金所具有的這一系列突出優點，使其在飛機結構和航空發動機中獲得了越來越廣泛的應用。近年來，世界鈦工業和鈦材加工技術得到了飛速發展，海綿鈦和鈦合金加工材的生產和消費都達到了很高的水平。我國鈦資源豐富，儲量居世界前列，目前已經成為世界上繼美國、俄羅斯、日本之后，具有完整工業體系和生產能力的世界第4大鈦工業國，加強我國鈦合金材料的研究和應用推廣對促進我國航空工業的快速發展具有重要意義。伴隨著鈦工業的發展，我國鈦及鈦合金的標準從建立、發展也已經歷近40年，現已形成較為完整的標準體系。本文在對航空用鈦合金材料和相關標準的發展歷程及現狀進行闡述的基礎上，對航空用鈦合金材料和技術標準的未來發展趨勢作了探討。

1、 航空用鈦合金材料

航空工業部門是最早應用鈦及鈦合金材料的。1952年，在道格拉斯的DC–7飛機的短艙及隔熱墻上就使用了鈦金屬。50年代初期，一些軍用飛機后機身的隔熱板、機尾罩、減速板等受力不大的結構件也開始使用工業純鈦制造。進入60年代，飛機上的襟翼滑軋、承力隔框、中翼盒形梁、起落架梁等主要承力結構件也陸續采用了鈦合金材料制造。近年來，航空工業對高強度、低密度材料的需求日益迫切，使得鈦合金材料的應用從戰斗機拓展到大型軍用轟炸機和運輸機。鈦合金材料的應用水平已成為衡量飛機先進性的重要標志之一。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，第四代戰斗機F–22所使用材料中41%為鈦合金，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。

幾十年來，國內外針對航空應用所研究的鈦合金材料取得了很大發展，許多合金也得到廣泛應用，其中應用最廣的是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權的新型鈦合金，合金總數約70多種，其中多數已獲得廣泛的應用。新開發的用于航空領域的新型鈦合金主要有高溫鈦合金、高強高韌β型鈦合金、阻燃鈦合金等，其中高溫鈦合金是現代航空發動機的關鍵材料之一，也是鈦合金的主要發展方向之一。

1.1 高溫鈦合金材料

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，以其為材料生產的零件包括風扇盤、葉片、壓氣機盤等。歐美、俄羅斯等航空工業發達國家先后研制出了在350℃～600℃環境中使用的高溫鈦合金，使用溫度逐步提高。目前已成功地應用在軍用和民用飛機發動機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550℃～600℃ [1-3] 。國外在傳統高溫鈦合金的基礎上仍在進行深化研究。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注，成為未來航空發動機及飛機結構件最具競爭力的材料。

其最大優點是高溫性能好（最高使用溫度分別為816℃和982℃）、抗氧化能力強、抗蠕變性能好且質量更輕。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。

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。在飛機上的應用主要包括起落架的扭力臂、支柱以及機身的承力隔梁等重要結構件。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有β型鈦合金Ti–1023，Ti–15-3，β–21S，α-β型兩相鈦合金BT22以及我國的TB10等。我國成功開發了TB6、TB8、TB10、TC21等高強鈦合金，其中TC21和TB10（Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al）最為典型。TC21鈦合金具有高強度、高韌性、高損傷容限性能（較低的疲勞裂紋擴展速率da/dN值和較高的疲勞裂紋擴展門檻值?Kth）和疲勞性能（優于普通TC4、TA15等中等強度鈦合金）等綜合性能匹配，是目前我國高強韌鈦合金綜合力學性能匹配最佳的鈦合金材料。

TB10合金是屬于高強高韌近β型鈦合金，具有比強度高，斷裂韌度好，淬透性高等優點，已在我國航空領域得到了實際應用。

1.3 阻燃鈦合金

為解決航空發動機用鈦鍛件的“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BTT–1、BTT–3。BTT–1、BTT–3鈦合金具有相當好的熱變形工藝性能，可用其制成復雜的零件，但力學性能和熔鑄性能差。AlloyC阻燃鈦合金已成功地應用于F119發動機的高壓壓氣機機匣、導向葉片和矢量尾噴管。我國在此方面的研究起步晚，與國外差距較大，主要產品為全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，已研制出機匣并裝機試車。

2、鈦合金相關標準發展

2.1 國際鈦及鈦合金標準現狀

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

各國之間貿易中應用的標準主要是美國、日本、俄羅斯和德國的標準，尤其是美國的標準。俄羅斯和德國標準近年來變化不大，很少見到新修訂的版本。美國的標準體系中，包括鈦類標準的主要有：ASTM（American Societyfor Testing and Materials，美國材料與試驗協會）、AMS（Aerospace Material Specifications，美國宇航材料規范）、

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

MIL中有關航空用的鈦合金材料標準已經取消， 轉化為相應編號的AMS標準。

ASTM目前已有12 000余份標準，在世界上得到高度關注和廣泛使用。據統計，已有2 800項美國軍用標準被ASTM標準替代。ASTM體系包括的鈦類相關標準共有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委員會發布的鈦類標準

AMS標準由美國SAE（美國汽車工程師協會）下屬航空航天理事會的航空材料分會發布，是美國材料專業數量最多的非政府標準，作為最優秀的采購規范，在世界航空領域享有很高的聲譽，也是我國航空材料重點參照的國外先進標準。AMS標準其有效標準的數量接近2 800項，已有超過1 270份被美國國防部采用。分會的14個專業委員會中，AMS–G專業委員會負責鈦合金和難熔材料相關標準的制訂。根據SAE網站最新資料統計，AMS目前約有112個現行的鈦類標準，編號范圍主要集中在AMS4897～4999和MS6900~6946（見表2）。標準中包括大量的新合金，美國新開發鈦合金的標準主要是通過AMS制定并發布的。

表2 AMS鈦類標準的分布

ASME是美國機械工程師協會(The American Society ofMechanical Engineers)制訂的建造規范及其材料標準。鈦類標準主要在第II卷（材料篇）的B類—非鐵基材料中，這些標準全部引用了ASTM相應的材料標準和材料試驗標準。

2.2 我國鈦及鈦合金標準發展歷程

我國鈦及鈦合金的生產起步于20世紀50年代，1964年實現了鈦加工材的工業化生產。我國鈦合金的標準是隨著我國鈦工業發展而建立、發展和完善的，經過40多年的發展，目前已經形成了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，采標對象主要是ASTM和ASME。GJB則是為滿足軍品的需求，采標對象主要是AMS和MIL。

2.2.1 鈦合金國標的發展

1970年，我國由冶金部正式頒布了第一部鈦類標準YB761-70《鈦及鈦合金牌號和化學成分》，建立了以原蘇聯標準為基礎的我國鈦加工材牌號系列。根據使用狀態的組織，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。同時發布了鈦帶材行業標準YB763-70。1983年在原有冶金部標準的基礎上，制訂了我國第一部《鈦及鈦合金牌號和化學成分》國家標準GB 3620-1983。刪除了原標準中的3個牌號，保留了18個牌號 [4] 。

從20世紀90年代初期開始國家對標準進行修訂，借鑒美國的經驗，引入了鈦合金材料用戶的“復驗分析允許偏差”理念，將GB 3620-1983分為兩個標準，一個是GB/T 3620.1《鈦及鈦合金牌號和化學成分》，和GB/T 3620.2《鈦及鈦合金加工產品化學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。牌號數量為24個。

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

另外，在原24個牌號的基礎上新納入54個新牌號，刪除了2個牌號，牌號總數達到了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的標準16項，化學分析方法標準25項，其他方法類標準4項。表3為其余16項與航空用鈦材相關的主要鈦類標準的發展情況。

表3 我國主要鈦及鈦合金國標發展情況

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

表4 我國2009年新發布的鈦類國標

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、環材）、鑄造產品（鑄件和鑄造合金）、材料組織結構、相關檢驗方法、試驗方法和廢料回收利用等方面均規劃制訂了相關的鈦合金材料的國家標準，基本滿足了航空用鈦合金材料的相關需求。

2.2.2 鈦合金國軍標的發展

為了滿足航空、航天等國防工業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準體系，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準GJB 391-1987《航天工業用TC4鈦合金鍛制餅材》。經過多年的發展和完善，到2000年已經初步形成了較完整的鈦合金材料軍用標準體系。此后到目前的一段時間內，并沒有增加新的標準，只是更新了14項舊標準。目前現行GJB中與鈦及鈦合金相關的有34項，涉及航空工業的主要有25項，其中關于鉚釘的有9項、螺栓1項，其余15項為重要鈦材的標準（見表5）。

表5 我國主要航空用鈦合金材料國軍標

從表5中可以得知，我國對飛機結構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、鍛件規范，對發動機結構件用的鈦合金材料安排制訂了壓氣機葉片用鈦合金棒材規范、鈦合金餅、環坯規范、鈦毛細管規范。在工藝標準方面，制訂了適用于包括航空行業在內的通用的鈦合金材料熱處理工藝標準。

這些標準的確立，基本上滿足了我國航空工業中已定型的諸多型號飛機和發動機生產的使用需求，為我國航空工業的進步發揮了重要作用。

3、航空用鈦合金材料和技術標準的未來發展趨勢初探

相對于美國、前蘇聯、德國、英國、法國等工業化國家在鈦合金工業領域發展而言，我國在鈦合金材料方面的研究和應用起步較晚。與上述鈦工業化強國存在不小的差距。

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

從鈦合金材料標準角度來看，與美國112項AMS宇航專用鈦合金材料標準相比，我國的鈦合金材料標準數量明顯不能滿足于未來航空工業的發展需求。在標準的技術內容方面與上述國家的差距則主要體現在鈦合金半成品的規格、質量要求、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準與這些國家產生差距的原因有兩方面：一是我國鈦工業化歷史的時間短，在我國開始鈦合金研究的時候，上述國家已經進入鈦的工業化階段了；二是終端航空武器裝備的差距，各種型號的大型軍用運輸機、轟炸機、殲擊機、武裝直升機等。

為了滿足我國航空武器裝備的需求，更好地服務于國防事業，在鈦合金材料的研究和應用領域及鈦合金材料的標準化工作領域應著手開展以下的工作。

4、結論

4.1 鈦合金在航空領域應用廣泛，是飛機和飛機用發動機的重要結構材料。

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

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

對大型鈦合金鍛造、擠壓、軋制加工設備、熱處理設備及熔煉設備加快設計制造和裝備速度，為實現大型鈦合金半成品生產加工創造條件。

建立并完善鈦合金型材的生產加工，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。

在確保準確性、經濟性和可靠性的前提下，開展鈦合金半成品規格和質量方面檢驗測試設備研制和方法研究，為鈦合金材料工業化提供技術支持。

未來的鈦合金材料的標準化工作應在上述鈦合金材料工業化的基礎上展開。將新研制的各種材料，半成品的不同品種、規格，新的檢驗、測試方法，加工、處理工藝制訂為相應的國家標準、國家軍用標準或航空行業標準。

開展鈦合金材料的標準化工作，在借鑒上述鈦工業化強國技術經驗的同時，更應重點突出我國的發展特色。強化吸收，但力求協調適用，符合我國的具體情況，使鈦合金材料的標準在我國的國防工業體系中發揮應有的效能。

4.3 國際上的鈦工業化強國在鈦合金材料標準方面具有相對完善的體系，我國鈦材標準經過多年的建立和改進，體系已初步形成，但仍需進一步完善。

[參考文獻]

[1] 許國棟，王鳳娥. 高溫鈦合金的發展和應用[J]. 稀有金屬，2008, 32（6）:774-780.

[2] 蔡建明，李臻熙，馬濟民，黃旭，曹春曉. 航空發動機用600℃高溫鈦合金的研究與發展[J]. 材料導報, 2005,19(1):50-53.

[3] 毛小南，趙永慶，楊冠軍. 國外航空發動機用鈦合金的發展現狀[J]. 稀有金屬快報, 2007, 26（5）.

[4] 黃永光. 我國鈦及鈦合金牌號的發展和標準化[J]. 稀有金屬快報, 2008, 27（4）.

[5] 黃永光. 我國鈦及鈦合金板材標準化現狀[J]. 鈦工業進展, 2009, 26（2）.