航空用钛合金棒钛合金管锻件等钛材料的类型及标准发展

钛合金材料密度低、比强度高、耐腐蚀、组织性能稳定性好，且具有优良的综合性能。钛合金所具有的这一系列突出优点，使其在飞机结构和航空发动机中获得了越来越广泛的应用。近年来，世界钛工业和钛材加工技术得到了飞速发展，海绵钛和钛合金加工材的生产和消费都达到了很高的水平。我国钛资源丰富，储量居世界前列，目前已经成为世界上继美国、俄罗斯、日本之后，具有完整工业体系和生产能力的世界第4大钛工业国，加强我国钛合金材料的研究和应用推广对促进我国航空工业的快速发展具有重要意义。伴随着钛工业的发展，我国钛及钛合金的标准从建立、发展也已经历近40年，现已形成较为完整的标准体系。本文在对航空用钛合金材料和相关标准的发展历程及现状进行阐述的基础上，对航空用钛合金材料和技术标准的未来发展趋势作了探讨。

1、 航空用钛合金材料

航空工业部门是最早应用钛及钛合金材料的。1952年，在道格拉斯的DC–7飞机的短舱及隔热墙上就使用了钛金属。50年代初期，一些军用飞机后机身的隔热板、机尾罩、减速板等受力不大的结构件也开始使用工业纯钛制造。进入60年代，飞机上的襟翼滑轧、承力隔框、中翼盒形梁、起落架梁等主要承力结构件也陆续采用了钛合金材料制造。近年来，航空工业对高强度、低密度材料的需求日益迫切，使得钛合金材料的应用从战斗机拓展到大型军用轰炸机和运输机。钛合金材料的应用水平已成为衡量飞机先进性的重要标志之一。在美国战斗机的更新换代中，钛合金和复合材料的使用比例不断上升，第四代战斗机F–22所使用材料中41%为钛合金，其中发动机的叶轮、盘、叶片、机匣、燃烧室筒体和尾喷管等均为钛合金材料制造。

几十年来，国内外针对航空应用所研究的钛合金材料取得了很大发展，许多合金也得到广泛应用，其中应用最广的是Ti–6Al–4V和Ti–6Al–2Sn–4Zr–2Mo（Ti6242）两个钛合金牌号材料。

我国钛合金材料的研制从1956年开始，以仿制前苏联钛合金材料为主。近年来，我国新型钛合金研究十分活跃，研制出许多具有知识产权的新型钛合金，合金总数约70多种，其中多数已获得广泛的应用。新开发的用于航空领域的新型钛合金主要有高温钛合金、高强高韧β型钛合金、阻燃钛合金等，其中高温钛合金是现代航空发动机的关键材料之一，也是钛合金的主要发展方向之一。

1.1 高温钛合金材料

高温钛合金以其优良的热强性和高的比强度，在航空发动机中获得了广泛的应用，以其为材料生产的零件包括风扇盘、叶片、压气机盘等。欧美、俄罗斯等航空工业发达国家先后研制出了在350℃～600℃环境中使用的高温钛合金，使用温度逐步提高。目前已成功地应用在军用和民用飞机发动机中的新型高温钛合金有：英国的IMI829、IMI834合金，美国的Ti1100合金，俄罗斯的BT18Y、BT36合金等，使用温度达550℃～600℃ [1-3] 。国外在传统高温钛合金的基础上仍在进行深化研究。另外，钛铝化合物为基的Ti 3 Al（α2）和TiAl（γ）金属间化合物开始受到关注，成为未来航空发动机及飞机结构件最具竞争力的材料。

其最大优点是高温性能好（最高使用温度分别为816℃和982℃）、抗氧化能力强、抗蠕变性能好且质量更轻。目前，有两个以Ti 3 Al为基的Ti–21Nb–14Al和Ti–24Al–14Nb–3V–0.5Mo钛合金在美国开始批量生产。

近20年来，我国也自行研制了多种牌号的高温钛合金，主要有Ti–55、Ti–60、Ti–600及7715系列合金等。

1.2 高强钛合金

高强度钛合金一般指抗拉强度在1 000MPa以上的钛合金。在飞机上的应用主要包括起落架的扭力臂、支柱以及机身的承力隔梁等重要结构件。目前，代表国际先进水平并在航空领域获得实际应用的高强度钛合金主要有β型钛合金Ti–1023，Ti–15-3，β–21S，α-β型两相钛合金BT22以及我国的TB10等。我国成功开发了TB6、TB8、TB10、TC21等高强钛合金，其中TC21和TB10（Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al）最为典型。TC21钛合金具有高强度、高韧性、高损伤容限性能（较低的疲劳裂纹扩展速率da/dN值和较高的疲劳裂纹扩展门槛值∆Kth）和疲劳性能（优于普通TC4、TA15等中等强度钛合金）等综合性能匹配，是目前我国高强韧钛合金综合力学性能匹配最佳的钛合金材料。

TB10合金是属于高强高韧近β型钛合金，具有比强度高，断裂韧度好，淬透性高等优点，已在我国航空领域得到了实际应用。

1.3 阻燃钛合金

为解决航空发动机用钛合金材料的“钛燃烧”问题，以满足高推重比发动机的需要，美国和俄罗斯从20世纪70年代开始就积极开展阻燃钛合金的研制，并先后成功研制出各自的阻燃钛合金。其他各国的阻燃钛合金基本处于研究阶段，实际应用较少。目前国外比较典型的合金有美国的Ti–V–Cr系阻燃钛合金AlloyC、俄罗斯的Ti–Cu–Al系阻燃钛合金BTT–1、BTT–3。BTT–1、BTT–3钛合金具有相当好的热变形工艺性能，可用其制成复杂的零件，但力学性能和熔铸性能差。AlloyC阻燃钛合金已成功地应用于F119发动机的高压压气机机匣、导向叶片和矢量尾喷管。我国在此方面的研究起步晚，与国外差距较大，主要产品为全β型低成本阻燃钛合金Ti–40，其阻燃性能与美国的AlloyC合金相当，已研制出机匣并装机试车。

2、钛合金相关标准发展

2.1 国际钛及钛合金标准现状

目前国际标准化委员会（ISO）尚无钛分标委，钛类标准只有4个TC150分标委制定的外科植入物用钛材标准。

各国之间贸易中应用的标准主要是美国、日本、俄罗斯和德国的标准，尤其是美国的标准。俄罗斯和德国标准近年来变化不大，很少见到新修订的版本。美国的标准体系中，包括钛类标准的主要有：ASTM（American Societyfor Testing and Materials，美国材料与试验协会）、AMS（Aerospace Material Specifications，美国宇航材料规范）、

ASME（American Society of Mechanical Engineers，美国机械工程师协会）、MIL（美国军用标准）、AWS（AmericanWelding Society，美国焊接协会）等，其中钛类标准较全面的是ASTM、AMS、ASME等 [1，2] 。

MIL中有关航空用的钛合金材料标准已经取消， 转化为相应编号的AMS标准。

ASTM目前已有12 000余份标准，在世界上得到高度关注和广泛使用。据统计，已有2 800项美国军用标准被ASTM标准替代。ASTM体系包括的钛类相关标准共有28个，其中活性与耐熔金属委员会下属的钛金属分委员会B10.01制定了13项（见表1）。

表1 ASTM B10.01委员会发布的钛类标准

AMS标准由美国SAE（美国汽车工程师协会）下属航空航天理事会的航空材料分会发布，是美国材料专业数量最多的非政府标准，作为最优秀的采购规范，在世界航空领域享有很高的声誉，也是我国航空材料重点参照的国外先进标准。AMS标准其有效标准的数量接近2 800项，已有超过1 270份被美国国防部采用。分会的14个专业委员会中，AMS–G专业委员会负责钛合金和难熔材料相关标准的制订。根据SAE网站最新资料统计，AMS目前约有112个现行的钛类标准，编号范围主要集中在AMS4897～4999和MS6900~6946（见表2）。标准中包括大量的新合金，美国新开发钛合金的标准主要是通过AMS制定并发布的。

表2 AMS钛类标准的分布

ASME是美国机械工程师协会(The American Society ofMechanical Engineers)制订的建造规范及其材料标准。钛类标准主要在第II卷（材料篇）的B类—非铁基材料中，这些标准全部引用了ASTM相应的材料标准和材料试验标准。

2.2 我国钛及钛合金标准发展历程

我国钛及钛合金的生产起步于20世纪50年代，1964年实现了钛加工材的工业化生产。我国钛合金的标准是随着我国钛工业发展而建立、发展和完善的，经过40多年的发展，目前已经形成了GB和GJB两大类体系。GB以满足民用为主，兼顾军用的一般通用要求，采标对象主要是ASTM和ASME。GJB则是为满足军品的需求，采标对象主要是AMS和MIL。

2.2.1 钛合金国标的发展

1970年，我国由冶金部正式颁布了第一部钛类标准YB761-70《钛及钛合金牌号和化学成分》，建立了以原苏联标准为基础的我国钛加工材牌号系列。根据使用状态的组织，将α钛合金、β钛合金和（α+β）钛合金的牌号分别以TA、TB、TC加上合金顺序号来表示。共包括21个牌号，其中纯钛4个，合金17个。同时发布了钛带材行业标准YB763-70。1983年在原有冶金部标准的基础上，制订了我国第一部《钛及钛合金牌号和化学成分》国家标准GB 3620-1983。删除了原标准中的3个牌号，保留了18个牌号 [4] 。

从20世纪90年代初期开始国家对标准进行修订，借鉴美国的经验，引入了钛合金材料用户的“复验分析允许偏差”理念，将GB 3620-1983分为两个标准，一个是GB/T 3620.1《钛及钛合金牌号和化学成分》，和GB/T 3620.2《钛及钛合金加工产品化学成分及成分允许偏差》。在GB/T 3620.1中纳入了新合金牌号TA0，TA7ELI，TA9，TA10，

TB3，TB4，TC11，TC12，同时删除了TA8和TC7两个合金。牌号数量为24个。

2006年，国家对钛类标准进行了第3次修订和完善，GB/T 3620.1-2007除增加大量的新合金牌号外，对纯钛牌号及化学成分进行了重大调整，取消了TAD和TA0牌号，并对化学成分进行了全面调整，与国际标准ISO和ASTM一致。

另外，在原24个牌号的基础上新纳入54个新牌号，删除了2个牌号，牌号总数达到了76个 [5] 。

截至2008年，我国钛及钛合金类GB有45项，其中与航空用钛材相关的标准16项，化学分析方法标准25项，其他方法类标准4项。表3为其余16项与航空用钛材相关的主要钛类标准的发展情况。

表3 我国主要钛及钛合金国标发展情况

另外，2009年4月有5项关于钛及钛合金方法类的GB发布，已于2010年2月1日实施（见表4）。

表4 我国2009年新发布的钛类国标

从表3和表4中可以得知，我国在原料（海绵钛）、合金成分、半成品加工材（棒材、板材、带材、箔材、丝材、管材、饼材、环材）、铸造产品（铸件和铸造合金）、材料组织结构、相关检验方法、试验方法和废料回收利用等方面均规划制订了相关的钛合金材料的国家标准，基本满足了航空用钛合金材料的相关需求。

2.2.2 钛合金国军标的发展

为了满足航空、航天等国防工业对钛合金材料更高要求的需求，1983年我国确立了国家军用标准体系，并于1987年8月28日通过审定并于1988年正式实施了我国第一个钛类国家军用标准GJB 391-1987《航天工业用TC4钛合金锻制饼材》。经过多年的发展和完善，到2000年已经初步形成了较完整的钛合金材料军用标准体系。此后到目前的一段时间内，并没有增加新的标准，只是更新了14项旧标准。目前现行GJB中与钛及钛合金相关的有34项，涉及航空工业的主要有25项，其中关于铆钉的有9项、螺栓1项，其余15项为重要钛材的标准（见表5）。

表5 我国主要航空用钛合金材料国军标

从表5中可以得知，我国对飞机结构件用的钛合金材料安排制订了棒材、线材、板材、带材、管材、锻坯、锻件规范，对发动机结构件用的钛合金材料安排制订了压气机叶片用钛合金棒材规范、钛合金饼、环坯规范、钛毛细管规范。在工艺标准方面，制订了适用于包括航空行业在内的通用的钛合金材料热处理工艺标准。

这些标准的确立，基本上满足了我国航空工业中已定型的诸多型号飞机和发动机生产的使用需求，为我国航空工业的进步发挥了重要作用。

3、航空用钛合金材料和技术标准的未来发展趋势初探

相对于美国、前苏联、德国、英国、法国等工业化国家在钛合金工业领域发展而言，我国在钛合金材料方面的研究和应用起步较晚。与上述钛工业化强国存在不小的差距。

我国生产的熔炼用的海绵钛的纯净度低，钛合金铸锭的杂质含量高，组织均匀性差，熔炼工艺的稳定性不高。钛合金半成品加工设备的能力普遍偏低，同时造成钛合金半成品的质量低且不稳定。

从钛合金材料标准角度来看，与美国112项AMS宇航专用钛合金材料标准相比，我国的钛合金材料标准数量明显不能满足于未来航空工业的发展需求。在标准的技术内容方面与上述国家的差距则主要体现在钛合金半成品的规格、质量要求、检验测试手段及品种类型等。

我国钛合金材料和钛合金材料标准与这些国家产生差距的原因有两方面：一是我国钛工业化历史的时间短，在我国开始钛合金研究的时候，上述国家已经进入钛的工业化阶段了；二是终端航空武器装备的差距，各种型号的大型军用运输机、轰炸机、歼击机、武装直升机等。

为了满足我国航空武器装备的需求，更好地服务于国防事业，在钛合金材料的研究和应用领域及钛合金材料的标准化工作领域应着手开展以下的工作。

4、结论

4.1 钛合金在航空领域应用广泛，是飞机和飞机用发动机的重要结构材料。

4.2 在新型钛合金研究方面，目前国内比较活跃；未来开展能满足包括高强、高韧、高温、阻燃和损伤容限型的各种设计使用要求的钛合金材料研究以及对这些材料的大规格和超大规格半成品的研究是必然趋势。

适应航空武器装备小型化、超大型化及多样化品种规格的需求，以及高空、高速、高机动性、超远航程等特殊要求，开展能满足包括高强、高韧、高温、阻燃和损伤容限型的各种设计使用要求的钛合金材料研究。对大规格和超大规格的钛合金棒材、板材、带材、锻坯、锻件、环形件、铸件，高性能的管材、紧固件，大型、复杂、精密铸件，阻燃材料，600℃及以上的高温材料，型材等给予优先研究。

对大型钛合金锻造、挤压、轧制加工设备、热处理设备及熔炼设备加快设计制造和装备速度，为实现大型钛合金半成品生产加工创造条件。

建立并完善钛合金型材的生产加工，在满足航空武器装备需求的同时，填充了我国钛合金半成品加工方式的空白。

在确保准确性、经济性和可靠性的前提下，开展钛合金半成品规格和质量方面检验测试设备研制和方法研究，为钛合金材料工业化提供技术支持。

未来的钛合金材料的标准化工作应在上述钛合金材料工业化的基础上展开。将新研制的各种材料，半成品的不同品种、规格，新的检验、测试方法，加工、处理工艺制订为相应的国家标准、国家军用标准或航空行业标准。

开展钛合金材料的标准化工作，在借鉴上述钛工业化强国技术经验的同时，更应重点突出我国的发展特色。强化吸收，但力求协调适用，符合我国的具体情况，使钛合金材料的标准在我国的国防工业体系中发挥应有的效能。

4.3 国际上的钛工业化强国在钛合金材料标准方面具有相对完善的体系，我国钛材标准经过多年的建立和改进，体系已初步形成，但仍需进一步完善。

[参考文献]

[1] 许国栋，王凤娥. 高温钛合金的发展和应用[J]. 稀有金属，2008, 32（6）:774-780.

[2] 蔡建明，李臻熙，马济民，黄旭，曹春晓. 航空发动机用600℃高温钛合金的研究与发展[J]. 材料导报, 2005,19(1):50-53.

[3] 毛小南，赵永庆，杨冠军. 国外航空发动机用钛合金的发展现状[J]. 稀有金属快报, 2007, 26（5）.

[4] 黄永光. 我国钛及钛合金牌号的发展和标准化[J]. 稀有金属快报, 2008, 27（4）.

[5] 黄永光. 我国钛及钛合金板材标准化现状[J]. 钛工业进展, 2009, 26（2）.

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