简介概要

钛合金在飞机上的应用

来源期刊：稀有金属2009年第1期

论文作者：程申涛王宁鲁雄刚李重河朱明

关键词：钛合金; 发动机; 机身; 应用; 发展;

摘要：钛合金以其比强度高、耐腐蚀性好等特点在航空航天领域得到了广泛的应用.本文综述了钛合金在世界航空业应用的发展过程及现状,介绍了几种典型的钛合金(α型合金、 β型合金和α+β型合金),评述了钛合金在机身和发动机上的应用情况,并对钛合金未来的发展作了展望.

稀有金属 2009,33(01),84-91 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2009.01.023

钛合金在飞机上的应用

朱明王宁鲁雄刚程申涛

上海大学材料科学与工程学院

北京有色金属研究总院

宝山钢铁股份有限公司特殊钢分公司

摘要：

钛合金以其比强度高、耐腐蚀性好等特点在航空航天领域得到了广泛的应用。本文综述了钛合金在世界航空业应用的发展过程及现状, 介绍了几种典型的钛合金 (α型合金、β型合金和α+β型合金) , 评述了钛合金在机身和发动机上的应用情况, 并对钛合金未来的发展作了展望。

关键词：

钛合金;发动机;机身;应用;发展;

中图分类号： V252.2

收稿日期：2008-01-02

基金：上海市科委优秀学科带头人项目 (06XD14032);国家重点基础研究发展计划资助项目 (2007CB613606) 资助;

Application of Titanium Alloy in Airplane

Abstract：

Titanium and titanium alloys are excellent candidates for aerospace applications due to their high strength to weight ratio and excellent corrosion resistance.The development history and status of the application of titanium alloy in aviation are reviewed.Several typical titanium alloys are introduced (α Alloys, β Alloys and α+β Alloys) , and titanium alloys used for fuselage and engine are observed.Their future and prospect are also discussed.

Keyword：

titanium alloy;engine;fuselage;application;development;

Received： 2008-01-02

1910年, 即飞机问世后的第7年, 美国科学家亨特用 “钠法” (钠还原 TiCl₄) 获得了金属钛。但钛工业直到第二次世界大战之后的1948年, 即卢森堡科学家发明的“镁法” (镁还原 TiCl₄) 在美国用于生产之后才开始起步。钛工业的历史要比航空工业的历史晚几十年。钛是唯一在两次世界大战中都没有使用过的结构金属材料。钛与航空有着不解之缘。钛材首先应用于航空。 1953年, 在美国道格拉斯公司生产的DC-T机发动机吊舱和防火壁上首次使用钛材, 从而揭开了钛航空应用的历史。从那时以来, 钛在航空上已应用了半个多世纪。钛能在航空上广泛应用是由于它有适于飞机应用的许多宝贵特性 ^[1] 。

钛及钛合金具有一系列优异特性: 如密度小、比强度高、抗腐蚀性能好等, 广泛应用于航空、航天等各个领域, 例如钛基合金已在飞机及发动机中的应用量在20世纪80年代就已达到30%以上, 而且随着飞机设计进入损伤容限设计时代, 其用量还将增加。冷战后, 钛及钛合金又迅速从军需拓展到民用, 多用于宇宙航空、海洋开发、化工设施以及日用轻工等方面。在世界矿资源中, 钛是仅次于铁、铝、镁, 处于第四位的富有资源, 但在目前的金属工业产量上, 铁达到7亿t, 铝约1500万t, 铜和不锈钢各为1000万t, 而钛合金的产量约为10万t, 只相当于钢铁企业1 h的生产量 ^[2] , 所以说, 钛又是一种尚未成熟的年轻金属, 它很有希望成为继铁、铝之后的第三种实用金属, 开发利用前景十分广阔。钛作为地球上并不稀缺的资源, 多年来并未得到广泛应用, 而其应用空间, 特别是在飞机上的应用事实上又十分巨大。在富资源和大市场之间转化阻力较大 ^[3] , 原因在于应用成本较高, 实际上是存在技术经济性的问题。如何优化技术、降低成本成了钛产业发展的战略性关键问题 ^[4,5] 。

钛在飞机上的应用主要有以下3个方面: 发动机、机体和机载设备。钛合金在飞机中的用量呈逐年上涨的势头, 图1是波音系列飞机钛合金用量随时间的变化 ^[6] , 该图形象地说明了钛合金在飞机中用量的增长趋势。

1 钛合金的分类

钛合金按相的组成可分为: 密排六方结构 (HCP) 的α型合金 (包括近α型合金) -即国内牌号TA、体心立方结构 (BCC) 的β型合金 (包括近β型合金) -即国内牌号TB和两相混合的α+β型合金-即国内牌号TC。典型钛合金牌号及其室温力学性能见表1 ^[7] 。

图1 波音系列飞机钛合金用量随时间的变化

Fig.1 Ti as a percent of OEW of Boei ng aircraft as a function of year of rollout

1.1 α型合金

Ti-3Al-2.5V用于高压水压管道系统 (压力达28 MPa, 外径为6.3～38 mm) , 取代了21-6-9不锈钢, 节约了40%的重量。 Ti-6Al-4V由于强度高可以更显著地减轻重量, 但是其制成薄片和条状代价较高, 而Ti-3Al-2.5V可容易地加工成薄片和条状 ^[8] 。

Ti-5Al-2.5V是退火后用合金, 主要用于低温下, 它在低温下能保持较好的断裂韧度和展延性, 主要用于涡轮泵中高压燃料的氢侧 ^[8] 。

Ti-8Al-1Mo-1V, 曾经考虑用它来做飞机的骨架, 但其抗压力腐蚀能力较差, 具有较低的密度和高的模量, 用于军用发动机的风机叶片 ^[8] 。

Ti-6242S (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si) 美国于20世纪60年代为改善钛合金的高温性能, 特别是为满足喷气式发动机使用要求而开发的一种近α型钛合金, 在高温下有较好的蠕变强度和热稳定性, σ_b=930 MPa。主要用于燃气涡轮发动机零件 (叶片、转子等旋转部件, 使用温度达540 ℃) ^[8] 。

英国开发了两种近α型钛合金: IMI829 (Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.25Mo-0.3Si) 和IMI834 (Ti-5.8A1-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si-0.06C) , IMI829的使用温度可达540 ℃, IMI834的使用温度可达600 ℃。 IMI829用于RB-211-535E4引擎的压气机轮盘、刀片和垫圈, 该引擎用于波音757。 IMI834用于RR Trent800引擎的中压压缩机和高压压缩机的压气机轮盘的最后两个工序步骤以及最初四个工序, IMI834经过β两相区固溶时效处理后使用 (室温的σ_b ≥930 MPa) , 具有高蠕变强度和良好的疲劳强度和变形能力, 并有较好的可焊接性 ^[8] 。

Ti met开发了高温用近α型钛合金: Ti-1100 (Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.4Mo-0.4Si) , 是Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo进化而来的, 其使用温度可达600 ℃。 Allison Gas Turbi ne Engi nes用该合金制造了T406/GMA3007/GMA2100系列引擎的高零件 ^[9] 。

Ti-55 (Ti-5Al-4Sn-2Zr-1Mo-0.2Si-1Nb) 是中科院金属所根据TiX相析出的电子浓度规律设计的一种近α型钛合金。该合金在550℃具有良好的综合性能 (550 ℃下σ_b=658 MPa) , 制成的发动机高压压气机盘、鼓筒和叶片顺利通过了超转、断裂、低循环疲劳和振动疲劳试验 ^[10] 。

1.2 (α+β) 型合金

Ti-6Al-4V占到整个钛合金产品的60%左右, 最小拉伸强度896 MPa, 具有较好的疲劳性能和断裂性能 (经热处理后还能改善) , 可以制成铸件、锻件和挤压件。 Ti-6Al-4V可用于制造飞机的任何部分: 机身、引擎机仓、飞机起落架、机翼和尾翼。图2 (a) 是EJ200欧洲战斗机中用Ti-6Al-4V制成的中压压缩机箱, 图2 (b) 是用Ti-6Al-4V锻造的波音757的起落架结构。

波音757, 767和777的挡风玻璃框架都是由Ti-6Al-4V压铸而成, 而其上面的顶板是由Ti-6Al-4V板制成, 这些主要是由于Ti-6Al-4V具有较高的强度以抵挡飞机在飞行过程中受到鸟的撞击 ^[11] 。

波音777的鳍板是由Ti-6Al-4V热成型板制成, 厚5 mm, 宽762 mm, 长3.3 m (图2 (c) ) , 这是由于它的热膨胀系数和碳纤维吻合得较好, 铝与石墨的热膨胀系数不是很吻合导致用铝时易产生电化学腐蚀 ^[11] 。

表1 典型钛合金牌号及其室温力学性能

Table 1 Typical titanium alloy brand and mechanical properties at room temperature

Brand	Nomi nal composition	Type	Heat treatment	σ_b	σ_0.2	δ₅/%
TA7	Ti-5Al-2.5Sn	α	Anneali ng	886	759	7.6
TA19	Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si	α	Anneali ng	1019	858	9.0
TC4	Ti-6Al-4V	α+β	Anneali ng	949	857	1.9
			Solution agei ng	1146	1076	5.0

图2 飞机中的钛合金零件

Fig.2 Titanium parts i n airplane

(a) EJ200欧洲战斗机中用Ti-6Al-4V制成的中压压缩机箱; (b) Ti-6Al-4V锻造的波音757的起落架结构; (c) 波音777的鳍板; (d) 用Ti-6Al-4V铸成的波音777的引擎排风管; (e) 波音777主起落架上的Ti-10V-2Fe-3Al锻件; (f) 飞机用钛弹簧

经退火的Ti-6Al-4V锻件也可用来制造波音777机身的水平鳍板和垂直鳍板, 这是由于钛和石墨的抗腐蚀相容性较好。

波音777的机身末端 (图2 (c) ) 和喷射引擎的排风管 (图2 (d) ) 由于温度高而采用Ti-6Al-4V, 此处工作温度较高, 选用铝合金不合适, 而钢或镍基合金又太重 ^[8] 。

Ti-6-6-2在STA (固溶时效) 下的强度达到1170 MPa, 比Ti-6Al-4V高, 但是断裂韧性及抗压力腐蚀能力有所下降, 主要用于波音747的起落架结构, 因为它的抗腐蚀性比低合金钢要好, 由于密度低, 还可用于飞机起落架的阻力杆、顶销 (用于连接起落架扭力臂两部分的销及组合曲柄等。道格拉斯公司采用退火后的Ti-6-6-2, 强度达1035 MPa, 主要是由于它易于加工成型, 比STA下的断裂韧性和抗压力腐蚀能力好 ^[8] 。

Ti-6-22-22S (Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si) 是美国RMI公司在20世纪70年代开发出的一种航空用α+β型钛合金, 具有良好的强韧性匹配, 经热处理后σ_b≥1035 MPa, 有深淬透性 (断面直径达100 mm) 和极好的超塑性成型能力。被Lockheed/Boei ng 的F-22采用作为飞机下部龙骨的翼弦; Ti-6-2-4-6 是P&W开发的在中等温度下有较高强度的合金, 主要用于军用发动机 (F-110, F-119) , 屈服强度为1035 MPa, 其损伤容限性能没有Ti-6-4和Ti-6-2-4-2好, 由于需检查次数多, 不能用于飞机 ^[8] 。

Ti-17 (Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr) 是可硬化α+β合金, 最小强度1125 MPa, 由GE飞机发动机公司开发出可用于400 ℃下的风扇和压气机轮盘 ^[8] 。

1.3 β型合金

Ti-13-11-3 (Ti-13V-11Cr-3Al) 是第一个作高温用β合金, 主要用于SR-71“黑鸟”侦察机, 该飞机95%都是由Ti组成, 绝大部分是Ti-13-11-3, 用于机翼、外壳板、骨架、纵梁、隔板、肋骨、铆钉和起落架, 因为它的热稳定性比较好 ^[8] 。

β-C钛合金 (Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr) 主要用于制造弹簧, 强度可达1240～1450 MPa, 包括起落架的上、下锁弹簧, 机头的中间弹簧, 刹车用踏板回动弹簧, 液控回动弹簧, 飞行控制弹簧 ^[8] 。图2 (f) 是飞机用钛弹簧。

Ti-15-3 (Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al) 合金是在20世纪70年代由美国空军部门资助下开发的一种亚稳定β型的高强抗腐蚀合金。 V和Cr抑制马氏体转变并稳定β相。热处理后板材的σ_b≥1310 MPa, 显微组织是β基体和弥散的α相。该合金具有优良的冷变形性、时效硬化性能和可焊接性能等特点, 可替代21-6-9钢制作灭火罐, 为每架飞机减重23 kg; 用于波音777的应用控制系统管道, 替代原来的低强度CP钛, 为每架飞机减重63.5 kg。由于它的强度、抗腐蚀能力和成型性, 还可用于波音777上的许多夹子和支架以及其他部分。 P&W用Ti-15-3制造用于新发动机上一种温度较低部分的支架, 这要比用钢减轻很多重量。 Ti-15-3的铸件也用于波音777, 强度达1140 MPa, 用于货物装卸部件和喷射引擎地震动隔音板。原先用的17-4PH钢强度达1240 MPa, 但Ti的低密度可使其减重35%。 Allied Signal-Bandix用Ti-15-3铸件制作制动转矩管 (用于F-18EF战斗机) , 它的抗拉强度达1045 MPa (Ti-6Al-4V为830 MPa) , 高强度可使转矩管的体积减少, 可加大碳的用量, 以增加刹车装置的寿命。 Ti-15-3铸件展现了很好的疲劳性能 ^[8] 。

Ti-10-2-3 (Ti-10V-2Fe-3Al) 合金是美国Ti met公司于1971年研制成功的, 是迄今为止应用最为广泛的一种高强韧近β钛合金。它是一种为适应损伤容限性设计原则而产生的高结构效益、高可靠性和低成本的锻造钛合金, V和Fe为主要的β稳定元素。为了提高合金的锻造性能和断裂韧性, Fe的含量低于2%, O的含量限制在0.13% 以下。该合金是波音777中用量最大的β钛合金, 该锻件的三强为965, 1105和1190 MPa, 可根据不同需求采取不同加工工艺和热处理方法, 波音选取高强度以最大限度减轻重量。 Ti-10V-2Fe-3Al也具有很好的疲劳性能, 波音777的起落架 (图2 (e) ) 几乎全部由该合金制成, 不由该合金制备的零件主要有内、外气缸和轮轴, 由4340 M制成 (强度为1895 MPa) 。空客A380的主起落架支柱也是采用的该合金。用Ti-10-2-3可为每架飞机减重270 kg, 还消除了用钢时产生的应力腐蚀。 Mcdonnell Donglas采用Ti-10-2-3 (1105 MPa) 制成货舱门、引擎机舱、尾翼以及C-17的其他部分。 Ti-10-2-3在疲劳强度方面的优势也使其广泛应用于直升机。 Bell, Westland, Sikorsky和Eurocopter都采用Ti-10-2-3做他们的转子系统 ^[8,12] 。

Ti metal 21S (β-21s) (Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si) 合金是美国Ti met公司为国家航天飞机开发的, 它可制成带材, 并且具有抗氧化性, 可作为复合材料来使用。尽管它是β合金, 但它具有较好的高温特性, 并比Ti-6-4有更好的抗蠕变性能 (β合金一般在高温环境下的性能不是很好) ^[8] 。它已被波音和P&W用在650 ℃下的工作环境。它的优点在于它可以较好地抗高温液压机液体腐蚀, 这种液体是一种少数能在航天环境下腐蚀钛合金的物质, 该液体在超过130 ℃时会分解并形成一种含有机金属的磷酸, 会腐蚀钛合金, 更重要的是含有大量氢的泵会产生严重的脆裂。 β-21s是唯一一种能抵抗这种腐蚀的金属。这是因为β-21s含有钼和铌, 可用于引擎机舱和喷射引擎部位 (原先使用钢或镍基合金) 。 β-21s可减轻重量, 用于制造波音777的三种引擎、 P&W4084, GE90以及Trent800中的喷嘴、塞子、蒙皮和各种纵梁结构, 这些可以为每架飞机减重74 kg。 P&W特别采用β-21s制备4168引擎的喷嘴和塞子 (4168为空客A-330的引擎, 采用多孔夹层结构设计) ^[8] 。

C合金 (Ti-35V-15Cr) 是美国于20世纪80年代由P&W开发的一种稳定β型钛合金, 是目前工业用β钛合金钼当量最高的合金。 Cr元素使合金具有很好的高温强度和抗氧化能力及阻燃性, 以取代原先采用的镍基合金应用于F119发动机 (F/A-22战斗机的动力装置) 的高压压气机机闸和矢量尾喷管及导向叶片 ^[8] 。

Ti-40 (Ti-25V-15Cr-0.4Si) 合金是西北有色金属研究所研制的一种新型稳定β型阻燃钛合金, 室温下只有β相存在。经高温长时间暴露, 合金中会有第二相析出, 如540 ℃/100 h/250 MPa 暴露, 合金中析出少量Ti₅Si₃相。该合金具有良好的机械性能和阻燃性能, 其阻燃性与美国的C合金相当 ^[13] 。

2 钛合金在飞机发动机中的应用

喷气发动机是飞机的心脏。发动机的风扇、高压压气机盘件和叶片等转动部件, 不仅要承受很大的应力, 而且要有一定的耐热性, 即要求钛在300～650 ℃温度下有良好的抗高温强度、抗蠕变性和抗氧化性能。这样的工况条件, 对铝来说温度太高; 对钢来说密度太大; 钛是最佳的选择。因此, 钛在先进发动机上的应用不断扩大。在飞机上使用较多的钛合金有 Ti-6Al-4V, Ti-8Al-1M-1V, Ti-17, Ti-6242, Ti-6246, TC6, TC9, TC11, Ti-1100, IMI829, IMI834等。发动机的一个重要性能指标是推重比, 即发动机产生的推力与其自重之比。推重比越高, 发动机性能越好。早期发动机的推重比只有2～3, 现在已达到10。国外正在研制推重比10～20的发动机。提高推重比, 必须提高涡轮前进气的压缩比 (进气量指标) 与进气温度。工作温度越高, 发动机的热效率越高。提高推重比也必须提高材料高温下的比强度和比刚度, 减轻发动机自身的重量。据计算, 当压缩比达到 15∶1时, 压气机的出口温度为 590 ℃, 而当压缩比达到 25∶1时, 压气机的出口温度就达到 620～705 ℃ , 需要耐热性非常好的钛合金。实验证明, 常规钛合金只能用于650 ℃以下, 为制造推重比10以上的先进发动机, 需要开发以钛基复合材料、 Ti₃Al和TiAl型金属间化合物为基的钛合金。目前实用性能最好的耐热钛合金是英国的IMI829, IMI834和美国的Ti-1100。它们已分别用于V2500, EJ2000, 55-712改型发动机 ^[1] 。

高温钛合金以其优良的热强性和高的比强度, 在航空发动机上获得了广泛的应用。表2为各种型号发动机的钛合金使用情况 ^[14] 。

3 钛合金在飞机机身上的应用

1950年在F84战斗轰炸机上采用工业纯钛制造后机身隔热板、导风罩和机尾罩等非承力构件, 钛合金在飞机制造过程中便显现了无与伦比的优势, 钛合金在机身上的应用范围逐年增长。例如, B777采用Ti-6-4制造飞机主起落架锻件, 每件质量1724 kg; A380采用Ti-1023制造主起落架, 每件重量3210 kg。图3是钛及钛合金在飞机上的应用分解示意图, 可以看出, 钛合金在飞机机身上的应用主要集中在飞机骨架、蒙皮、机身隔板和起落架等部位 ^[15] 。图4是波音777飞机机身使用材料示意图, 可在文献 [ 16] 中查到。

表2 钛合金在各型号发动机中的应用

Table 2 Application of titanium alloys used for aircraft engi nes

Engi ne type	Application period	Brand of titanium alloys i n aircraft engi nes sectional
Engi ne type	Application period	Fan flywheel	Fan blade	Intermediate, high pressure compressor tray	Rotor blades	Stationary blade	Culvert
Pratt & Whitney
J57	1954			Ti64	Ti64	Ti64
JT805		Ti6242	Ti6242	Ti6242	Ti6242
JT90	1968	Ti64	Ti64	Ti64, Ti6242	Ti64, Ti811		Ti64, IMI550
JT90	Modern ti mes	Ti64	Ti64	Ti6242	Ti6242
F-110	1970s	Ti6242	Ti811	Ti624, Ti811	Ti811, Ti626	Ti6246
PW2037	End of the 1970s	Ti64		Ti6242	Ti6042
GM
TF-39	1968	Ti64	Ti64	Ti6242	Ti6242
CF6-50	1968	Ti64	Ti64	Ti64, Ti6242	Ti62, Ti6242	Ti64
CF6-80	End of the 1970s	Ti64	Ti64	Ti64, Ti6242	Ti6242
E3, F404	End of the 1970s		Ti17
Rolls-Royce
Avon	1954	Ti64	Ti64	Ti64
RB211-5248	End of the 1960s	Ti64	Ti64	IMI685
RB211-5240	1979	Ti64	Ti64	IMI685
RB211-53E4	End of the 1970s	Ti64	Ti64	IMI685, IMI829	IMI829
AdourR/R Turbomeca		Ti64	Ti64	Ti64, IMI685	Ti64, IMI685		Ti64, Ti6242
RB199		Ti64	Ti64		IMI685
Snecma
Regasus, Oli mpus, 593M53			IMI550

图3 钛及钛合金在飞机上的应用分解示意图

Fig.3 Exploded view of Ti′s application i n airplane

1-Fuselage ski n; 2-Support; 3-Interspar box; 4-Aerofoil ski n; 5-Engi ne nacelle; 6-Fuselage skeleton; 7-Empennage ski n; 8-Tail cover; 9-Tailfi n component; 10-Engi ne; 11-Aerofoil ri b; 12-Aerofoil beam; 13-Wheel; 14-Landi ng gear

钛合金因其高比强度和优异的耐腐蚀性等突出特性, 被广泛应用于铝合金、高强钢和镍基高温合金的质量、强度、抗蚀性和高温稳定性等综合性能不能满足要求的飞机零部件中。机身采用钛合金的主要原因总结如下: (1) 减重, 替代钢和镍基高温合金, (2) 使用强度的要求, 替代钢、铝合金和镍基高温合金, (3) 耐腐蚀性, 替代低合金钢和铝合金, (4) 满足与聚合物复合材料的电化学相容性要求, (5) 空间的限制, 替代钢和铝合金。表3为钛合金在各种型号飞机机身上的应用总结 ^[8] 。

4 展望

根据钛合金的应用现状, 高温钛合金 (发动机用) 和高损伤容限钛合金 (机身用) 是钛合金未来发展的两个主要方向。而采用材料设计方法是低成本钛合金制备的有效途径之一。

IMI834和Ti-1100是600 ℃使用的高温钛合金, 基本满足推重比为10的发动机的使用要求。但在600 ℃以上, 蠕变抗力和高温抗氧化性的急剧下降是限制钛合金在更高温应用的两大主要障碍。与一般钛合金相比, 钛铝化合物为基的Ti₃Al (α₂) 和TiAl (γ) 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700和850 ℃) 、抗氧化能力强、抗蠕变性能好 ^[17] 。为了满足650 ℃以上, 推重比大于10的发动机, 需要开发TiMMC (titanium metal matrix composite-钛基金属基复合材料) 、 Ti₃Al基和TiAl基钛合金。

图4 波音777飞机使用材料示意图

Fig.4 Breakout of advanced material on the Boei ng 777

表3 钛合金在机身中的应用

Table 3 Application of titanium alloy i n fuselage

Type	Alloy	Application
L-1011	Ti-13-11-3	Spri ng
F15	Ti-13-11-3, Ti-6-4	Spri ng, bulkhead, ski n
MD-11	Ti-38-6-44	Spri ng
A-330, A-340, A-380	Ti-10-2-3, β-C	Landi ng gear, spri ng
Il-86, Il-96-300	BT-22	Landi ng gear
F/A-22	Ti-6-4, Ti-6-22-22S	Bulkhead, keel
Boei ng 777	Ti-10-2-3, β-C, Ti-15-3, Ti-6-4, β-21S	Landi ng gear, spri ng, cargo fence, bulkhead, pipe, fi n, keel, acoustic li ni ng, fairi ng, ski n

高损伤容限钛合金即为具有很高断裂韧性和很慢裂纹扩展速率的中强或高强钛合金。国外已研制出Ti-6Al-4V (β-ELI) 和Ti-6-22-22S; 中国也研制出新型两相高强高韧TC21合金。随着国内航空系统损伤容限设计技术的迅速普及, 对高损伤容限钛合金的需求将日益迫切。因此要大力发展1100 MPa级别的高强高韧损伤容限钛合金; 为了提高损伤容限性能, 可以通过降低间隙元素含量、 β相区热机械加工、 β热处理等方法来加以实现。

然而近年来航空业竞争的加剧, 人们不得不考虑飞机的制造成本, 而不是单纯地追求飞机的性能。为了使钛合金能够更广泛地应用, 必须要降低钛合金的使用成本。

钛合金成本高的原因之一是高成本的合金化元属, 因此用廉价的Fe, Cr, Ni, Mn和这些元属的合金代替昂贵的Nb、 Mo和V元属, 设计新牌号合金, 具有非常重大的实用价值。

综合利用CALPHAD、量化计算和人工智能等材料设计方法, 开发具有自主知识产权的低成本高性能钛合金可能是未来航空钛合金发展的一个方向。具体来说, 首先我们需要收集目前钛合金所用的合金元素, 整理这些元素的性能、价格和工艺性能等因素, 建立数据库; 其次, 我们要利用CALPHAD技术来评估和计算钛与这些合金元素间二元、三元和更高元的相图, 利用计算所得相图, 结合钛合金开发的前人的经验, 确定可能的低成本高性能钛合金; 同时可以利用量子化学计算来预报材料的性能; 下一步, 结合相图计算和量子化学计算, 设计一种低成本高性能钛合金, 并实验制备这种合金。传统的经验的方法研制钛合金尽管需要大量的人力、物力和财力, 却是新合金研制中不可缺少的环节。因此低成本的航空钛合金研究中, 应该采用合金的理论设计和实验合成验证相结合的技术路线, 多快好省地开发新型低成本高性能钛合金, 同时在新合金的开发中, 重点考虑利用我国丰富的稀土和锰资源。