钛及钛合金的特性与应用领域

钛合金的应用决定于钛及钛合金的特点和对产品的要求。目前钛合金的用途可大致分为三类，即喷气发动机、航空构架和工业应用。不同用途对产品的要求有不同的侧重点，见表1-1。

表1-1　钛合金用途及产品要求

在美国，钛合金主要应用于宇航领域。在日本，大部分钛合金用于非航空航天方面。目前，全世界约有30多个国家从事钛合金的研究和开发，其中美国、俄罗斯研发钛合金的历史较长，实力最强。从应用情况看，美国、俄罗斯和西欧国家，钛及钛合金的60%～70%应用于航空航天领域，民用工业相对较少。日本和中国则有所不同，民用工业领域应用的钛及钛合金约占85%～90%，航空航天领域约占10%～15%。

1.钛合金在航空领域的应用

20世纪50年代，美国开发了第一种真正用于飞行器的钛合金（Ti-13V-11Cr-3Al），这种高强可热处理的钛合金在高速预警机中得到了应用。60年代，钛合金在非军用的航空发动机和宽体喷气式飞机（如波音747）中得到了应用。至70年代，在航空及航天领域的应用占美国钛合金市场应用量的90%。80～90年代，欧洲国家及俄罗斯在飞机上的钛及钛合金的用量大幅度增加。近年来，日本在飞机上的钛合金用量也在逐年增加。

纯金属的强度一般很低（如纯铁的抗拉强度为250MPa，纯铝、纯镁的强度更低），但纯钛的抗拉强度可达550MPa，已接近高强铝的水平，而且塑性好、容易焊接，焊缝强度可达基体的90%，耐蚀性好，可以直接用于350℃以下工作的飞机构件，如飞机蒙皮、隔热板等。首先应用金属钛的是那些受力不大的中小型结构件，包括支座、接头、框架等。

飞机构架要求高抗拉强度及有良好的疲劳强度和断裂韧度，由钛合金制造的飞机构架包括从小零件到大型起落架支撑梁、机身后段及转向梁等。

钛合金是军用飞机蒙皮材料的最佳选择。传统上飞机蒙皮材料采用铝合金，但当飞机飞行时速超出一定限度（如马赫数超过2.15）时，飞机表面温度高于200℃，铝合金蒙皮已不再适用，需采用钛合金替代。

近年来美国、俄罗斯军用飞机上钛合金和复合材料的应用比例不断加大，而铝合金应用的比例呈下降的趋势。例如，F-22和F/A-18E/F战机是21世纪的美军主力战机，其中F-22是举世公认的第四代战机的典型代表，其主要特点是：机身和机翼采用了大量的钛合金和复合材料，具有隐身能力，发动机推重比达到10，可超声速巡航等。F-22所使用的材料中41%为钛合金，其中的86%以上为Ti-6Al-4V合金。

钛合金和复合材料作为新一代的航空材料，已成为与铝合金和高强钢并驾齐驱的四大飞机结构材料之一，其应用水平已成为衡量飞机先进性的重要标志。第四代战机要实现超声速巡航和隐身能力，复合材料与钛合金必不可少。因此，复合材料和钛合金焊接加工技术也被认为是第四代战机制造的标志性技术之一。

钛合金是当代战机的主要结构材料之一，美国在20世纪80年代以后设计的各种先进军用战机和轰炸机中，钛合金的使用量在20%以上，如第三代F-15战机的钛合金用量占27%，而第四代F/A-22战机的钛合金用量占41%。美国B-2轰炸机、法国幻影2000和俄罗斯的苏-27CK战机的钛合金用量也分别达到26%、23%和25%。钛合金在民用飞机上的应用也受到了重视，如波音777客机上采用了约11%的钛合金结构，用于起落架、垂直尾翼稳定板、排气管和空气调节管道等。

航天飞行器和人造卫星也大量应用了钛合金，主要用于一些支座、板架与接头等结构件。人造卫星上的照相机框架和水平镜壳体也采用了钛合金，这不仅因为钛合金有质量轻、耐蚀性好等特点，更重要的是钛合金的热膨胀性能与光学玻璃材料相近，它们的匹配性能良好。(www.xing528.com)

2.钛合金在武器装备上的应用

钛合金既可用在军事和武器装备上，如用于导弹、舰艇、战车、火炮、精密机械等，也可部分用于民用项目，如舰船、医疗器械等。钛合金在这些领域的应用，往往是从军用开始，再由军用扩大到民用上来的。

20世纪50年代后期，美国的钛合金应用重点从航空领域转向导弹领域。目前钛合金在导弹上的应用较为普遍，如导弹尾翼、弹头壳体、火箭壳体及连接座等。导弹技术与钛合金是在同一时期发展起来的，而钛合金具有密度小、强度高、耐蚀性和复杂件成形好等特点，适合于从小型的空-空导弹到大型的洲际导弹的需要。例如，巡航导弹的升降副翼壳体就是一个复杂的钛合金薄壁件。

大量应用钛合金是地面武器装备（装甲车、火炮）减重的有效途径，可大幅度增强其运送能力和机动性。例如，美军M2装甲战车改用钛合金材料后减重达35%，大大增加了机动性和防弹能力。但相对于钢铁材料，钛合金还是太贵，如果价格能降至可接受的水平，将极大地改进武器装备应用的机动性能。近年来美国对低成本钛合金的研发力度在加大，开发了一些军用低成本钛合金。例如，以Fe-Mo代替Al-Mo中间合金研发的62S钛合金，其力学性能和抗弹能力等性能指标等于或超过了Ti-6Al-4V合金，但制造成本却比较低。在战车和火炮系统中，美军用低成本钛合金替代轧制均质装甲钢和铝合金，制造低成本钛合金的装甲和零部件。

钛合金在海军装备中也有很大的应用潜力，因为钛具有优异的耐蚀性。与不锈钢和铜合金相比，钛合金在海水中具有不可比拟的稳定性，是优秀的航海材料。钛合金可应用于各种舰船（包括大型气垫船、水翼船、摩托艇）的螺旋推进器、海水泵和球阀等。例如，美国海军某舰船上每年因海水腐蚀需要更换97km热交换器用的铜镍合金管，而用钛合金制造该管可大幅度延长其使用寿命。

海军舰艇严酷的工作环境需要性能优良的材料。用钛合金制造舰船通信天线和其他设备，能充分发挥装备的技术性能，提高装备的可靠性，延长其使用寿命。我国已经研制出采用TC10钛合金管材（内部是TA3钛管）的新一代潜用液压伸缩天线和短波大功率通信伸缩天线，大大提高了舰艇的战斗力。

3.钛合金的其他应用

钛合金的工业应用要求有良好的耐蚀性、适当的强度、成形能力及相对于其他耐蚀合金有竞争力的价格。钛及钛合金因密度小、比强度高、耐蚀性好、无磁性、生物相容性好等特点，在电子、石油化工、汽车（包括自行车、摩托车）、能源、医疗器械、日常生活器材（体育器械、照相器材、手表）等领域也得到了日益广泛的应用。近年来，国内外在结构钛合金、高温钛合金、耐蚀钛合金、高强钛合金、低温钛合金等方面的研究均取得了很大的进展，也都使其得到了实际应用。

我国研制的钛合金已有50多种，列入国家标准的钛及钛合金牌号有近30个。我国的钛合金研究已由仿制过渡到创制与仿制相结合的阶段。已初步形成了不同使用温度和不同强度级别的航空钛材、舰船钛材和耐蚀钛材三大系列。目前，我国钛合金的研发水平大体与国外接近，但在应用和生产规模上仍存在较大的差距。

20世纪80年代，国际钛工业占较重要地位的6个国家是苏联、美国、日本、英国、法国、中国。近年来，形成了美、日、俄三足鼎立的局面，这三个国家钛材的产量占世界总产量的95%以上。

从钛资源角度看，我国有着发展钛工业良好的物质保证和先决条件。我国目前民用钛材占87%，航空及军工用钛材仅占13%。我国民用钛材的最大用户是化学工业（约占59%），钛及钛合金主要用于各种热交换器、压力容器、反应器、泵、阀和管道等。我国电力能源用钛材约占18%，冶金行业用钛材约占5%。在非航空航天领域，如舰船、医疗器械、运动器材、手表等，也开始应用钛合金。