以钛元素为基体，在其中加入其他元素的材料被称为钛合金。钛合金作为一种新型结构材料，被赋予优异的综合性能，如抗裂纹扩展和疲劳强度良好、比强度高和断裂韧性好、低温韧性和优异的耐腐蚀性。

其中，部分钛合金的最高工作温度可达550℃，预计未来有望达到700℃，因此，钛合金在航空、航天、化工、造船和其他工业部门被广泛应用。中国的钛工业始于国家第一个五年计划，即1954年。

中国钛谷

在过去的几十年中，中国钛工业经历了3个重要的发展阶段：初创期（1954—1978年）、增长期（1979—2000年）和崛起期（2001年至今）。

崛起期是中国成为世界主要钛产业的腾飞期，钛工业水平显著提高，科研生产呈现蓬勃发展态势；钛产量逐年大幅增长，2009年，中国27家钛锭生产企业的钛锭总产量为6.65万t，30家钛加工材料生产企业的钛合金产品总产量为4.95万t，远远超过美国等其他钛工业国家。

钛合金

但从应用领域来看，中国钛工业主要生产一般工业用钛及钛合金产品。2010年以前，航空钛合金的需求仅占中国钛总需求的9.7%。

近年来，中国的大型飞机、空间站和月球探测项目将产生大量的航空航天钛合金需求，特别是在大型飞机项目中，航空航天钛合金的应用将逐步增加。航空行业重大项目的启动，对中国的钛工业来说既是机遇也是挑战。

月球探测

根据这种发展趋势，国家正大力推动高性能航空用钛合金的研发与大规模制造，虽然钛合金在其使用环境下也获得了不错的效益，但仍有不少项目在工程化应用方面难以解决，如高钛复合材料所具有的“热障”性温度、高强韧钛合金也无法同时获得

较大的热强性和良好的断裂韧性、β钛合金在低温下也无法做到更多的热塑性、传统钛合金阻燃性机理研究并不清晰、特殊性能钛复合材料驱动困难等。

为打破传统钛合金因技术缺陷所带来的弊端，必须研究传统钛合金在不同使用环境下的组成、构造及其对工程技术机械性能的影响。

本文对钛合金在航天领域的应用状况加以总结，并针对目前面临的技术问题作出了多维度剖析，对未来的发展趋势进行了预测，并提出相关的研发要点。

航天

1航空钛合金材料的应用与研究

1.1高温钛合金

高温钛合金的发展为航空燃气轮机推重比的研究作出了巨大贡献。美国科学家在1954年成功研发出使用高温达到350℃的α+β两相型高温钛合金，在航空领域得到了广泛的应用。

之后，在航空科技进一步发展的指引下，具有更高使用温度、更长使用寿命的高温钛合金被世界各国相继研究。目前，英国的IMI834、美国的Ti-1100、俄罗斯的BT18Y和BT36等高温钛合金可稳定应用于600℃以上，在T55-712及Trent700等航空发动机上被成功应用[4]。

目前为止，由于在600℃以上钛合金材料的热强性和热稳定性仍然是一个很重要的问题，因此目前对于研发温度在600℃以上并正常使用的航空发动机用钛合金仍然面临着很大的问题和挑战，严重制约着高温钛合金的发展。

高温钛合金

尽管其实际应用中高温很难突破600℃以上，但有关研发并没有终止，重点基本上是聚焦在如下五大领域：

①调整β平衡元素的质量分数，提升合金高热抗拉硬度。Si在钛合金中作为共析型β相稳定元素，尽管它的掺入能够提升其抵抗高温蠕变的能力，但由于其自身具有脆性及相变过程中有硅化物析出，影响了合金的高温稳定性和室温延伸性。

②增加稀土金属，增强合金的热稳定性。稀土金属的作用是通过去氧作用净化钛合金基体，或弥散析出高熔点的稀土氧化物，生成位错环来增强金属基体、抑制α2等高脆性相的析

出和生长，提高钛合金的热稳定性。

③高温钛合金在长时间热裸露下，会降低其抗氧化性能。因此研发高温抗氧化涂料，进一步提高合金表层抗氧化性能是一个研究思路。

④目前，大多数研究成果都聚焦于对600℃以上高温钛合金的微观组成演变和热力学性能

上。因此，许多研究者提出改进热加工工艺，以精确控制在更高温度下合金的组织特性。

⑤细小而弥散分布的硅化物，可进一步提高合金性能强度和高抗稳定蠕变特性。在钛合金Si元素常以固溶状态和弥散析出的硅化物形式出现，这能有效阻碍位错运动，从而使得高温稳定性和蠕变抗性增强。但当Si元素的质量分数大于0.4%时，在高温下粗大脆性相硅化物会大大降低合金的热稳定性。

高温钛合金

1.2高强韧钛合金

高强韧钛合金一般指室温下最大抗拉强度在1000MPa以上，最大断裂韧度在55MPa·m1/2以上的钛合金，大多用于航空宇航设备的结构件上，不仅能够降低机体自重，而且还能适应更高载荷部件的应用条件。

高强度的钛合金主要有2种：一种是以Ti-6-22-22S（Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si）与TC21（Ti-6Al-2Sn-2Zr-3Mo-2Nb-1Cr-0.2Si）为代表的α/β钛合金，使用强度在1100MPa左右，断裂韧度约70MPa·m1/2。

另一种是以Ti-10-2-3（Ti-10V-2Fe-3Al）与Ti-5553（Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-0.5Fe）为代表的β钛合金，即通常所说的高强钛合金，其使用强度为1100～1250MPa，断裂韧度50～80MPa·m1/2。

高强韧钛合金

β钛合金的命名源于其成分中存在的大量β相稳定元素，它可以增加β的相区并减少β相转化温度。这种元件一般分为同晶态和共析型2种。

同结晶型β相稳定元素一般包含V、Mo、Nb、Ta等，并且在β相中具有较大的固溶度，具有强化效果，同样也大大降低了合金的β相转变温度；共析型β相稳定元素一般包含Cr、Mn、Fe、Si等，并且在较高热时具有相当大的固溶度，经缓冷或时效后析出α相及其对应的有序相，如TiCr2。

选用不同的合金化元素和热加工工艺参数，可对β钛合金的显微组织结构加以调整，以便于达到最理想的硬度、弹性和疲劳特性的组合。

钛合金加工

进入20世纪60年代以后，为提高性能，各种针对压力容器、导弹发动机等军用需要的β钛合金逐渐问世，其中最为成熟的是B-120VCA（Ti-13V-11Cr-3Al）。该合金拥有较多的β同晶元素V和高共析金属Cr，经固溶时效后可达到更高的金属硬度，已被大量运用在SR-71黑鸟侦察机的机身结构中，主要涉及蒙皮、框、梁、隔板、机翼、起落架、紧固件等部位。

目前，在宇航领域中使用得最为普遍的5种高强度β钛合金，包括Ti-10-2-3、Ti-5553、Ti-15-3、β-C、β-21S。

其他新研发的主要β钛合金（如β-CEZ、β-Ⅲ、β-LCB）多选择Fe作为β稳定元素，其目的是减少材料生产成本，但仍无法撼动上述5种主要β钛合金在航空市场中的巨大影响力。

宇航领域

1.3低温钛合金

近年来，低温钛合金作为航空低温服役零件领域的重要工程材料而备受瞩目。OT4、OT4-1、BT5-1KT和ΠT-3BKT等α钛合金是苏联在早年研发的，现已被大量应用于航天火箭装备中。但中国对低温下大量使用的技术探索开始相对较晚，目前，低温下大量使用的CT77材料被中国优先研制出来，其塑—脆的转变温度为﹣196.15℃，且低温成型和加热成形特性优异。

目前人们一般相信在一定温度下β型钛合金的塑性并不好，而研究则大多集中在低温型钛合金α和α+β等类型中，不过因为硬度在α和α+β类的钛合金中偏低，限制了其使用范围，以至于无法很好地满足用户对叶轮等高速度旋转工件特性的需求。

因此，研制综合性能比较突出的低温钛合金材料和热成型加工方法是未来中国国内先进航空航天装备的重大发展需求。

钛合金

1.4阻燃钛合金

航空发动机中钛合金零件的热系数较低，燃烧热高，在高速碰撞和热粒子冲击下易产生“钛火”。钛合金的自燃速度快，通常在4～20s，这也就是说自燃反应一经发生就很难停止，会带来很大的经济损失。

为了将“钛火”这一难点攻克，阻燃钛合金的设计和研制显得尤为重要。目前Ti-V-Cr和Ti-Cu两个不同阻燃机理的钛合金相继被中国研制。

在中国研究出具有优异常温塑性的Ti40合金，但由于高温塑性能力偏低，使得该合金在高温状态时，形成易破裂的奥氏体，导致晶界金属间流动较困难，且容易破裂，热加工也较难。

钛火实验

TF550阻燃钛合金是对Si、C等成分含量调整而研制的，与Ti40阻燃钛合金相比较，虽然TF550的使用温度仅仅增加了不到50℃，但在其最高使用温度下（550℃）仍具备很好的蠕变和持久特性。虽然TF550具有密度和成本方面的劣势，但其高热特性仍具有优势。

1.5特殊功能钛合金

自适应锯齿喷嘴是最有前途的概念之一，有助于降低航空发动机产生的噪声。在喷嘴出口处，锯齿状突起进入射流，并与周围环境空气混合。

这种喷嘴的设计方案之一，是利用形状记忆钛合金作为驱动机构。形状记忆体合金是一类金属合金，在适当的温度或应力变化下发生固-固相转变，在此过程中可以恢复表面上的永久应变。

这类合金包括NiTi、NiTiCu和许多其他金属合金体系。形状记忆合金的相变是独特的，因为这种相变伴随着大的可恢复应变，当材料单元受到足够的约束时，有可能导致显著的应力。这种应变称为转变应变，是标准热弹性应变之外的另一种应变。

在航空航天工业中，噪声污染的控制已变得越来越重要。航空发动机噪声的产生和辐射是一个极其复杂的问题。近年来，降低噪声已成为下一代推进系统的主要要求。

形状记忆合金

发动机制造商一直在研究减少燃气涡轮发动机产生噪声的方法。在传统的燃气涡轮发动机中，发动机出口处的喷射气流的速度要比周围空气的速度快得多。

两股气流之间的切变产生了噪声。锯齿形喷嘴的概念已被设计来适应固定的锯齿。在喷嘴出口，突出加强了两种气流之间的混合，从而降低了噪声。然而，突出的出口气流也会产生阻力，降低效率，并对发动机的性能造成损害。

这种性能惩罚存在于所有条件下，而只需要在起飞和爬升阶段降低噪声便会将对人类生活的危害降到最低。

一个更理想的选择是集成一个自适应控制系统，这样锯齿只会在需要时展开。与固定锯齿形喷嘴相比，自适应锯齿形喷嘴可以产生大量的燃油节省，特别是对长途、越洋飞机。对于自适应锯齿形喷嘴的广泛应用还需研究者进一步的探索。

喷嘴

2结束语

高温技术的革命性发展带动了钛合金在航空航天技术领域的进步。钛合金的工作温度已经由过去的350℃提高到了600℃，但它目前仍然无法在600℃以下安全服役，需要重新设计出更为合理的高温钛合金成分，更加优化的特殊热加工和表面热处理工艺，并与高温抗氧化镀膜等表面处理工艺良好的融合，才能更好地在航空航天发动机中进行应用。

尽管目前高强β钛合金仅占飞机合金总体用量的比例很少，但它适应了高比强度、耐腐蚀性能、良好成形性能的飞机特殊构造的需要，并不断在降低质量方面起到重大影响。

新型高强β钛合金的研究和应用依赖于现有合金特性的提高和生产成本的下降，这不仅仅是科学技术问题，而且是经济效益问题。

钛合金

目前α及含有少量β的钛合金存在硬度低和加工性能差等问题，很大程度上不能满足航空航天发展的需要。因此，开发可保障低温性能的高强韧富β型钛合金是未来发展的主要趋势。

尽管国内外对阻燃钛合金的相关分析已经有了一些进步。但在产业化使用上，高性能阻燃钛合金的工艺特性及其更为详细的阻燃原理，还需要更深入的研究与探讨。

形状记忆自适应锯齿形喷嘴是新一代燃气涡轮发动机降噪研究的热点之一。然而，只有解决了诸如单片高温和低温驱动的制造以及连接它们的能力等问题，这种优势才能得到利用。后者是实现自适应锯齿形喷嘴概念的最大风险因素，并强调还需要更多的研究。

形状记忆合金

作者观点：

钛合金具有比强度高、密度低、耐腐蚀和工艺性能好等特点，被广泛应用于航空航天领域的结构材料中，是飞机结构件的重要组成部分。为探究先进钛合金材料的性能以及在航空领域的应用前景，综述了航空用先进钛合金材料的研究进展。

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