第35卷第4期Vol.35No.4稀有金属CHINESE JOURNAL OF RARE METALS2011年7月Jul．2011收稿日期：2011－03－31；修订日期：2011－05－10基金项目：国家科技部中韩联合研究项目（2010DFA52280）资助作者简介：杨冬雨（1979－），男，湖南宁乡人，硕士，工程师；研究方向：钛合金*通讯联系人（E －mail ：yangdongyu@comac．cc ）高强高韧钛合金研究与应用进展杨冬雨1*，付艳艳2，惠松骁2，叶文君2，于洋2，梁恩泉1（1．上海飞机设计研究院标准材料设计部，上海200232；2．北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室，北京100088）摘要：航空航天业的发展对高强度、高断裂韧性的新型钛合金的需求越来越迫切，研究具有自主知识产权并用于航空大型结构件的新型高强高韧钛合金得到世界各国的重视。
综合评述了国外传统的Ti-1023、BT22合金、β-21S 合金、β-C 合金，新型Timetal555和VST55531合金以及我国的TB2和TB10合金等7种高强高韧钛合金研究及应用现状，分析了合金的成分、组织、强度、塑性、断裂韧性等特点。
根据国内外高强高韧钛合金发展现状，提出发展方向：研制R m ≥1300MPa ，K IC ≥55Pa·m 1/2新型高强韧钛合金；新型合金成分应以Ti-Al-Mo-V-Cr 系为主；探索加工工艺与高强高韧钛合金合金组织及性能的关系；发展具有优异的淬透性及良好的锻造性能为主的大型锻件用高强高韧钛合金。
关键词：钛合金；高强；高韧；锻件doi ：10．3969/j．issn．0258－7076．2011．04．017中图分类号：TG146．2文献标识码：A文章编号：0258－7076（2011）04－0575－06Research and Application of High Strength and High Toughness Titanium AlloysYang Dongyu 1*，Fu Yanyan 2，Hui Songxiao 2，Ye Wenjun 2，Yu Yang 2，Liang Enquan 1（1．Department of Standard and Materials ，Shanghai Aircraft Design and Research Institute ，Shanghai 200232，China ；2．State Key Laboratory of Non-Ferrous Metals and Processes ，General Research Institute for Non-Ferrous Metals ，Beijing 100088，China ）Abstract ：With the continuous development of the aerospace industry ，the demand of new high strength and fracture toughness tita-nium alloy would grow increasingly．The research on new high strength and tough titanium alloy of intellectual property rights ，which was applied to large structures of aerospace ，aroused the interest of the world．The present development on the investigation of high strength and toughness titanium alloys was introduced ，including traditional foreign Ti-1023，BT22，β-21S ，β-C ，new type Timet-al555，VST55531and domestic TB2and TB10alloys．Meanwhile ，the characteristics of components ，structures ，strength ，plasticity and fracture toughness were analyzed．Based on the development of these titanium alloys ，the author's opinions about development trend in this field were also presented ：to develop a new high-strength and toughness titanium alloy with R m ≥1300MPa ，K IC ≥55Pa ·m 1/2；the components of new alloy should be based on Ti-Al-Mo-V-Cr series alloy ；to probe into the relationship between processing technology and microstructure and properties of high strength and toughness titanium alloy ；to develop the high strength and toughness titanium alloy with excellent hardenability and good forgeability that were used as heavy forgings．Key words ：titanium alloys ；high strength ；high toughness ；forging钛及钛合金因具有比强度高、耐腐蚀性好等优点，已被广泛应用于在航空、航天、车辆工程、生物医学工程等各个领域［1，2］。
近年来，随着航空航天业对高强度、高断裂韧性的新型结构钛合金的需要越来越迫切，因此研究具有自主知识产权，能够替代超高强度钢并用于航空大型结构件的新型高强高韧钛合金得到世界各国的重视。
高强高韧钛合金一般指抗拉强度在1000MPa 以上，断裂韧性在55MPa·m 1/2以上的钛合金。
表1为几种典型高强钛合金的概况，其中国外的高强高稀有金属35卷表1典型高强高韧钛合金概况Table1Survey of typical high strength and high toughness titanium alloyCommercial name Alloy composition Country Introduction year Mo-Equ．KβCategoryTi-1023Ti-10V-2Fe-3Al USA197111．11．07NearβBT22Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr Russia－12．21．14Nearββ-21S Ti-15Mo-2．7Nb-3Al-0．2Si USA198915．81．46Metastableββ-C Ti-8V-6Cr-4Mo-4Zr-3Al USA196919．71．82MetastableβTimetal-555Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0．6Fe USA－14．71．45NearβVST55531Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr Russia－13．11．25NearβTB2Ti-3Al-5Mo-5V-8Cr China196921．92．02MetastableβTB10Ti-3Al-5Mo-5V-2Cr China－11．91．10Nearβ韧钛合金主要为美国的Ti-1023，俄罗斯的BT22合金，以及新型的Timetal555合金和VST55531合金，而中国的高强高韧钛合金则为TB2和TB10合金等。
高强高韧钛合金一般都为β钛合金，组织以β相为主。
这是因为β钛合金在固溶处理下的冷成型性和淬透性较好，合金时效后析出次生α相（αs）可大幅度提高合金强度。
1国外高强高韧钛合金1．1Ti-1023合金Ti-1023（Ti-10V-2Fe-3Al）合金是美国Timet公司于1971年研制成功，迄今为止应用最为广泛的一种高强韧近β钛合金［3，4］。
Ti-1023的成功应用应归结于它是一种高结构效益、高可靠性和低制造成本的锻造钛合金［5］。
为了提高合金的锻造性能和断裂韧性，要求合金中Fe的含量低于2%，O 的含量限制在0．13%以下［6］。
在同等强度等级下，合金在两相区固溶处理得到的组织具有良好的塑性［7，8］。
合金经热处理后其R m为965 1310MPa，KIC为99 33MPa·m1/2，有较好的强韧性匹配关系［9，10］。
Ti-1023之所以能够作为大型锻件用于结构材料中，主要因为合金具有良好的锻造性能。
Boyer［10］将Ti-1023与TC4的锻造流变应力进行比较，表明在使用相同的锻造设备和模具时，Ti-1023更易于变形。
换言之，Ti-1023比TC4可以在更低的温度下模锻，而锻后经热处理还可获得更佳的性能。
在不同的锻造工艺和热处理条件下，Ti-1023合金形成不同的α相和ω相：固溶处理水冷，生成水冷ω相；β区水冷经低于450ħ时效，生成等温ω相；时效温度超过400ħ的时，均匀α相在等温ω相上形核；经过连续时效处理，α相转变为细小的短针状片层，均匀分布在β基体上；两相区固溶生成晶界α相［11］。
该合金由于含有2%Fe，在熔炼时容易因成分偏析产生“β斑点”。
“β斑点”实际上是一种β转变温度比基体低的富Fe区，当在稍微低于基体转变温度进行热处理时就会发生偏析问题。
Ti-1023合金的出现填补了具有高强度，高断裂韧性和高淬透性结构钛合金的空白。
用该合金代替TC4合金可以减重20%，用它代替30CrMnSiA时，可减重40%。
它能提供中、高强和高韧性的棒材、板材或截面达125mm厚的锻件。
现已应用于波音777客机起落架转向架梁，欧洲空客公司制造的载客量达500人以上的世界最大的客机A380的主起落架支柱［12］。
1．2BT22合金BT22（Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr）合金是苏联在20世纪70年代研制成功的一种高合金化、高强度近β型钛合金［13］。
研究结果表明合金中添加5% Mo，5%V以及少量的Fe和Cr，即可稳定β相，在长时间加热时，其中包括在350ħ下长时间应力加热也不致引起共析转变脆化。