一、鈦合金在海洋工程上的應用現（xiàn）狀及前景展（zhǎn）望

㈠、引言

占地球表麵積約71% 的海洋（yáng）中蘊藏著豐富的資（zī）源， 開發海洋、利用海洋，讓海洋成為我們巨大財（cái）富的源泉， 這已（yǐ）成（chéng）為人們多年（nián）來努力（lì）的方向之一。但是，由於海水中（zhōng）含有大（dà）約3.5% 的含鹽量，因此， 海水具有腐蝕（shí）性。此外， 海（hǎi）洋中的某些生物（wù）汙（wū）染也加速了海水的腐蝕。

鈦是一（yī）種物理性（xìng）能（néng）優良、化學性（xìng）能穩定的材料。鈦及其（qí）合金強度（dù）高（gāo）、比重小， 耐海水（shuǐ）腐蝕和海洋氣氛腐蝕， 可以很好地滿足人們在（zài）海洋工程方麵應用的要求。經過（guò）鈦業界人士和海洋工程應用研究人（rén）員多年的（de）努力， 鈦已經在海洋油氣開發、海港（gǎng）建築、沿海（hǎi）發電站、海（hǎi）水淡化、船舶、海洋漁業及海洋（yáng）熱能轉換等領域取得了廣泛的應用。現在， 海洋工程用鈦已成為鈦民用應用的主（zhǔ）要領域之一。

㈡、應用現狀

2.1 海洋油（yóu）氣開發

石油是一（yī）個國家（jiā）的經濟命脈。據估計， 世界可開（kāi）采的石油資源儲（chǔ）量為3000億噸， 其中海底石油儲量約為1300 億噸。海底石油（yóu）的開發， 開（kāi）始於20 世（shì）紀初。它的發展經曆了從（cóng）近海（hǎi）到遠（yuǎn）海、從淺海到深海的過程。受（shòu）技術條件（jiàn）和材料發（fā）展的限製（zhì）， 最初隻能開（kāi）采從海岸直接（jiē）向淺海延伸的石（shí）油、天（tiān）然氣礦藏（cáng）。20 世紀80 年代以來， 在能源危機和技術進步的刺激下， 近海石油勘探與開發飛速發展， 海洋石油開發迅速向大陸架挺進， 逐漸形成了嶄新的近海石油工業部門。海上鑽（zuàn）井平台是實施海底油（yóu）氣勘探和（hé）開采的工作基（jī）地， 它標誌著海底油氣開發技術的水平。海上石（shí）油開采設備主要包括采油平台和附屬設備， 附屬設備有原油冷卻器、升油管、泵、閥、接頭和夾具等。這些設備均與海水及原油中的硫（liú）化物、氨（ān）、氯等介質接觸。由於鈦在這些介質中具有優異的耐蝕性， 所以美國在上世紀70 年代初就在其油田中使用了鈦製造的近海石油平台支柱， 同時用（yòng）鈦製造了列（liè）管（guǎn）式換熱器和板式換熱器。鈦列管式換熱器利用海水作為冷卻介質， 把從油井裏抽出的高溫汽（qì）/ 油混合（hé）物冷卻。鈦板式換熱器也是利用海水作（zuò）為冷卻介質， 把碳鋼換（huàn）熱器內冷卻原油的淡水冷卻。美（měi）國在北海油田鑽井平台上大約使用（yòng）了100 個鈦熱交換器。位於英國蘇格蘭阿伯丁的（de）亨廷油田（tián）服務公司訂購的（de）鈦製部件據說是世界上第一個鈦（tài）製高壓立管式豎井， 用於美國大陸（lù）石油公司（Conoco） 挪威的Heidrum 工程項目中。

石（shí）油鈦合金鈦鑽探管的使用壽命較長，其重量（liàng）僅為不鏽鋼的一半， 而使用靈活性卻是不鏽鋼的二倍， 使用壽命為鋼的10 倍。這些優（yōu）異的性能使得鈦成為一種用（yòng）於鑽探（tàn）難度較大的近圓形、且深度深的油井的極佳材料。包含（hán）有鈦鑽探管的（de）組合鑽具可（kě）以極大地減少鑽探時間、降低鑽探總成本。美（měi）國的GrantPrideco 公司、RTI 能源係（xì）統公司及Torch 鑽探服務公司在2000 年首次（cì）將鈦鑽探管用（yòng）於工業應用。GrantPrideco 公（gōng）司和（hé）RTI 能源係統（tǒng）公司共同生產和供應的鈦鑽探管還配有GrantPrideco 抗疲勞公司（sī）提供的鋼工具接頭。這種（zhǒng）接頭的重量輕、使用靈活性好，且可以使鈦（tài）鑽探管堅固結實。

海水（shuǐ）管道係統是海底石油開采不可缺少的部分， 由於鈦對海水具有很高的耐蝕性， 其使用壽命為鋼係的10 倍，因此， 鈦管係的成本與（yǔ）Cu-Ni 係（xì）統相比是合算的（de）。美國活性金屬公司與（yǔ）精密管技術公（gōng）司合辦了一個鈦管技術公司， 生產一種大口徑鈦合金管。這種管子（zǐ）所使用的合金是Ti-3Al-2.5V 合金， 口徑為650mm, 壁厚為（wéi）22 ～ 25mm, 長度為350m, 一根管子重（chóng）達80 ～ 90t, 計劃用於海底（dǐ）石油開采。美國另一家公（gōng）司（sī）利用長度為15m、外徑為600mm、壁（bì）厚為25mm 的無縫（féng）鈦合金管通過擠壓方法（fǎ）製成了（le）近500m 長的豎井管， 已經用於一個近海鑽（zuàn）井平台。據稱， 這種豎井管的重量（liàng）可以減輕一半， 從而大大降低壓載成本， 另外， 還具有很高的斷（duàn）裂韌性和較長的疲勞壽命。

據資料報道， 在美國（guó）北海油田開發項目中， 船上（shàng）浮體裝置和海底固定裝置的用鈦量比以前有所增加。24 台（tái）船上浮體裝置和64 台海底固定裝置對鈦材的需求量為：安全保護裝置50 ～ 100t,連接裝置50 ～ 100t, 通用升降設備400 ～ 1000t, 鑽杆1400 ～ 4200t。海上石油開（kāi）采平台（tái）生物汙染引起的結構件腐蝕是相當嚴重的， 美國一家（jiā）公司在開采平台上使用了鈦管製成的長套管， 對平台上的部位進行保護。

在（zài）過去幾年裏， 鈦合金部件在石油鑽探和海濱生產作業中的應用明顯增（zēng）加。鈦合金部件使得石油鑽探可以進入更深的水域和（hé）更深的油井， 包括（kuò）更高的溫度和腐蝕嚴重（ 即多鹽） 的生產環（huán）境。

對於這類應用， 從綜合性能來考慮，TC4 鈦棒（Ti-6Al-4V） 基合金是最適用的， 且成本最（zuì）低。海水管道係統（tǒng）是海底石油開采不可缺少的部分， 由（yóu）於（yú）鈦對海水具有很高的耐蝕性， 其使用壽命為鋼係的10 倍， 因（yīn）此， 鈦管（guǎn）係的成本與Cu-Ni 係統相比是合算的。美國活性金屬公司與精密管（guǎn）技術公司合辦（bàn）了一個鈦管技術（shù）公司， 生產一種大口徑鈦（tài）合金管。這種管子所使用（yòng）的合金是TA18（Ti-3Al-2.5V） 合金， 口徑為650mm, 壁厚為22 ～ 25mm, 長度為350m, 一根管子重達（dá）80 ～ 90t, 計劃用於海（hǎi）底石油開采。美國另一（yī）家公司利用長度為15m、外徑為600mm、壁厚（hòu）為25mm 的無縫鈦合金管通過擠壓方法製成（chéng）了近500m 長的（de）豎井管， 已經用於一個近海鑽井平（píng）台。據稱， 這種豎井管的重量可以減輕一半（bàn）， 從而大大（dà）降低壓載成本（běn）， 另外， 還具有很高的斷裂韌性和較長的疲勞壽（shòu）命。

實踐證明，Ti-6Al-4V（Gr.5_TC4） 合金是鑽井管（guǎn）的最佳材料（liào）， 作為鑽井應用，屈服強度和疲勞強度是最重要的， 因此，兩種特別低間隙元素（sù）的Gr.5 合金適用（yòng）於比較關鍵（jiàn）的（de）動態提升裝置。當使用溫度超過75 ～ 80℃時， 為了防止縫隙腐蝕或應力腐蝕， 使用含釕的Gr29 合金。

最（zuì）常用的部件包括（kuò）海濱（bīn）鑽（zuàn）井（jǐng）提升（shēng）裝置、鑽探管、錐形應力接頭（TSJ） 和鈦/ 鋼（gāng）混合提升裝置。

鈦泵、閥、接頭、緊固件、夾具和零配件等小型鈦部件在石油開采平台上已經廣泛使用。國外海上石油勘探測井儀器外殼上也（yě）大量使用了鈦合金。

2.2 海港建築

鈦材表麵有一層厚度不超過10nm的氧化膜（mó）， 它在腐（fǔ）蝕環境中非常穩定（dìng），對空氣、海（hǎi）水及海洋環（huán）境具有優異的耐蝕性， 是目前最能適應（yīng）各種海洋環境的原（yuán）材料。日本大力進（jìn）行海洋開發， 如本洲到四國的大橋、東京灣橫跨道路、關西機場、浮式儲油基地等。日本建設省和鋼鐵俱（jù）樂部在大井川洋麵進行的（de）暴露（lù）試驗以及運輸省和鋼管樁（zhuāng）協（xié）會（huì）在波崎漂沙棧橋上的各種防腐暴露試驗等的調查報告也都顯示了鈦是最合適的材料。鈦除了具有（yǒu）優異的防腐（fǔ）性能外， 還具有海水環境下溶出離子極少， 無毒（dú）性， 不必擔心汙（wū）染環境等優點。日本還（hái）建造了（le）一個超大型浮（fú）式海洋建築物， 在海水衝刷處使用了（le）鈦鋼複合材；在東京灣橫跨公路的建設中使用了鈦材做橋墩的防濺軀（qū）幹， 每個橋墩的用鈦量為0.9t。已（yǐ）經使用（yòng）或計劃中的大型浮式海洋建築有機（jī）場、港灣物流基（jī）地、體育設（shè）施等等。

2.3 沿海發電站

海水的綜合利用是海洋工（gōng）程中的重要項目之一， 沿海發電站凝汽器（qì）是利用海水量較大的設備。沿海電站用鈦主要是凝汽器用鈦。由於冷凝器是用海水做冷（lěng）卻水的， 而海水中含有大量的泥砂、懸浮物質、海生物和各種腐蝕性物質，在海水與河水交替（tì）變化的淡鹽水中（zhōng）的情況更（gèng）為嚴重。傳統的凝汽器是用（yòng）銅合金管， 這種銅（tóng）合金管在海水中（zhōng）因各種腐蝕， 經常遭到嚴重破壞。鈦在海水， 特別是汙染海水中（zhōng）具有良好的耐蝕性， 耐海水（shuǐ）的高速衝刷腐蝕性能尤為突出。

2.4 海水淡化裝置

“水是（shì）生（shēng）命之源”。目（mù）前， 水資源缺（quē）乏成為困擾全世界的問題。世界（jiè）上（shàng）約25% 的人口沒有（yǒu）充足的飲用水資源（yuán）。世界上的陸地河流、地下水資源已遠遠滿足不了工業發展的需要， 因此， 將來海（hǎi）水淡化將（jiāng）是人類解決淡水資源的有效的方法。

從國內外海水（shuǐ）淡化的發展來看， 主要由（yóu）兩種（zhǒng）方法：蒸餾法（fǎ）和反滲透法。前者是將海水加熱使其汽（qì）化， 然後將蒸汽冷凝而獲得淡水（shuǐ）。後（hòu）者是將海水加壓（yā），使（shǐ）其中的淡水透過一種特（tè）殊的膜而將鹽分截留獲得淡水（shuǐ）。早期的海水淡化（huà）裝置（zhì）使用（yòng）銅合金、碳素鋼等材料， 因這些材料不耐海水腐蝕， 生產（chǎn）效率低（dī）， 很快被耐（nài）海（hǎi）水腐蝕（shí）性能優（yōu）異的鈦所代替。在海水淡化中， 鈦的主要應用是淡化（huà）裝置的加熱器傳熱管。海水（shuǐ）淡化裝置的主要生產國是美國和日本。到2004 年， 全世界已（yǐ）建和（hé）在建海（hǎi）水淡化裝置已有15000多台， 日產淡（dàn）水約（yuē）3200 萬（wàn）噸。日本公（gōng）司為沙特建（jiàn）造日產淡水3 萬噸的蒸餾法裝（zhuāng）置10 台（tái）， 用鈦管3200 噸， 平均日產1 萬噸的裝置， 需用鈦107 噸。

我國的天津、山（shān）東等地（dì）均建有（yǒu）或在建海水淡化裝置。如天津市海水（shuǐ）淡化的初步規劃是（shì）到2007 年日產淡水量（liàng）達50萬噸， 到2010 年達到70 萬噸。預計天津和山東的（de）海水淡化工程用鈦量大約是250 噸。

2.5 船舶

鈦及（jí）其合金在海水及（jí）海洋氣氛中耐腐蝕， 且比重輕、強度高、抗衝擊、無（wú）磁、透聲、膨（péng）脹係數小， 被認為是良好的船舶材料。近年來， 鈦在船舶上的（de）應用（yòng）備受人們的關注。各國海軍和船舶工業對鈦在船舶上的應用研究也十分重視， 研製出了許多（duō）牌（pái）號（hào）的船用鈦合（hé）金。鈦及其合金（jīn）在船舶（bó）中的應用十（shí）分廣泛（fàn）， 如船體結構件、深海調查船及（jí）潛艇耐壓殼體、管道、閥、船舵、軸托架（jià）、配件、動力驅動（dòng）裝置中的推進器和推進器軸、熱交換器、冷卻器（qì）、船殼聲呐導流（liú）罩等等。

鈦在艦船殼體上首次應用是前蘇聯的α 級潛水艇。隨後， 鈦（tài）被用於人工或者無（wú）人（rén）駕駛的深海研究及深海援助潛水（shuǐ）艇。一（yī）般的結構件用工業純鈦， 壓力容器用Ti-6Al-4V 合金。據（jù）資料報道，船體結構（gòu）用鈦不但可以減輕船體自身重量（liàng）， 增加有（yǒu）效載入（rù）重量， 而且可以減少維（wéi）護、延長船舶（bó）的使用壽命。鋁合金、軟鋼等船體結構材（cái）， 一般10 年就要維護， 而鈦材幾乎不需要（yào）維護修理， 壽命（mìng）也可從一般的20 年左右延長到30 ～ 40年。

日本在（zài）深海調查（chá）船用（yòng）鈦合金方麵的研（yán）究卓有成效， 在“深海6500”可（kě）容納（nà）3 名操作（zuò）員的耐壓倉（cāng）中幾乎全部都使用了鈦合金材料。這（zhè）是三菱重工業神戶造船廠長時間努力的結果。潛艇用鈦（tài）量較大， 如一艘下潛深度900m 的核潛（qián）艇（tǐng）的（de）用鈦量高（gāo）達3500t。

2.6 海洋漁業

據報道， 日本漁業已經由撈魚向（xiàng）魚類養殖業轉變， 獅魚、比目魚、鰻魚等已實現人工養（yǎng）殖。在人工養殖技術中，大量（liàng）使用（yòng）了鈦金屬網和維持一定海水溫度的（de）鈦（tài）管式熱交換器。我國福建沿海一帶地區實現了人工養殖（zhí）石斑魚（yú）， 所用的鈦（tài）板（bǎn）式養殖筐（kuāng）對養殖石斑魚帶來了極好的效益。

2.7 海洋熱能轉換（huàn）

海洋中蘊藏著巨大的能量， 如潮（cháo）汐能（néng）、波浪能、溫差能、海流能（néng）和鹽差能（néng）等等。隨著世界能（néng）源（yuán）的日益緊缺， 人（rén）們（men）對海洋（yáng）能源進（jìn）行開發和利用的興（xìng）趣會更大。已研究和開發（fā）了溫差（chà）發電（diàn）和潮汐發電項目（mù）。溫差發電的原（yuán）理是利（lì）用海（hǎi）洋表麵溫度較高（gāo）的海水將氨或者氟裏昂汽（qì）化來驅動渦輪機轉動發（fā）電， 再用海洋深（shēn）層的低溫海水將汽化（huà）的氨或（huò）者（zhě）氟裏昂冷卻， 構成一個不斷循環的熱機係統。

溫差發電的主要設備是蒸發器、凝縮（suō）器及海水吸管、環路等， 要求設備（bèi）不僅要（yào）耐腐蝕， 而且還要耐氨（ān）和氟的腐蝕（shí）， 鈦及其合（hé）金不但具有良好的耐海水腐（fǔ）蝕性能， 而且還耐氨和氟的腐蝕， 所以（yǐ）鈦是最（zuì）理想（xiǎng）的材（cái）料。

美國、日本的溫差發電站上都使用了鈦管式蒸發（fā）器和（hé）凝縮器， 取得了良好的（de）效（xiào）果。

㈢、前景展望

海洋工程（chéng）作為新興的鈦的民用市場， 近年來發展很快。隨著世界能源危機的進一步（bù）加劇， 世界各國將投入大量的人力和物力開采（cǎi）海底（dǐ）石油資源和其它礦物資源（yuán）；全球（qiú）性（xìng）淡水日益缺乏的趨勢中， 各個沿海國家都將利用海（hǎi）水來製取淡水；況且， 各軍事大國的海軍（jun1）裝（zhuāng）備競爭日益激（jī）烈等等（děng）， 這些都離不開鈦及鈦合金材料。因此， 鈦及其合金在海洋工程上的應用會越來（lái）越廣泛。預計海（hǎi）洋工程用鈦有望成（chéng）為鈦材的一個較大的應用市（shì）場（chǎng）。

二（èr）、鈦合金民用健康產品市場情況

1、目前市場情況

目前，國（guó）內外餐具、炊具材料（liào）廣泛使用的是鐵、鋁、不鏽鋼這些材料，在使用（yòng）中對人體都或多或少會產生（shēng）一些不（bú）利（lì）於健康的（de）因素：

①鐵（tiě）鍋：到了菜裏的（de）鐵，是三價鐵，人體是不能吸收，人體隻能吸收二價鐵。

②鋁鍋：在高溫酸、堿條件下會有鋁溶出，引發鋁中毒，是不（bú）安全的。國際衛生組織明文禁止鋁鍋接觸含（hán）有鹽類的食品使用。

③不粘鍋：大部分是采用（yòng）“特富龍（lóng）”

塗料（liào），美國政府指控它是致癌物（wù）質。特（tè）富龍在高溫下，會釋放出十幾種有害氣體（tǐ），導致一些呼吸道敏感的（de）動物死亡。

但這些（xiē）氣（qì）體對人體（tǐ）的毒害作用還沒有（yǒu）確定。

④搪瓷餐具（jù）：塗在搪瓷製品外層的實際上是一層琺琅質，含有矽酸鋁一類（lèi）物質。因為翻炒的碰撞摩擦，極易造成（chéng）破損，使矽酸鋁一類物質便會轉移到食物中去。

⑤陶鍋、砂鍋：潛在危害主要有兩方麵：一是土砂鍋的（de）釉（yòu）質，二是“偽紫砂”。“偽紫砂”添加鐵紅粉、二氧化錳等化學顏料配製加工而成，用化工製劑進行增色製（zhì）造而成，而非真正紫砂。

2、鈦健康產品優勢

鈦健康產品的（de）優勢（shì）是在鈦金屬表麵生有一層牢固的（de）氧化（huà）鈦化合物薄膜，化學性質極其穩定，甚至酸中的“王水”都奈何不了它。鈦鍋在烹飪時不與食材發生化學反應。所以能烹飪出食材（cái）的原汁原味，純（chún）鈦鍋是唯一可以用來煎中藥的金（jīn）屬鍋（guō）。

在美國和日本，人們稱鈦鍋是美味鍋（guō），原汁原味（wèi）的美（měi）味就是健康元素。

鈦鍋的（de）熱功（gōng）能優異（yì）：能低溫、快速、低油脂的烹飪出綠色佳肴，最大限度的（de）保留食材的營養成分和口感。高營養的綠色食品是健康元素。

鈦製餐具、炊（chuī）具的使用優勢體現在以下幾個方麵：

⑴強防腐蝕性（xìng）：比不鏽鋼（gāng）更耐腐蝕，即使盛裝腐蝕性最強的（de）“王水”（濃硫酸與濃硝酸的混合物）也毫無鏽跡，長時間烹煮和存放酸性和堿性的食物也（yě）不會產生金（jīn）屬異味，還可以（yǐ）用（yòng）來煲中藥（yào）。

其它（tā）金屬（shǔ）的鍋具無法做到這一點。

⑵高硬度：比不（bú）鏽（xiù）鋼的硬度（dù）高很多，耐磨、耐刮，半永久使用。

⑶重量（liàng）輕：太太使用很輕鬆，重量隻有鐵鍋的一半，使用輕便。

⑷無需保養（yǎng）：丈夫（fū）使用很放心 高溫燒不壞，摔不壞，無需保養。

⑸抗菌（jun1）性：具有天（tiān）然的光觸媒抗菌效果，在自然光線下具有天然的抗菌作用，衛生、無細菌汙染（rǎn）。

⑹不粘效果：良（liáng）好的不（bú）粘效果，和鐵鍋相當，但不能完全不粘。

⑺節能：省時節能，傳熱速度是鐵（tiě）鍋的7 倍，是複合底鋼鍋（guō）和合金鍋（guō）的數十倍，炒菜節省能源。

⑻生物親合性：是人體親和金屬長時間接觸也不會過敏，醫療上已取代不鏽鋼作為“人骨”植入人體內。

⑼使用範圍：可以使用火爐和（hé）陶磁爐⑽健（jiàn）康性：99.75％高純度的鈦金屬（shǔ）製成無塗層（céng），是最健康安全（quán）的金屬鍋具。

⑾表麵不粘性：電解（jiě）研磨更加全麵徹底，不存在機械拋光遺留的（de）有害粉塵顆粒，電解（jiě）研磨的鈦鍋呈現細微的凹凸表麵，可以提升傳熱速度（dù）和不粘性。

⑿眾人（rén）眼中的形象：在公眾眼中鈦（tài）是用來（lái）做航天（tiān）飛（fēi）機、核反（fǎn）應堆、首飾、眼睛架高爾夫（fū）球棍等奢侈品。

鈦金（jīn）屬擁有這樣絕佳的特性，同時鈦也是非常難以加工的金屬。對（duì）鈦加工技（jì）術（shù）和加工手段的了解和認識製約了相關企業進入這一領域，到目前，國內鈦製餐具、炊具還是一塊處女地，正在等待有識之（zhī）士的開發。本項目技術生產的（de）鈦製餐具、炊具克服了純鈦金屬（shǔ）難展現藝術性的難度和美感的（de）刻（kè）板印象，並有著（zhe）鮮豔的顏色， 讓（ràng）科技（jì）與生活工藝（yì）完美結合。使千家萬戶真正體會到（dào）“要健康，用鈦鍋！”

三、鈦合金建（jiàn）築裝飾材料應用介紹

金屬材料用於建築，特別是屋頂，首先應用的是銅，依次開發使（shǐ）用的是表麵處理過的鋼板、鋁、不鏽鋼（gāng）和鈦。隨著國民經濟的持（chí）續發展（zhǎn）和人民生活水平的不斷提高（gāo），人們對城市建築物的（de）要（yào）求，特別（bié）對建築物的美觀性（xìng）要求越來越高。

近年來（lái）建築師追求使用比傳統材料更（gèng）高級的新型建築材料。鈦金屬具有許多非常優異性能，完全滿足對建築材料的許多特殊性能要求，因而倍受建築師和建築業的青睞。

日本是首先將鈦應用於建築物的國家，也是（shì）在建築物上應用鈦最多的國家。

其主要是應用（yòng）於建築物的屋頂，以及大廈（xià）幕牆、港（gǎng）口、橋梁、隧道、外壁、門牌、欄杆、管道等。英國、法國、美國、西班牙、荷（hé）蘭、加拿大、比利時、瑞士均有建築物使用鈦（tài）金（jīn）屬作（zuò）屋頂和幕牆（qiáng）的範例，瑞典（diǎn）、新加坡和埃及等國家也在（zài）一些新建築上開始（shǐ）使用鈦金屬。1997 年西班牙（yá）畢爾巴鄂市的古根海姆博物館就是采用鈦金屬板構（gòu）造出去曲麵（miàn）的（de）建築造型。阿布紮比（bǐ）機場也選（xuǎn）用了鈦（tài），且用量幾百（bǎi）噸，該機場是世界上第一將鈦作為建築結構（gòu）材料使用的機場（chǎng）。

我國（guó）最先（xiān）提（tí）出應用鈦金屬的建（jiàn）築是國家大劇院，最先應用的是杭州大（dà）劇院。

應（yīng）用鈦金屬的建築還有中（zhōng）國有色工程設計（jì）研究總（zǒng）院大門廳、杭州臨平東來（lái）第一閣、上海馬戲雜技場屋頂和大連聖亞極地世界等。用於城市雕塑的有陝（shǎn）西省寶雞（jī）市河濱公園內的鈦雕塑“海豚與人”、河北省邢台市中心（xīn）廣場的鈦雕塑“乾坤球”、陝西省寶雞市步行街的鈦（tài）雕塑“雄雞報曉”等。

我（wǒ）國鈦金屬生產技術基本成熟，生產設計（jì）規模很大，但銷售市場不大，經濟效益不理想，主（zhǔ）要是缺少客戶滿意的技術經濟性能好的產品。我國目前的建築用鈦現狀如下：

1、產品單一：作為結構材料，沒有足夠的品種（zhǒng）以供使用（yòng）者選擇。作為表（biǎo）麵裝飾材料，目前我國沒有形成較大的鈦（tài）表麵處理規模（mó）生產企業，加工還停留在手工作坊生產方式階段，這（zhè）不利於大麵積使用（yòng）鈦作為裝飾用材（cái）。

2、品位低：沒有較高品質（zhì）的產品，更沒有鈦及相關複合材（cái）料的大量供（gòng）應，隻（zhī）能生產一些模型、城雕、工藝（yì）品等，沒有品位較高（gāo）的表麵裝飾材料（liào）及其生產手段。

3、價格高：由（yóu）於沒有穩定的高品質的產品，不可能（néng）有大麵積（jī）的廣泛應用，導致使用量小、價格高，更不利（lì）於（yú）推廣使用。

4、設計者因素：我國沒有（yǒu）類似職業培訓製度，新材料發明（míng）後沒有在建築設（shè）計師思維中儲存下來，導致在建築原（yuán）創設（shè）計圖很少把鈦金屬設計進去（qù），用途就顯（xiǎn）然少了。

近年來隨著全球海洋化的進（jìn）展（zhǎn）以及鈦原材料價格不斷下跌，鈦在建築、裝飾領域（yù）的需求量和（hé）應用（yòng）範圍正（zhèng）在不（bú）斷拓展，預計（jì）今（jīn）後幾年在建（jiàn）築、裝飾行業鈦材需求量將達5000 噸以上，海洋工程和海島建設鈦材需求量將達5000 噸以上，造船工業用鈦量將達5000 噸以上。

而我國現在還沒有一家專業從（cóng）事建築裝飾用鈦材生產企業，隻是將工業用材料簡（jiǎn）單的應用於民（mín）用領域（yù），與市場和行業需求差距較大，急需（xū）建立專業化生產線，滿足這一領域的各項專業化需（xū）求。

鈦是目前能大量生產的、價格最低的、幾乎完全不被海水腐蝕的金屬。作為建築材料，鈦材的（de）反射率較小，並呈現淡銀灰色（sè），擁（yōng）有迷人的金屬自然光澤。

寶雞鈦產業研究院將生產建築裝飾用鈦材，主要是應用於建築物的屋（wū）頂，其次（cì）是大廈的幕牆、港灣設施、橋梁、海（hǎi）底隧道、外壁、裝飾物、小配件類、立柱（zhù）裝飾（shì）、外裝、紀念碑、標牌、門牌、欄杆、管（guǎn）道、防蝕被覆等。項目利用國內現有（yǒu）鈦板、鈦卷帶為原料，采用整形拋光、壓花（huā）技術，使板材表（biǎo）麵光亮（liàng），色澤一致（zhì）並具有金屬（shǔ）花紋；采用大麵積板（bǎn）材陽極氧化著色技術，為板材（cái）表麵著色（sè），形成多彩顏色，滿足建築、裝飾類（lèi）材料的需求。

四、航空用鈦合金研究進展

鈦元素分布比較廣泛（fàn），其含量超過地殼質量的0.4%，全球探明儲量約34 億噸，在所有元素中含量居第10 位（wèi）（氧、矽、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂、氫、鈦）。

美國科學家在1910 年（nián）采用“鈉法”（鈉還（hái）原TiCl4）最早獲得金屬（shǔ）鈦，但是鈦工業並沒有隨著鈦的（de）發現立即得以發展。

直到第二次世界大戰（zhàn）後的（de）1948 年，盧森堡科學家發明的（de）“鎂法”（鎂還原TiCl4）在美國用於生（shēng）產之後鈦工業才開（kāi）始起步。

鈦比鋼密度（dù）小40%，而（ér）鈦的強（qiáng）度和鋼的相當，這可以（yǐ）提高結構效率。同時，鈦的耐熱性、耐（nài）蝕性、彈性、抗彈性和成形加工性良好。由於鈦具備上述特性，從一出現鈦合金（jīn）就應用於航空工（gōng）業。1953 年（nián），美國道格拉斯公司出產（chǎn）的DC-T 機發動機防火壁和短艙上首次使用鈦材，開始鈦合金應用於航空的曆史。

航天飛機是最主要（yào）的、應用範圍最廣（guǎng）的（de）航空器（qì）。鈦是飛機（jī）的主要結構材料，也是航空發動機風扇、壓氣機輪盤和葉片等重要構件的首選材料，被譽為“太空金屬”。飛（fēi）機越先進，鈦用量越多，如美國 F22 第四代機用鈦含量為41%（質量分數），其F119 發動機用鈦含量（liàng）為（wéi）39%，是目前用鈦含量最高的飛機。鈦合金研究起源於航空，航空工業的發展也促進了鈦合金的發（fā）展。航空（kōng）用鈦合金的研究一直是鈦合金領（lǐng）域（yù）中最重要、最活躍的一個分支，但其發展（zhǎn）也極其艱辛，如人們花費十幾年的精（jīng）力（lì）克服航空發動機用鈦合金的“熱障”問題。

本文（wén）從合（hé）金基體相組成角度（dù）對鈦合金進行（háng）歸（guī）類。以飛機為航空器的代表，著重介紹鈦合金在航空發動機、飛機機身、航空緊固件等方麵的應用研究情況。最後，分析航空用鈦合金發展過程中存在的問題。

1 鈦合金的分類（lèi）

美、英、俄、法、日等國鈦合金的分類多為廠家自定，名目繁多。某些公司直接采用（yòng）元素的化（huà）學符號和數字代替所加合金（jīn）元素及其含（hán）量命名，如Ti-6Al-4V（相（xiàng）當（dāng）於我（wǒ）國的TC4），各國牌號對照及化學（xué）成分如表1 所列 。按相組成鈦（tài）合金可分為：密排六方結構（HCP）的α 型鈦合金（jīn）（包括近α 型合金）—即國內牌號（hào）TA、兩相混合的α+β 型鈦合金—即國內牌（pái）號 TC 和體心（xīn）立方結構（BCC）的β 型鈦合金（包括近β型合金）—即國內牌號為 TB 。

1.1 α 型（xíng）鈦合金

退火狀態以α 鈦為基體的單相固溶（róng）體合金為α 型鈦合金， 它主要含Al、Sn 等元素。Al 能增加合（hé）金的抗拉和蠕變強度，減小鈦合金的密度，提高比強度，是鈦合金中（zhōng）重要的合金元素。為了最大限度地發揮鋁的固溶強（qiáng）化作用，避免因過量Al 引起合金脆化，高（gāo）溫鈦合（hé）金的合金化工作應（yīng）遵循ROSENBERG 提出的當量經驗公式，隻有這樣（yàng）才能保證合金在提（tí）高耐熱強度的同（tóng）時（shí）保（bǎo）持良好（hǎo）的熱穩定性。α 鈦（tài）合（hé）金中的這些元素（sù）通過在相變溫度下抑製相（xiàng）變或者（zhě）提高相變（biàn）溫（wēn）度而起到（dào）穩定作用（yòng）。與β 型（xíng）鈦合金（jīn）相比，α 型（xíng）合金具有良（liáng）好的抗蠕變性能，強度、可焊性以及（jí）韌性，是（shì）高溫下使用的首選合金 。同時（shí），α 型合金不存在（zài）冷脆性，它也適合在低溫環境中使用，擴大了（le）其（qí）應用範圍。α 型合金鍛造性較（jiào）差，容易產生鍛造缺陷，可通過減少每道次加工率（lǜ）和（hé）頻繁熱處理來（lái）控製鍛（duàn）造缺陷。α 基體為穩定相，對於給定成分合金而（ér）言，其性能變化主要是晶粒大小的變化 ，因（yīn）為（wéi）屈服強（qiáng）度和（hé）抗蠕變強（qiáng）度均與晶（jīng）粒大小、變形時儲存的能量有關。α 型（xíng）鈦合金不能通過熱處理來提高強度，退火後強度基本無變（biàn）化或少有變化。有（yǒu）些合（hé）金含有較多的 Al、Sn、Zr 及少量的β 穩定元素（一般小（xiǎo）於2%）。盡（jìn）管這些合金中含有（yǒu）β 相，但基體主要由α 相組（zǔ）成，在熱處理敏感性和加工（gōng）性能上都與α 型合金很接近，被稱為近α 型鈦合金。近α 型合金是在人們認識到（dào）采用固溶合金元素強化α 基體可以得到高的蠕變強度基礎上開發的（de），大多數近α型（xíng）合金因（yīn）具有較好的熱穩定（dìng）性，現在已成為高溫鈦合（hé）金的重要合金（jīn）種類。它的強化機製是β 相中原子擴散（sàn）快，易（yì）於（yú）發生蠕變，β 穩定元素（sù）還有抑製α 相脆化的作用（即延緩α 中形成有序相的過程）。

常見的α 型鈦合金（包括近α 型合金） 有Ti811（Ti-8Al-1Mo-1V）、Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V、Ti-679（Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.25Si）、BT18（Ti-7.7Al-11Zr-0.6Mo-1Nb-0.3Si） 和Ti6242S（Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si）等，其（qí）成（chéng）分和性能如表2所（suǒ）列。

1.2 α+β 型鈦合金

為提高鈦（tài）合金的強度和韌性，人們研製出（chū）α+β 型鈦合金（jīn）。與其（qí）他鈦合金相比，α+β 合金中（zhōng）同時加（jiā）入α 穩定元素和β 穩定元素，使α 和β 相得到強化。α+β 合金具有優良（liáng）的綜合性能，如其室溫強度高於α 合金的，熱加工工藝性能良好，可以進行熱處理強化，因此適用於航空（kōng）結構件。α+β 型鈦合金退火組織（zhī）為α+β 相，β 相含量（liàng）一般為5%~40%。但（dàn）其組（zǔ）織不夠穩定，使用溫度最高隻能到（dào）500℃，焊接性能和耐（nài）熱性低於α 型鈦合金。

α+β 型鈦合金主要有TC4（Ti-6 A l - 4 V ） 、T C 6 （ T i - 6 A l - 1 . 5 C r -2.5Mo-0.5Fe-0.3Si）、TC11（Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si）、TC17（Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr）、TC19（Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo）和TC21（Ti-6.2Al-2.8Mo-2Nb-2Sn-2.1Zr-1.3Cr）等。其中（zhōng）TC11 合金也被稱為近β 合金。

ZHOU 提出了一種TC11 合金加工工藝，先將合金在低於（yú）β- 轉變溫度15°下進行熱處理，隨（suí）後（hòu）快速水冷（lěng），再經過（guò）高溫和低溫增韌強化（huà）熱處理，獲得一種新的顯微組（zǔ）織。這種新組（zǔ）織基體由15%等軸α 晶粒、50%~60% 層狀α 晶粒和（hé）已轉變完成的β 晶粒組成。其研究結果顯示該合（hé）金表現出較高的抗疲勞性能，較長的蠕變疲勞壽命，高韌性（xìng）和優良（liáng）的高溫服役性能，並且不降低塑性和熱穩定性。

並且對該新工藝和強韌化機理的實驗（yàn）原（yuán）理進行了討論。該加工工藝實際應用的關鍵問題就是對溫度的準確控製（zhì）。

這種TC11 鈦合金加工工藝已應用於生產可靠的航空發動機壓氣機盤、旋轉子和其他部件。

1.3 β 型鈦合金

β 穩定元素（sù）含量足夠高，且固溶處理後快速冷卻β 相保留至室溫得（dé）到的（de）合金稱為（wéi）β 型鈦合金。按（àn）照（zhào）穩定狀態（tài）組織（zhī）類型分類，β 鈦合金可分為穩定型β 鈦合金，亞穩型（xíng）β 鈦合金，如圖1所示。在（zài）圖（tú）1 中，MS 為馬氏體相（xiàng）變溫度線，βC 為亞穩型合金的β 穩定元素最低含量，βS 為穩定型（xíng）合金β 穩定（dìng）元素最低含量。

圖1 β穩定劑含量和（hé）鈦合（hé）金相組成的關係

β 合金在（zài）固溶狀態（tài）下冷成形性能良好，而且（qiě）淬透性和熱處理響應性也優良（liáng）。

常用的熱處理（lǐ）方法是先固溶處理，然後（hòu）在 450~650℃時效，合金原β 基體上會析出細小的α 相，形成彌散分布的第二相，這就是β 合金的強化機理。由於β 鈦合金比（bǐ）其他類（lèi）型鈦合金在時效時析出更多的α 相，含有更多的α-β相界麵阻礙位錯運動 ，因此β 鈦合（hé）金的室溫強度最高。

金屬材料在變形和斷裂（liè）過程中吸收能量（liàng）的能力稱為韌性，材料吸收的能量（liàng）越多，韌性也就越（yuè）好。斷裂韌性是表示材料（liào）韌性的指標，反映材（cái）料對裂紋和其他尖銳缺陷擴（kuò）展的抵抗能力。通常（cháng）來說，鈦合金的斷裂韌（rèn）性和強度呈反比（bǐ）趨勢，即強度提高的同時斷（duàn）裂韌性下降。研究β 鈦合金在航空航天工業（yè）的應用，需要設計同時具備良好強度和斷裂韌性的（de）顯微組織以及加工工藝和熱處理製度。合金成分和顯微（wēi）組織是決定β 鈦合（hé）金斷（duàn）裂韌性的兩個主要因素。合金成分決定合金中β 相的數量，也決（jué）定（dìng）合金的類型和斷裂韌性（xìng）。顯（xiǎn）微組織的形態、數量、體積同樣影響（xiǎng）合金（jīn）斷裂韌性的高低。付豔豔等認為β 鈦合金的β 穩定（dìng）元素和中（zhōng）型元素Zr 可以提高合金的強度，降（jiàng）低斷裂韌性。細小的β 晶粒並不能有效提高時（shí）效態β 鈦合金的強度，會降低Ti-15-3 合金的（de）斷裂韌性，但對β-C和Ti-1023 合金（jīn）的（de）斷裂韌性無明顯影響。

時效態（tài）β 鈦（tài）合金的強度主要（yào）取決於時效析出的次生α 相的含量和尺（chǐ）寸，在含有同樣初生α 相（xiàng）的情（qíng）況下，細小的次生α 相可以顯著提高合金的（de）強度。

初生α 相（xiàng）的粗化以及初生相從球狀轉變為片狀會導致β 鈦合金塑性降低，斷裂韌性提高。β 鈦合金的雙態組織具有良好的強度、塑性和韌性的匹配。

β 鈦合金之（zhī）所以得（dé）到廣泛的應用（yòng），也是因為（wéi）其（qí）時效後具有其他類（lèi）型的鈦合金無法比擬（nǐ）的高強度和高塑性（xìng）優勢。同時，β 鈦（tài）合金所具有（yǒu）的（de）可熱處理強化性和深淬（cuì）透能力使得它逐漸代替α+β兩相鈦合金成為用於飛機機身和機（jī）翼的首（shǒu）選結構材料，在（zài）航空航天工業中發揮（huī）著越來（lái）越重要的作用。

2 航空用鈦合金的發展（zhǎn）及應用

20 世紀50 年代（dài），軍用飛機進入超音速時代，原有（yǒu）的鋁、鋼結構已經不能滿足新的需求，鈦合金恰恰在這個（gè）時候進入了（le）工（gōng）業性發展階段。鈦合金因密度小、比強度高、耐蝕、耐高溫、無磁、可（kě）焊、使用溫度範圍寬（kuān）（269~600℃）等優異性能（néng），而且能夠進行各（gè）種零件（jiàn）成形、焊接和機械加工，在航空（kōng）領域很快得到（dào）廣（guǎng）泛應用。20 世紀50 年代初期的軍用飛機上開始使用工業純鈦（tài）製造（zào）後機身的（de）隔熱板、機（jī）尾（wěi）罩、減速板等受力較小的結構件（jiàn）。20 世紀60 年代，鈦合（hé）金進一步應用到飛（fēi）機襟翼滑軋、承力隔框、中翼盒形梁、起落架梁等主要受力結構件中。到20 世紀70 年代，鈦合金在飛機結構上的應用，又從戰鬥機擴大（dà）到（dào）軍用大型轟（hōng）炸機（jī）和運輸機（jī），而且在民用飛機上也開始（shǐ）大量采用鈦合金結構。

進入20 世紀80 年代後，民用飛機用（yòng）鈦逐步增加，並（bìng）已超過軍用飛機用鈦。飛機越先進，鈦用量越多。表3~5 所（suǒ）列分別為美國第3 代、第4 代戰鬥機及先進轟炸機、運輸機用鈦材的質量分數 、一般飛機（jī）使用的鈦合金種類和空客飛機鈦合金和複（fù）合材料的用量。由表（biǎo）5 可知，空（kōng）客A380 飛機上的鈦材使用量（liàng）已達10%，鈦材已經成為（wéi）現代飛機不可缺（quē）少的結構材料。根據用途不同（tóng），可將航空用鈦合金分為飛機發動機用（yòng）鈦合（hé）金、飛（fēi）機機身用鈦合金和航空緊固件用鈦合金。近（jìn）年來，人們對航空用鈦（tài）合金在上（shàng）述 3 個方麵的應用進行了深入研究（jiū）。

2.1 航空發動機用（yòng）鈦合金

發動機是飛機的心髒。發動機的風扇（shàn）、高壓壓氣機盤件和（hé）葉片等轉（zhuǎn）動（dòng）部件，不僅要承受很大的應力，而且要有一定的耐熱性。這樣的工（gōng）況條件對鋁來說溫度太高；對鋼來說密度太大。鈦（tài）是最佳的選擇，鈦在300~650℃溫（wēn）度（dù）下具有良好的抗高溫強度、抗蠕變性和抗氧化（huà）性能（néng）。同時，發動機的一個重要性能指標是推重比，即發動機產生的推（tuī）力（lì）與其質量之比。最早發動機的推重比為（wéi）2~3，現在能夠達到10。推重（chóng）比越高（gāo），發（fā）動機性能（néng）越好（hǎo）。使用鈦合金替代原鎳基高溫合金可使發動機的質量降低，大大提高飛機發動機的推重比。鈦在飛機發動機（jī）上的用量越來越多。在國外先進航空發動機中，高溫鈦合金用量已占發動機總質量的25%~40%，如第3 代發（fā）動機F100 的鈦合金用量為25%，第4 代發動機F119 的鈦合金用（yòng）量為40% 。

航空發動機部件要求鈦合金在室溫至較高的溫度範圍內具（jù）有很好的瞬時強度、耐（nài）熱性能、持久強（qiáng）度、高溫蠕變抗力、組織穩定（dìng）性。β 型和近β 型鈦合（hé）金（jīn）盡管在（zài）室溫至300℃左右具有高的拉伸強度，但在更高的溫度下，合（hé）金的蠕變抗力和耐熱穩定性急劇下降，所以β 型鈦合金很少用於（yú）飛機發（fā）動（dòng）機。α 型和近（jìn）α 型鈦合金具有良好的（de）蠕變、持久性能（néng）和焊接性，適合於在高溫（wēn）環境下使（shǐ）用。

α+β 型鈦合金不僅具有良好的熱（rè）加工性能（néng），而且在中高溫環境下還具有良（liáng）好的綜合性能。因此，α 型、近α 型和α+β 型鈦合金被廣泛應用於（yú）航空（kōng）發（fā）動機。表6 所列為世界各國研製的飛機發動機用鈦合（hé）金。

目前，航空發動機用（yòng）高溫鈦合金的最（zuì）高工作溫度已由350℃提高到600℃，能夠滿（mǎn）足先進發動機對材料的需求。經過世界各國（guó）鈦合金（jīn）研究者半個（gè）世紀的努力，研製出 Ti811（Ti-8Al-1Mo-1V）、Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V、Ti-679（Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.25Si）、TC6（Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si）、TC17（Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr）、TC19（Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo）、TC21（Ti-6.2Al-2.8Mo-2Nb-2Sn-2.1Zr-1.3Cr）、Ti1100（Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-4Mo-0.45Si）、IMI834（Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si-0.06C）等合金。

Ti811（Ti-8Al-1Mo-1V） 合金具有密度低、彈性模量高、振動阻尼性能優良、熱穩定性好、焊接（jiē）性能和成型性能好等諸多優點，其比剛度是所有工業鈦合金中最高的。趙永慶等對Ti811合金熱穩定性和高溫疲勞性能等問題進行深入研（yán）究，研究顯微組織和試樣表麵（miàn）狀態對Ti811 合金熱穩（wěn）定性（xìng）能的影響。結果表明：具有（yǒu）等軸（zhóu）組織和雙態組織的Ti811 合金有很好的熱穩（wěn）定性（xìng）能；針狀組織（zhī）的存在使Ti811 合金熱穩定性能惡化（huà）。此外，研究認為Ti811 合（hé）金在425℃熱暴露下，表麵氧（yǎng）化層及暴露（lù）時間對合金的熱穩定（dìng）性能（néng）沒有明顯影響。

高廣睿等利用高（gāo）頻疲勞實驗機和自製高溫微動疲勞裝置研究（jiū）溫度、位移幅度、接觸壓（yā）力等因（yīn）素對Ti811 鈦合金高溫微動疲（pí）勞（FF）行（háng）為的（de）影響。結果（guǒ）表明（míng）：

在350℃和500℃的高溫（wēn）下，Ti811 合金微（wēi）動疲勞敏感性隨著溫度的升高微動疲勞的敏（mǐn）感性增強（qiáng），蠕變是高溫（wēn）下Ti811合金FF 失效的重（chóng）要影響因素，位（wèi）移幅度變化影響疲（pí）勞應（yīng）力因素和磨（mó）損在FF 過程（chéng）中所起（qǐ）作用和機製。

Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V 是前蘇聯20世紀60 年代研製成功的一（yī）種通用性合金， 該合金能夠（gòu）在300~500 ℃ 溫度（dù）下工（gōng）作，主要用於生產飛機發動機匣。

OUYANG 等在研（yán）究Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V鈦合金不同溫度和應變速率（lǜ）下的再結（jié）晶行為方麵做（zuò）了大量工作（zuò）。研究（jiū）結（jié）果表明：

在變形溫度高於1050℃、應變速率低於0.01s-1 時，合金（jīn）的動態再（zài）結晶機製以不連續動態再結（jié）晶為（wéi）主；在變形溫度低於1050℃、應變速率高（gāo）於（yú）0.01s-1 時，合金的動態（tài）再結晶機製以連續動態再結晶為主，同時存在少量的不連續（xù）動（dòng）態再結晶。此外，Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V 合金相變時的位向關係與其他鈦合金有所不同，HE 等對影（yǐng）響該合金相變位向關係的因素進行研究。結果表明：外部因素（如變形應（yīng）力、應變速率和冷（lěng）卻速率）在β → α 階段（duàn）轉換（huàn）遵守Burgers 位向轉換（huàn）規則。然而，應變速率和（hé）冷卻速率能顯著影響α 沉澱相的形態。

Ti-679 合金為（wéi）低鋁高錫，再添加鋯、鉬、矽（guī）等合金元素而得到的，可（kě）用作發動（dòng）機高壓壓氣機葉片和盤。在它的合金（jīn）元素（sù）中，鋁的作用是提（tí）高合金強度，但易導致塑形變差，用低鋁高錫配合，可以獲得較好的塑形和（hé）強度；鉬的作用是避免（miǎn）形成過多的β 相，使（shǐ）蠕（rú）變強（qiáng）度下降（jiàng）；而鋯的作用是補充強化α 相（xiàng） 。Ti-679合金（jīn）的抗蠕變性能和熱穩定性都比較好（hǎo），其工（gōng）作溫度可達450℃。

TC6 鈦合金的熱強性和熱（rè）穩定性良好，它在高溫下的力學行為與微結構的（de）變化引起全世界研究者的廣泛關注。白新房等對TC6 鈦合金進（jìn）行990℃保溫熱處理，研究保溫過程中氧原子、合金元素分（fèn）布變化對內（nèi）表（biǎo）層組織及硬度的影響。結果表明：在990℃熱處理後試樣內表層富氧α 層從（cóng）邊部到基體內部顯（xiǎn）微（wēi）硬度呈現低- 高- 低的變化規律，在距（jù）邊部約55μm 處達到最大（dà）值449HV1。內表層顯微硬度的變化是由於氧化作用而導致內（nèi）表層合（hé）金元素（sù）分布（bù）變化和氧原子（zǐ）的富集引起的。孫坤（kūn）等研究 4種典型組織TC6 鈦合（hé）金試（shì）樣在高應（yīng）變率加載條（tiáo）件（1×103s-1）下的動態力學行為。結果表明：不同組織TC6 鈦合金的（de）流變應力隨應變增加快速增加。

TC17 鈦合（hé）金是一（yī）種（zhǒng）富β 穩定元素的過渡型兩（liǎng）相鈦合金，該合金在中溫（300~450℃）具有抗蠕變性能高，淬透性好、斷裂韌度（dù）高等優點，廣泛用於製造（zào）航空發（fā）動機風扇盤、壓氣（qì）機盤。作為兩相鈦合金，TC17 可以通過（guò）熱處理（lǐ）調（diào）整其顯微組織，進而提高綜合力學性能，其標準熱處理工藝為：（840℃，1hAC）+（800 ℃，4hWQ）+（630 ℃，8hACTC4）。孫曉敏等研（yán）究激光熔化沉積TC17 鈦合金原態及固溶時效後的顯微組織。結果表明：當固溶溫（wēn）度從 800℃升高（gāo）到835℃時，初（chū）生α 相體積分數由 53% 減（jiǎn）少到34%，時（shí）效（xiào）後相片（piàn）層顯著增粗（cū），寬 0.7~0.8μm，次生α 相含量伴隨固溶溫（wēn）度升高逐漸增多。TC19鈦合（hé）金是20 世紀美國開發的一種富β的α+β 型鈦合金，是（shì）在Ti-6242 合金（Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo） 基（jī）礎上（shàng）發展而來，是一種高強（qiáng）度（dù）高韌性鈦合金。與Ti-6242 合金相比，TC19 鈦合金提高Mo 含量，使室溫和高溫拉伸性能得到改善。而Sn 和Zr 的加入，使該合金（jīn）的相變行為（wéi）變得非常緩慢 。朱寶輝等研究不同鍛造工藝製備的TC19 鈦合金棒材。結果表明：常規鍛造工藝和高- 低-高鍛造工藝均可用來鍛造TCl9 合金（jīn）棒材，但采用高- 低- 高鍛造工藝得到的棒材的力學性能優於常（cháng）規鍛造（zào）工藝。

TC21 合金是我國自行研製的具（jù）有獨立知（zhī）識產權的（de）新型兩相高強韌鈦合金（jīn），在航空、航天領域作為重要的結構材料使用。人們對該合金的冷卻（què）速度、熱處理和組織性能的關（guān）係先後展開了較多研究。王義紅等提（tí）出：當冷卻速率大於122e/s 時，β 相轉（zhuǎn）變形（xíng）成正交馬氏（shì）體，冷卻速率介於 122~3℃ /s 之間時，發生塊狀轉變，冷卻速率繼續降低，相變由擴散控製，形成兩種不（bú）同形貌的魏氏體片層。宋穎剛等的研究結果表明：

TC21 鈦合金表麵經噴丸強化後，在表層形成一個彈塑性變形層。強化過程中由於密排六方晶體的基麵、柱麵和錐麵滑移係的開動（dòng）造成位錯（cuò）密度升高，A 相中位錯形貌呈現網狀；強化前納（nà）米壓痕（hén）硬度為3.2GPa，強化後為6.7GPa，提高（gāo）1 倍以上。在強化層內形成很高的宏觀殘餘壓應力，並且表（biǎo）現為由表麵向裏逐漸減少的梯度變化。強化層深度達到370μm。宮旭輝等研究（jiū）TC21 鈦合金的高溫動態拉伸力學行為。結果表明：當應變速率為0.001 和0.05s-1 的屈服應力（lì）- 溫度曲線存在（zài）轉折點，且轉折點溫度隨應變速率的增大而升高；當溫度低於轉（zhuǎn）折點溫度時，相同氧含量（liàng）的TC21鈦合金和多晶純鈦的屈服應力具有相似的溫度相關性。曲恒磊等對TC21 鈦合金（jīn）進行應（yīng）變（biàn）速率為 0.01~50s-1、溫度（dù）為973~1373K 的壓縮試（shì）驗後得出結論，在試樣的不同部位存在變形組（zǔ）織的不均勻現象，該合金在不同溫度區域變形時分別發（fā）生重結晶和動態再（zài）結晶。重結晶導致晶粒粗化（ 尺（chǐ）寸約100~200μm）。

而動態再（zài）結晶導致（zhì）晶粒細化（huà）（最（zuì）小尺寸（cùn）為1~2μm）。

以上幾種合金為常規航空發動機用鈦合金，其使用溫度均在 650 ℃以下。

目前（qián）實用性能耐（nài）熱鈦合金是Ti1100 和IMI834，它們已經分別應用於EJ2000 和55-712 改型發動（dòng）機。由（yóu）於“鈦（tài）火”事故（gù）的出現（xiàn），阻燃鈦合金越（yuè）來越受到人們的關注。美、俄（é）等國進行了（le）阻燃性能良好新（xīn）型鈦合金的研製。由美（měi）國普惠公司（sī）研製的高強阻燃鈦合金 Alloy C，已用作（zuò）F119 發動機（jī）的矢量噴口零件，該合金的名義成分為Ti-35V-15Cr（質量分數，%），合金中含大量昂貴金屬釩，再加上Alloy-C 合金鑄錠熱變形工藝要（yào）采用一些專用設備，進一步提高了材料價格。俄國對成本較低的Ti-Cu 合金進行了研究， 並報導了BT25 和BT36 合金。中國科研工作者對前人的（de）發動機用鈦合金研（yán）究工作進行過係統（tǒng）總結和中肯評價。

2.2 飛機機（jī）身用鈦合金

飛機（jī）發動機要求所用合金熱（rè）強度、比強度好，而（ér）機身則（zé）要求合金在中等溫度下具備強度好（hǎo）、耐腐蝕、質輕（qīng）等優良特性。鈦合金能很好的達到這些要求，采用鈦合金做機身材料有（yǒu）以下（xià）5 方（fāng）麵優勢：1）替代鋼和鎳基高溫合金可大大（dà）降低飛機質量。高（gāo）推重比讓鈦合金能夠替（tì）代（dài）強度稍好的鋼而用於（yú）飛機零部件中。2）能夠滿足飛機強度要求。

與鋁合金（jīn）相比，60% 左右質（zhì）量的鈦合金即可達到相同的強度。在使用溫度超（chāo）過 130℃時，鈦合金能取代鋁合金，因（yīn）為（wéi）這一溫度是傳統鋁合（hé）金的極限適用溫度。3）耐腐蝕性良好。大部分飛機支撐機構在廚房、廁所下麵，很（hěn）容易產生腐蝕，鈦合金不需要表麵（miàn）防（fáng）腐塗層或者鍍膜。4）與聚合物複合材料電化學相容性好。5）空間的限製，替代鋼和鋁（lǚ）合金。因空間（jiān）限製而使（shǐ）用鈦合金的（de）典型例子是波音747 的鈦合金起落架梁。這種梁是最大的鈦合（hé）金（jīn）鍛件（jiàn），盡管其他（tā）合金（比（bǐ）如7075 鋁合金）成本更低，但承載需要質（zhì）量時，鋁合金起（qǐ）落架體積超出機翼範圍而（ér）不符合要求。鋼的（de）強度足可以（yǐ）承載質量，但它會使飛機質量大大增加。圖2 所示是波音777 飛機機身使（shǐ）用材料示意圖 。在飛機機身中應用較（jiào）廣泛的鈦合金有（yǒu）β-21S（Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si）、Ti-10-2-3（Ti-10V-2Fe-3Al）、Ti-15-3（Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn）、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr 等。BOYER 曾就鈦合金在（zài）機身（shēn）的應用情況進行過（guò）總（zǒng）結，本文作者（zhě）僅討論前兩種合金。

β-21S（Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.25Si）合金是美國Timet 公司為國家航天飛機開發的，可製成帶材，具有抗氧（yǎng）化性，可作為複合材料來使用。

它具有較（jiào）好的高溫（wēn）特性，並比Ti-6-4具有更好的抗蠕變性能（ 一般β 合金在高溫環境下抗蠕變（biàn）性（xìng）並不好）。

β-21S 已被波音和P&W 用在瞬時650℃的高溫環境，它的持續工作溫度是（shì）480~565℃。β-21S 合金的突出優點在於它可以較好地抗高溫（wēn）液壓機液體腐蝕。這種液壓機液體是一種少數能在航天環境下腐蝕鈦合金的物質，在超過130℃時會分解並形成一種含有機金屬的磷酸，會腐蝕鈦合金，更重要（yào）的是會使含有大量氫的發動機泵（bèng）產（chǎn）生嚴（yán）重的脆裂。β-21S 是唯一一種能抵抗這種腐蝕劑（jì）的金屬 ，這是因為β-21S 含有鉬和铌，可用於（yú）引擎機艙和噴射引擎（qíng）部位（原先（xiān）使用鋼或鎳基合金（jīn））。此外，β-21S可減少質量（liàng），用（yòng）於製造波音777 的3 種引（yǐn）擎（P&W4084，GE90 和Trent800）中的噴嘴、塞子、蒙皮和各種縱梁結構，這（zhè）些可以為每架飛機減少質量74 kg。

Ti-10-2-3（Ti-10V-2Fe-3Al）是迄今為止應用最為廣泛的一種高強韌近β 鈦合金（jīn），最早也由美國Timet 公司在1971 年研製而成。它是一種為適應損傷容限性設計（jì）原則而產生（shēng）的（de）高結構效益、高可（kě）靠性和低（dī）成本的鍛造鈦合金（jīn），V 和（hé）Fe 為主（zhǔ）要的β 穩定元素（sù）。為（wéi）了（le）提高合金的鍛造性能和斷裂韌性，Fe 的（de）含量低（dī）於2%，O 的含量限製在 0.13% 以下。

該鍛件抗拉強度可達11901Mpa，用Ti-10-2-3 可為每架飛機減（jiǎn）少質量270kg。

波音公司生產（chǎn）飛機時選（xuǎn）擇高強度合金並最大（dà）限度減少質量，該鈦合金是波音777 中用（yòng）量最大的β 鈦（tài）合金，該種飛（fēi）機起落架幾乎全部由該合金（jīn）製成，僅內、外氣缸和輪軸由4340M 製成（強度為1895MPa）。空（kōng）客A380 的主起落（luò）架支（zhī）柱也是采用的Ti-10-2-3 合金。該合金還具有很好的抗疲勞性能，還能消除用鋼時產（chǎn）生的應力腐蝕開裂。McDonnellDouglas 采用Ti-10-2-3（1105 MPa）製成貨艙門、引擎機（jī）艙、尾翼（yì）以及C-17運輸機的其他部分。Ti-10-2-3 在疲勞強度方麵的（de）優勢也使（shǐ）其廣泛應用於直升機。Bell，Westland，Sikorsky 和Eurocopter 等公司都采用Ti-10-2-3 合金做他們的轉子（zǐ）係統。

2.3 航空緊固件用鈦合金

不論軍民用飛機還（hái）是航天器上，除了金屬構件還有很多碳纖維複合（hé）材料（liào）。

鈦與碳纖維複合材料的電極電位相近，鈦合金又（yòu）成為複（fù）合（hé）材料惟一的連接材料。因此，隨著先進軍民用飛機（jī）鈦合金和複合材料用量的不斷增加，對鈦合金緊固件的需求日益加大。鈦合金用作航空緊固件（jiàn），至少（shǎo）具（jù）備以下4 點優勢：1）減（jiǎn）重效果好。俄羅（luó）斯的一架（jià）伊（yī）爾-96 飛機用緊固（gù）件14.2 萬件（jiàn），可減少質量近600kg。我國航空航天係統鈦合（hé）金緊固件的使用也有明顯的減重效果。飛機和航天器減少質量後，可以提高推（tuī）力、增加射（shè）程、節省燃（rán）料、減少發射費（fèi）用等（děng）。

2）鈦合金優異的耐（nài）腐蝕性能，尤其是它正電位與碳（tàn）纖維複合材料匹配，可以有效防（fáng）止緊固件發生電偶腐蝕。3）在（zài）飛機結構中，緊固件（jiàn）部位因溫度較高，不能采用鋁合金，隻能使用鈦合金。4）鈦具有良好彈（dàn）性和無磁，對於防止緊固螺栓的鬆動和防磁場幹擾至關重要。

現代（dài）飛機采用多種鈦合金緊固件主要有普通鈦螺栓、幹涉螺（luó）栓、特種緊固件等。美國、法國等航（háng）空發 達 國 家，95% 以 上 的 鈦 合 金 緊 固 件 都 采用Ti-6Al-4V（TC4）材料製造。除此之外，還有（yǒu）TB2、β III、Ti-44.5、Ti-15-3（TB5）、TB8 和TB3，其典型性能參數如表7 所列。

Ti-6Al-4V（TC4）合金β 穩定係數最（zuì）低，為0.27。它的優點是密（mì）度最低，強度和（hé）疲勞性能良好，合金成分簡單，半成品成本最低。但由於室溫塑性沒（méi）有達到足夠高，所（suǒ）以加工（gōng）緊固（gù）件時需要采用感應加（jiā）熱進行熱（rè）鐓成形，以及真空固溶處理（lǐ）和（hé）時效處理（lǐ）加工成本較（jiào）高。

TB2、TB3、TB8 和TB16 為亞穩型β 鈦合金，β 穩定係數均比（bǐ）合金高（gāo），缺點是密度較高，強度雖與Ti-6Al-4V 相當，但疲勞性能不如（rú） Ti-6Al-4V，而且成分複雜，半成品成本高。由於同樣需要進行真空時效（xiào）處理，所以成品緊固（gù）件的成本還要高於Ti-6Al-4V。

3 存在的（de）問題與（yǔ）前景展望

鈦是（shì）一種性能優異而又儲量（liàng）豐富的金屬，有“現代金屬”的美稱，經過半個世紀的發展，鈦合金製備技術和應用研究都取得了很大進展，在航空（kōng）領（lǐng）域中尤其得到廣（guǎng）泛的應用。但存在的一些問題也逐漸暴（bào）露出（chū）來，航（háng）空用鈦（tài）合金進一步發展麵臨著（zhe）不小的挑戰，主要表現在（zài）以下3 個方麵（miàn）：

（1） 用量方麵（miàn）。不論是軍民用飛機或航空（kōng）器中，鈦合金用量高低直接反應出一個國家的（de）航空水平。目前航空發動機鈦用量都（dōu）較低，要（yào）進一步提高（gāo）至 50%左右，其難度仍相當大。

（2） 性能（néng）方麵。與其他航（háng）空結構材料一樣，高性能是要求具有良（liáng）好的性能匹配，即必須綜合考慮其力（lì）學性能、物理性能、化學性能、工藝性能和缺陷的可控性。現有的鈦合金在600℃以上，蠕變（biàn）抗力和高（gāo）溫抗氧化（huà）性的急劇下降是限製鈦合金擴大（dà）應用的兩大（dà）主要障（zhàng）礙。

本文作者認為，在整個航空鈦（tài）合金技術（shù）發展和應用過程中，新（xīn）的製造技術將會是開發和研究的重點（diǎn），如超塑成形（xíng）等近淨（jìng）型加工、粉末冶金成型（xíng）法（fǎ）等。

（3） 成（chéng）本方麵。目前人（rén）們在降低成本航空鈦（tài）合金方麵雖然取得了一些成（chéng）就，但仍有許多領域有（yǒu）待研究和開發。以阻燃鈦合金為例，美國發明的Alloy-C 雖然具有優良的阻燃特（tè）性和高溫（wēn）力學性能，但由於它需要添加大量昂（áng）貴的V 和較（jiào）差的可鍛性而導致價格很高，因此隻有在F119 發動機中正式應用（yòng）。

由於管理和技術落後（hòu）等原（yuán）因，國內鈦合金產品價格在國際上競爭力差，在國內不利於進一步擴（kuò）大應用。因（yīn）此（cǐ），首先必須認真研討降低（dī）鈦產（chǎn）品成本的途徑（jìng），確定近、中、長期發（fā）展（zhǎn）規劃。其次，我國應（yīng）建立自己的鈦（tài）合金（jīn）體係，確保每一用途有（yǒu）多（duō）種合金備選，逐步擺脫航空關鍵材料對國外的長期依賴（lài），形（xíng）成主幹材料（liào）或通（tōng）用材料（liào），從根（gēn）本上為實現低成本製造奠定基礎。最後，用價（jià）格較低的元素取代（dài）貴的合金元素，通過工藝途徑降低鈦合金零部件的成本，是今後鈦合金研究工作中的重要課題（tí）。

綜上（shàng）所述，鈦合金推重比大、韌性高、強度和可焊接性好，是一種綜合（hé）性能優（yōu）良的航空材料。在過去幾（jǐ）十年中，航空用鈦合金的合金化理論（lùn）、綜合強韌化技術和熱處理工藝均得到了很大發展。目前，鈦（tài）合（hé）金的研究主要集中在高溫下熱穩定性、蠕變抗力和（hé）低成本的鈦合金設計及製造（zào）工藝等方麵。隨著研究的深（shēn）入，將以（yǐ）航空高端應用帶動鈦合金低成本加工（gōng）的技術進步，從而（ér）在根本上突破製約航空用鈦合金用量和應用水平提升的成本瓶頸。全鈦製造的飛機也（yě）許在不遠的將來即會成為現實。