鈦合金因比強度大、抗腐蝕性好、溫度適應范圍廣、無磁性、高韌性、可焊接等突出特性，在航空、航天、軍事、化工、冶金、醫(yī)療、海水淡化、海洋石油開采、日常用品等領域有較廣泛的應用，擁有“太空金屬”、“海洋金屬”、“未來金屬”、“智能金屬”等美譽。

鈦合金是一種對發(fā)展國防高新技術武器裝備有重要作用的新型金屬結構材料[1]，已被世界多個軍事強國列為重點發(fā)展的21世紀具有戰(zhàn)略意義的新型結構金屬材料[2]。隨著國民經濟持續(xù)快速發(fā)展，鈦合金已在航空航天及武器裝備領域獲得普遍應用，中國對鈦合金的需求量更是以每年20%～30%的速度增加。

1、鈦合金在航空航天領域中的應用

1.1　在飛機上的應用

鈦合金在航空航天領域的應用，主要是利用其優(yōu)異的綜合力學性能、密度小和良好的抗腐蝕性能，如用于制造噴氣發(fā)動機的鈦合金要求有高溫抗拉強度和穩(wěn)定性，并結合良好的蠕變、疲勞強度和斷裂韌性。鈦合金是繼鋼鐵和鋁合金以后應用于航空航天領域的又一種新型輕質結構材料，它的應用水平已成為衡量飛機選材先進程度的一個重要標志[3]。鈦 合金是飛機機體和發(fā)動機的重要結構材料之一，作為減重效果良好的機體材料，近50年來鈦合金在商用及軍用飛機領域的用量伴隨各自產品的升級換代呈穩(wěn)步增長趨勢。在軍用飛機方面，國外第3代戰(zhàn)斗機用鈦量占機體結構總質量的20%～25%，美國第5代戰(zhàn)斗機Ｆ－35用鈦量已高達27%，Ｆ－22戰(zhàn)機用鈦量更是高達41%，鈦合金在Ｆ－22戰(zhàn)機上的使用部位如圖1所示。

美國運輸機用鈦量也由早期服役的Ｃ5的6%增至Ｃ17的10.3%，俄羅斯伊爾76運輸機用鈦量更是達到了12%[4]。在民用飛機方面，鈦合金用量也在逐步增長，空客飛機鈦用量已從第3代Ａ320的4.5%增至第4代Ａ340的6%，Ａ380的用鈦量增加到了10%，單機用鈦量就達60ｔ，而即將問世的Ａ350客機的鈦用量進一步提高到14%左右[5]。波音飛機用鈦量已從最初波音707的0.5%增至波音787的14%，用鈦量增速基本與空客飛機保持同步，如圖2所示。

現(xiàn)代飛機上鈦合金的應用范圍越來越廣泛，主要有飛機機身、液壓管道、起落架、座艙窗戶框架、蒙皮、緊固件、艙門、機翼結構、風扇葉片、壓縮機葉片等。為防止飛機外部蒙皮潛在的疲勞裂紋出現(xiàn)突發(fā)擴展，一般飛機機身采用鈦合金做成薄且窄的環(huán)狀結構；為使飛機液壓管道減重40%，多采用易變形且強度足夠高的兩相Ｔｉ－3Ａｌ－2.5Ｖ合金；因高強度鋼具有應力腐蝕敏感性，在飛機上使用壽命較短，起落架大多都采用鈦合金制造，如波音777起落架幾乎都采用ＴＩＭＥＴＡＬ10－2－3鍛件制造[6－7]；由于飛機存在潛在的高載荷沖擊，如氣流或飛鳥，座艙窗戶框架多采用有足夠強度的鈦合金鍛件制造；鈦合金與碳纖維復合材料有相近的熱膨脹系數，化學相容性較高，從而可避免化學腐蝕，因此優(yōu)先選擇鈦合金作為與碳纖維復合材料的連接件和支撐件[8－9]；因飛機蒙皮表面與空氣摩擦產生高溫，大多數鋁合金抗高溫能力無法達到要求，蒙皮也多采用鈦合金制造；由于鈦合金質量輕、強度高、耐腐蝕、低導磁率等優(yōu)良特性，在飛機上鈦合金緊固件的用量不斷增加，以計劃于2014年首飛的國產商用大飛機Ｃ919為例，單機鈦合金緊固件用量達20萬件以上，按2018年達到年產150架計算，總需求量達3000萬件。

燃氣渦輪發(fā)動機是航空鈦合金應用的主要領域，現(xiàn)代渦輪發(fā)動機結構質量的30%左右為鈦合金，最早應用鈦合金的發(fā)動機部件是壓縮機葉片，現(xiàn)代噴氣式發(fā)動機大型前端風扇葉片也由鈦合金制成[10]。發(fā)動機設計時采用鈦合金材料，可進一步降低壓縮機葉片和風扇葉片的質量，同時還可延長部件的壽命和檢修周期，從而保證飛機的安全穩(wěn)定性， 如波音747－8ＧＥＮＸ發(fā)動機風扇葉片的前緣與尖部，采用了鈦合金護套，在10年使用過程中僅更換過3次，風扇葉片在波音777客機上經受住了嚴格考驗。

1.2　太空應用

隨著人類探索太空步伐的加快，對航天飛行器的要求越來越高。航天飛行器在超高溫、超低溫、高真空、高應力、強腐蝕等極端條件下工作，除依靠優(yōu)化機體結構設計外，還依賴材料所具有的優(yōu)異特性和功能[11]。圖3為美國航天飛機計劃中飛行器用鈦合金壓力罐，在航天工業(yè)中，因鈦合金集航天產品所需的特質于一身，在制造燃料儲箱、火箭發(fā)動機殼體、火箭噴嘴導管、人造衛(wèi)星外殼等方面得到了典型應用，例如燃料儲箱制備可將鈦合金板塑性成形為半球狀，通過擴散連接和常規(guī)焊接，降低其加工程度，從而制備燃料儲箱；衛(wèi)星艙半球形殼體可采用Ｔｉ－15－3合金通過簡單旋壓成形工藝生產等[10]。鈦合金在太空領域的應用雖有一定局限性，但近幾年 用量也呈穩(wěn)步增長趨勢。

2、鈦合金在武器裝備領域中的應用

除上述航空航天方面的應用外，鈦合金在艦船、戰(zhàn)車、坦克、火炮、導彈等武器裝備領域也獲得了普遍應用。在艦船方面，鈦合金除能達到減重和耐腐蝕的要求外，還具備高沖擊韌性、高耐應力腐蝕性能和高斷裂韌性等特質[12]，主要應用部位有：耐壓殼體、螺旋槳、管道系統(tǒng)、熱交換器、發(fā)動機零部件、升降裝置及發(fā)射裝置、聲納系統(tǒng)、系泊裝置等[13－14]。俄羅斯、美國、日本、法國、中國都在不同程度上用鈦合金作為艦船材料，在鈦合金使用規(guī)模和應用技術上，俄羅斯領先于其他國家。如俄羅斯阿庫拉級攻擊核潛艇、塞拉級攻擊核潛艇、阿爾法級核潛艇、蘇聯(lián)臺風級潛艇均采用鈦合金材料建造，其中阿爾法級核潛艇用鈦量達3000t，蘇聯(lián)臺風級潛艇采用鈦合金雙殼體結構，兩層殼體間距約為3ｍ，大大增強耐水下沖撞能力，每艘臺風級潛艇的用鈦量約9000ｔ[15－16]。

世界上現(xiàn)役或在研武器裝備中，很多都使用了鈦及鈦合金結構件，隨著現(xiàn)代化戰(zhàn)爭模式的轉變，強烈要求軍隊有突出的快速機動能力，如對于陸軍戰(zhàn)車來說必須要求其質量輕、運輸方便、機動性能好，鈦合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)戰(zhàn)車中的裝甲鋼零件，有效實現(xiàn)了陸軍粗重武器裝備的輕量化。美國Ｍ1Ａ1“艾布拉姆斯”主戰(zhàn)坦克在發(fā)動機頂蓋、武器對抗防護蓋、炮 塔樞軸架、進出艙口等部位用鈦合金部件替換了鋼制部件，減重可達475kg。鈦合金在火炮領域的發(fā)展前途同樣光明，如美國的Ｍ777輕型榴彈炮，使用鈦合金外殼，戰(zhàn)斗全質量降至3.175t，可以使用V22或者Ｃ130空運[17]，達到快速機動的能力；英國的ＵＦＨ 超輕型155ｍｍ火炮，鈦合金用量達到總質量的25%以上。鈦合金鑄件在導彈的尾翼、彈頭殼體、火箭殼體和連接座等部位的使用也比較普遍，它的密度小、比強度高，抗腐蝕和易成形的優(yōu)點非常適應導彈制造的需要[18]。

3、鈦合金發(fā)展前景分析

國內對于鈦合金研究多，應用少的現(xiàn)象比較突出，由于鈦合金自身的加工特性，采用傳統(tǒng)制造技術進行加工存在周期長、利用率低、成本高等劣勢，這使其在航空航天及武器裝備領域的普遍應用受到限制。近幾年，中國鈦合金已由完全仿制過渡到創(chuàng)新與仿制相結合的新階段，在高溫鈦合金、高強鈦合金、耐蝕鈦合金、阻燃鈦合金、低溫鈦合金的開發(fā)上 取得重大突破。在鈦合金材料加工方面，隨著激光成形及修復技術（LRF/LR）、超塑性成形／擴散連接技術（SPF/DB）的出現(xiàn)，提高了鈦合金材料的利用率，縮短了制造周期，降低了生產成本，基本滿足了鈦合金在航空航天及武器裝備領域的應用需求；中國在高性能金屬構件激光直接制造技術上已經走在世界前列，以王華明教授為首的科研團隊在飛機鈦合金大型復雜整體構件激光成形技術上取得重大科研成果，圖4為北京航空航天大學部分激光快速成形的飛機零件[19－20]。當前，雖然中國鈦合金的研究 水平與國外大致相當，但在生產規(guī)模、材料利用率、發(fā)展速度等方面還有較大差距。

伴隨航空航天及武器裝備領域鈦合金用量穩(wěn)步增長的現(xiàn)狀，針對國內外鈦合金研發(fā)情況，筆者預測未來鈦合金的發(fā)展趨勢如下：

（1）新型鈦合金設計。開發(fā)新型鈦合金專家設計系統(tǒng)，指導新合金的設計。

（2）低成本、高綜合性能鈦合金。研究低成本鈦合金合金化機理[21]，實現(xiàn)低成本與高綜合性能的良好匹配，提高低成本鈦合金在航空航天領域的應用水平[22]。

（3）鈦合金低成本化加工與制造技術。改進成形工藝，采用先進的加工與制造技術，如粉末冶金、LRF/LR、SPF/DB、精密鑄造、精確塑性成形等技術，提高鈦合金材料的利用率。

（4）發(fā)展鈦合金近凈成形技術。近凈成形技術以優(yōu)質、高效、高精度、低成本、輕量化為特點，有效降低鈦合金加工成本，縮短加工周期，近幾年在鈦合金加工領域備受關注。

（5）鈦合金材料制備及加工過程的計算機模擬。運用計算機模擬計算設計加工工藝，節(jié)省資源，同時極大地提高新材料制備和加工工藝設計的準確性[23]。

（6）強化高性能損傷容限型鈦合金研究。此類鈦合金是新一代飛機的主要材料，加強品種規(guī)格系列化和應用批量穩(wěn)定化，擴大其用量和應用范圍，進 一步提升技術成熟度[24]。

（7）加強ＴｉＡｌ金屬間化合物和鈦基復合材料的研究。目的是在一定應力和溫度范圍內用鈦合金替換鎳基、鐵基合金等傳統(tǒng)材料。一種新材料的推行，除取決于高性能和可能的創(chuàng)新外，還取決于應用材料為零部件生產所制訂的工藝路線的有效性。

（8）積極開發(fā)海綿鈦新型制備技術。采用先進的熔煉技術和設備[25]，探索海綿鈦新型制備技術，為航空航天及武器裝備領域用特殊鈦合金提供可靠的原材料。

4、結語

鈦合金在航空航天及武器裝備領域的應用情況折射出它作為一種新型輕質結構材料的技術發(fā)展與進步，通過分析其綜合材料特性即可預測出未來它在航空航天及武器裝備領域的用量必然呈穩(wěn)步增長態(tài)勢，現(xiàn)階段材料技術在軍事需求牽引和高新技術的推動下正在高速向前推進，材料技術發(fā)展的又一次飛躍即將到來。

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