1　高强高韧β型钛合金

　　β型钛合金最早是50年代中期由美国Crucible钢铁公司研制出的B120VCA合金(Ti-13V-11Cr-3Al)，主要用于制造SR71飞机的高强度板材零件^［4］。β型钛合金具有良好的冷、热加工性能，易锻造，可轧制、焊接，可通过固溶-时效处理获得较高的机械性能、良好的环境抗力及强度与断裂韧性的很好配合。新型高强高韧β型钛合金最具代表性的有以下几种^［5］：
　　Ti1023(Ti-10V-2Fe-3Al)钛合金是一种为适应损伤容限设计原则而产生的高结构效益、高可靠性和低制造成本的锻造钛合金。由表2可以看出，Ti1023合金的拉伸强度、断裂韧性和疲劳性能明显优于Ti-6Al-4V，并与飞机结构中常用的30CrMnSiA高强度结构钢相当。这种Ti1023合金具有优异的锻造性能，在760℃可进行等温锻造，提供各种近净型加工锻件。可冷成形Ti153(Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn)高强度β钛合金的冷加工性能比工业纯钛还好，可在固溶状态下进行各种复杂零件的冷成形，时效后的室温拉伸强度可达1000MPa以上，该合金特别适宜制造火箭发动机推进剂贮箱和导管等部件。

表2　Ti1023与Ti-6Al-4V和30CrMnSiA的力学性能对比

　　另外，美国钛金属公司Timet分部研制成的一种新型抗氧化、超高强钛合金β21S(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si)，在649℃具有良好的抗氧化性能，可在540℃下长期工作；冷、热加工性能优良，可制成厚度为0.064mm的箔材，冷轧变形量达75%左右，不需要中间退火；已被美国国家宇航局(NASA)确定用作碳化硅/钛复合材料的基体材料，并将用于美国国家航空航天飞机(NASP)的机身和机翼壁板。日本钢管公司(NKK)研制成功的SP-700(Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe)钛合金，在770～800℃就呈现超塑性，延伸率高达2000%。该合金强度高，超塑成形温度比Ti-6Al-4V低140℃，可取代Ti-6Al-4V合金用超塑成型—扩散连接(SPF/DB)技术制造各种航空航天构件。目前，美国RMI钛公司计划开发这种合金在飞机结构及转动零件方面的应用市场。虽然它的价格比Ti-6Al-4V大约高出10%，但由于生产成本的降低，所以整个成本基本持平。俄罗斯研制出的BT-22(Ti-5V-5Mo-1Cr-1Fe-5Al)，其拉伸强度≥1105MPa，该合金已成功地用来作IL-86和IL-96-300的机身、机翼、起落架和其他高承载部件。通过热处理可使20cm厚的部件获得较高性能^［4,6,7］。

2　高温钛合金

　　高温钛合金是随着航空工业的发展而发展起来的，其研制工作始于50年代初。世界上第一个研制成功的高温钛合金是Ti-6Al-4V，使用温度为300～350℃。随后相继研制出IMI550、BT3-1等合金，使用温度稍有提高，达400℃左右。60年代，各国先后研制成功了IMI679、IMI685、Ti-6246、Ti-6242等合金，使用温度在450℃以上，均不超过500℃。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。表3为高温钛合金的使用温度及化学成分^［7］。

表3　高温钛合金的使用温度及化学成分

3　钛铝化合物为基的钛合金

　　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816和982℃)、抗氧化能力强、抗蠕变性能好(见图1)^［9］和重量轻(它们的密度与钛合金相当，只有镍基高温合金的1/2)，这些优点使其成为未来航空用发动机及飞机结构件最具竞争力的材料。

　　目前，已有两个Ti₃Al为基的钛合金Ti-21Nb-14Al和Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo在美国开始批量生产。Ti-21Nb-14Al合金已经熔铸出了3200kg重的铸锭，并轧制出0.08mm×914mm×2438mm的箔材，其蠕变强度与镍基高温合金Inconel713相当，最高韧性可达32MPa^．m^1/2，已制成高压压气机机匣、高压涡轮支承环、导弹尾翼和燃烧室喷管密封片等^［10］。Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo合金通过热机械处理(TMP)可获得具有良好强度、塑性的综合机械性能：拉伸强度σ_b=893MPa、屈服强度σ_0.2=738MPa、延伸率δ=26%。
　　80年代后期，钛铝为基的高温钛合金(如Ti-30Al-12Cr-15V)采用等温轧制已轧制出尺寸为1.27mm×380mm×690mm的薄板。影响钛铝为基的合金迅速推广应用的主要障碍是在室温下的低塑性，以及与其相关的低断裂韧性和高裂纹扩展速率。研究发现，在钛铝中加入Nb、V、Cr和Mn等合金元素可明显改进其塑性，采用等温轧制已轧出1.27mm×2400mm×3050mm的钛铝基合金薄板。在1149℃就能对超细晶的钛铝基合金进行SPF/DB处理，如Ti-46Al-3Cr合金经热机械处理后，在1100℃、1×10^-4s^-1应变速率下，流动应力为5MPa，可获得450%的伸长率。可见，钛铝基合金良好的超塑成形性能，使它可以克服室温塑性低、难加工成形的问题，制造出大型复杂的薄板构件和NASP用的机身和机翼壁板。近来美国Texas仪器公司和Textron特殊材料公司联合研制生产钛铝化合物箔材的新工艺的成功，无疑会促进钛铝化合物在航空航天构件上的应用。该工艺是用先进等离子喷射成形技术制得薄板，然后经冷轧而成箔材。采用此工艺生产钛铝化合物箔材，可使其价格较化铣的下降4倍多，即下降到1540美元/kg，材料利用率也由5%～6%提高到80%以上。使用高能球磨和热等静压技术可生产出完全致密的钛铝金属间化合物构件，其室温塑性可达5%^［11］。
　　另外，在提高钛铝化合物抗氧化性方面也取得了一些进展。日本东北工业技术研究所通过钛铝合金与SiC复合，在氧气氛中加热，在合金表面上能生成氧化铝的保护膜，以防止氧化，使抗氧化性能飞速提高。钛铝合金在1000℃经20h，增加22%重量，而新合金在1100℃经60h，仅增加0.1%重量，在1200℃，仅增加0.6%重量^［12］。美国橡树岭国家实验室和NASA路易斯研究中心共同开发出一种简单、低成本的提高γ钛铝化合物抗氧化性的方法(美国专利号5635303)，且效果良好。该方法是将γ钛铝化合物试样经过喷丸处理，然后用磷酸溶液(在水中含磷酸85%)进行喷涂处理。最后一道工序是在200℃旋转甩干，再置于400℃下煅烧30min。在试验过程中，经处理和未经处理的Ti-48Al-2Cr-2Nb(原子数分数)γ钛铝化合物试样在大气中800℃下进行周期性氧化500h(18～24h为一个循环)。试验结果表明，经处理试样的氧化速率比未经处理的试样降低了近2个数量级^［13］。

4　阻燃钛合金

　　常规钛合金在特定的条件下有燃烧的倾向，这在很大程度上限制了其应用。针对这种情况，各国都展开了对阻燃钛合金的研究并获得了成功应用。80年代美国P&W和Teledyne Wah Chang Albany公司联合研制出对持续燃烧不敏感的钛合金AlloyC(也称为Ti-1270，属于Ti-V-Cr系，β型钛合金)，该合金的名义成分为50Ti-35V-15Cr(质量分数)。AlloyC具有较高的强度，尤其是高温强度，并具有良好的室温和高温塑性、蠕变和疲劳性能，可制成板材、带材、棒材以及锻件等，已用于F119发动机。BTT-1和BTT-3是俄罗斯从摩擦机制入手成功地研制出的阻燃钛合金，均为Ti-Cu-Al系合金(添加Mo、V、Zr)，BTT-1具有良好的热加工性能，可制成形状复杂的发动机零件，如压气机机匣和叶片，工作温度可达450℃。BTT-3合金的工艺塑性比BTT-1合金更好，特别适合于制造各种板材和箔材零件。BTT-3的阻燃能力也高于BTT-1，在相同的试验条件下，Ti-6Al-4V的摩擦着火温度为100℃，BTT-1为650℃，BTT-3则大于800℃。表4为部分阻燃钛合金的性能^{［14～18］}。

表4　部分阻燃钛合金的性能

　　航空航天用高性能金属材料目前虽然面临着先进复合材料的挑战，但通过对现有金属材料性能的进一步改进和发展性能更好的新材料(如钛铝基钛合金等)，采用先进的制造技术(如超塑成形等近净型加工)，以及降低钛合金的制造成本(如日本一家公司研究出一种制造钛合金的新方法，该方法为粉末冶金法的一种，可以使钛合金由粉末状态制成成品。与常用的熔解法相比，新方法可在较短时间内制成相同性能的产品，而且生产成本只有熔解法的25%～50%)^［19］，相信高性能的金属材料仍将是未来十分重要的航空航天结构和功能材料。