第21卷 第5期 V ol.21 No.5 2004年 9月 Sept. 2004收稿日期: 2004-7-5作者简介：李 梁，男，在读硕士研究生，从事钛合金的应用研究工作。

钛合金的应用现状及发展前景李 梁，孙健科，孟祥军（洛阳船舶材料研究所，河南 洛阳471039）摘 要: 综述了目前钛合金的主要应用领域，包括航空航天、船舶、医疗等行业，并展望了钛合金的应用前景和发展方向。

关键词: 钛合金；应用；发展钛是20世纪50年代发展起来的一种重要金属，密度小，比强度高和耐腐蚀性好。

因此钛及钛合金一直是航空航天工业的“脊柱”之一。

近年来，钛在石油、化工、冶金、生物医学和体育用品等领域开始得到应用，并己成为新工艺、新技术、新设备不可缺少的金属材料，钛工业进入一个新的发展时期。

1 钛合金的应用现状1.1 航空航天目前，钛及其合金主要用于航空航天和军事工业上[1]。

据统计，钛在航空航天上的应用约占钛总产量的70%左右，包括军用飞机、民用飞机、航空发动机、航天器、人造卫星壳体连结座、高强螺栓、燃料箱、导弹尾翼、弹头壳体等。

美国在这方面走在世界前列。

早在20世纪60年代，美国阿波罗载人飞船登上月球，这是宇航史上划时代的大事。

钛作出了卓越的贡献，飞船机体材料的5%用钛合金Ti-6Al-4V 和Ti-5Al-2.5Sn(约1.19 t)。

进入20世纪80年代，美国飞机的用钛量占70%~80%，每年用钛达 1.3~1.9万多吨，其中军用飞机占整个飞机的用钛量的41%~70%[2]，如F-15战斗机，每架用钛半成品30 t(最终成品 5 t)。

美国最新型的战斗机F-22，用钛量约占机体总重量的45%，其中发动机的叶轮盘、叶片和机匣、燃烧室筒体和尾喷管等均采用了钛合金。

制造一架隐形战略轰炸机B-1B 的发动机及壳体结构需钛材近90 t 。

美国涡轮发动机制造公司PWA 已经用Ti-35V-15Cr(Alloy-C)合金制造了F-119发动机用的喷嘴等零件。

这是仅有的常规阻燃钛合金。

另外，Pratt&whitney 公司已经使用沉淀硬化型C 合金制作了F-119发动机的第4、5级可变翼片。

民航客机波音777使用的钛占机体总重量的10%，其起落架传动装置除内外缸和轴之外都是由Ti-10V-2Fe-3Al 制作的，机上3台发动机的尾罩、插头、喷嘴都是由β-21S 钛合金做成的。

这是所有商用飞机用钛量最多的例子。

近年来，美国为了继续保持它的空中优势，正在发展下一代先进飞机如X-30、X-31等，将把现有发动机的推力比增加1倍以上，M 数由3增加到10以上[3]。

这些飞机的发展自然离不开钛，钛的用量将占飞机结构重量的20%~30%，同时这些发展计划也推动了一些新合金如Ti62222,Beta21s,Ti-15-3等和Ti x Al y (α2和γ合金)以及Ti 基复合材料的发展和应用。

另据报道[4]，美国空军、海军计划到2008年建造军用飞机3000架，以每架用钛10 t 计，则潜在需求为3万吨。

美国民用飞机到2019年计划生产3.3万架。

如果这些计划得以实现，将对钛产业界产生巨大影响。

作为美国竞争对手的俄罗斯也一直注重航空航天上钛材的使用量。

其航空工业主要使用三种钛合金：（1）板材用合金（2）锻件、紧固件用合金（3）铸造合金。

板材用合金主要是074系列中等强度，加工性能好的钛合金如BT1-00,BT1-0等。

锻件用合金主要有BT22,其淬透深度可达200 mm ，可用于制造各种高负载航空零件。

铸造合金有BT18y,BT36后者是使用温度最高的合金，推荐使用温度为 550℃~600℃，并用它制造了压气机盘。

航空紧固件广泛使用BT16合金。

异型铸造使用BT5,BT6, BT20,BT35合金，焊丝采用BT2CB, BT6CB,CTTT2,20 21卷BT20-1CB,BT20-2CB合金。

管接头使用THK形状记忆合金。

日本于1975年用N-Ⅰ火箭发射了“菊花1号”卫星，后又有了N-Ⅱ,H-Ⅰ，H-Ⅱ等火箭。

在H-Ⅰ和H-Ⅱ的第三级和M-3B固体火箭的马达壳体都使用了钛合金。

20世纪80年代，日本同英美、德国等国共同研制了中型客机用V2500发动机。

它采用了较多的钛合金先进材料，具有重量轻、燃耗低、噪声小、可靠性高等特点。

发动机风扇壳体为Ti-6Al-4V合金，低压和高压压缩机前端的圆盘、动翼、静翼等均使用了钛材，如Ti-6Al-4V和耐热优良的新合金Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si。

将来会考虑使用新型耐热钛合金β合金等。

V2500发动机用钛量为31%是民航机中最高的[5]。

近年来，日本在该领域用钛量明显增加，在1991年为237 t，而2002年增至705 t[6]，估计，将来用量会更大。

20世纪70年代以来，西欧为了同美日抗衡大大加快以军事为背景的钛合金的应用研究。

其中法国使用新合金Ti-17制造了GE90和M88发动机零件，其工作温度为350℃~400℃。

用Ti-6242和Ti-6246合金制造了MTP390发动机的零件。

法国人还利用Ti-6246合金制造了阿里亚娜-5发射器的结构零件，将β-CEZ钛合金用于M88-X未来型发动机中，其工作温度为400℃~450℃，另外法国还开发了β-CEZ合金的SPF-DB板材成型工艺，并生产了该钛合金的精密铸件，用于空中客车民航客机的舱门滑动装置。

英国在钛合金应用方面也取得了一定成绩，如IMI834钛合金广泛用于罗尔斯-罗伊斯Trent700发动机中，其工作温度可达600℃，重量比镍基超合金同等部件减轻50 kg。

在Trent800高压压气机中，前3级使用的也是IMI834钛合金。

近几年，德国宇航中心对SiC/IMI834, SiC/Ti-25Al- 10Nb-3V-1Mo（原子分数）和SiC/Ti-22Al-25Nb（原子分数）复合材料进行了详细研究。

研究结果表明，这些复合材料具有良好的性能和应用前景，其使用温度可达700℃以上，将是宇航发动机压气机部件的优选材料[7]。

经过40多年的研究，我国在这个领域取得了可喜的成绩。

从“东方红”卫星上天到“神舟”飞船发射成功以及新型战机问世等，这其中都有钛合金的贡献。

“九五”期间，为满足航空航天等部门需要国家把钛合金作为新材料的发展重点之一。

“十五”期间又进一步开发航空航天用高温钛合金、阻燃钛合金、高强钛合金、TiAl金属间化合物、钛基复合材料。

相信，通过“十五”攻关，一批新型钛合金将在航天事业中再立新功。

1.2 船舶行业钛合金在海洋条件下有着极其优良的耐腐蚀性能、高的比强度、无磁等特点，因而被广泛应用于船舶工业。

目前，钛在舰船上已应用的部位有:耐压壳体、螺旋桨和桨轴、通海管路、阀及附件、各类管接头、热交换器、冷却器、冷凝器、发动机零部件、升降装置及发射装置、声学装置零部件、系泊装置等[8]。

钛制耐压壳体主要用在深海潜水器和潜艇上，水面船基本没有采用。

美国、法国、日本、中国都在不同程度上用钛的耐压壳体。

如美国的“海崖”号深潜器装备了钛观察舱和操纵舱，下潜深度可达6 100 m。

日本的“深海6500”使用了Ti-6Al-4V ELI 合金下潜深度达到6 500 m。

国内在深潜器技术方面，也取得一定的成绩。

但在大型潜艇上大量用钛的只有俄罗斯。

如俄罗斯生产的阿尔法级（估计为8~12艘）和台风级核潜艇（6艘）,每艘用海绵钛3 000 t到9 000 t不等[9]，全部用钛达7.8~9万吨,十分惊人。

钛合金抗空泡腐蚀性能远远优于钢和铜镍合金，在海水中的腐蚀疲劳强度同在大气中的疲劳强度相比没有降低反而略有提高，因此做为舰船的螺旋桨和桨轴可降低空泡腐蚀速度，延长使用寿命并提高推进效率。

钛合金抗高速海水冲刷，在流速13 m/s条件下使用也不会出现冲刷腐蚀现象，特别适用于工作介质为高压，高流速，动海水的管路。

用钛材制造舰船的通海管路和阀还能减少管径，减薄管壁。

俄罗斯、美国、英国已经使用形状记忆合金（SMA）作为船用管路的管接头。

普遍采用的是Ti-Ni-SMA管接头，它可以解决钛与钢的不可焊以及拆卸不便等问题[10]。

热交换器用钛已经很成熟。

一般使用的钛管外径为10 mm~80 mm，壁厚0.3 mm~0.5 mm。

海水淡化装置中的蒸发器接触高温海水，蒸发后盐度增加，钛合金耐高温离子腐蚀可广泛用于海水淡化装置的蒸发器。

舰船发动机用钛合金同航空发动机一样主要用于制造发动机盘和叶片转以代替耐热钢。

随着钛合金在舰船上应用的发展，船舶系泊用的钢索、导缆钳、带缆桩、抛锚装置、救生浮标、信号浮标及桅杆，升降装置、鱼雷发射装置都逐渐采用钛合金。

另外，钛合金还被用来制造各种传声器、声呐导流罩、电话零件、水声换能部件等。

舰船上用钛的部第5期李梁等: 钛合金的应用现状及发展前景 21 位及采用的钛合金见表1。

表1舰船上用钛的部位及采用的钛合金[10]应用部位采用的钛合金耐压壳体ЛT-1M, Ti-5Al-2.5Sn, Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo螺旋桨及桨轴纯Ti, Ti-6Al-4V通海管路、阀及附件纯Ti, Ti-Al-Mn, Ti-6Al-4V,Ti-6Al-6V-0.5Cu-0.5Fe,Ti-3Al-2.5V,β-C,TiNi形状记忆合金, Ti-31,Ti-75热交换器及海水淡化装置纯Ti, Ti-5Al, Ti-Al-Mn,Ti-0.3Mo-0.8Ni, Ti-6Al-4V,Ti-31发动机零件Ti-6Al-4V,Ti-5Al-2.5Sn,Ti-8Al-1Mo -1V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo声学装置及换能器零件纯Ti系泊装置及发射装置Ti-6Al-4V, Ti-4Al-0.005B, β-C1.3 医疗行业医用钛合金无毒、质轻、比强度高，具有极好的生物相容性和耐腐蚀性，是较理想的医用金属材料，可用作植入人体的植入物等。

目前，医学领域广泛使用的钛仍是纯钛(TA1,TA2)和Ti-6Al-4V,Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb 合金，这些钛合金会析出极少量的钒和铝离子，降低其细胞适应性且有可能对人体造成危害。

这个问题早已引起医学界的广泛关注。

美国早在20世纪80年代中期便开始研制无铝、无钒，具有生物相容性的钛合金，将其用于矫形术。

在美国，已有5种钛合金进入医学领域，即 TMZF, Ti13Nb13Zr, Timetal121SRX, Tiadynel610, Ti15Mo[11]。

日本、韩国，英国等也在此领域做了大量的工作，并取得一些进展。

如日本已开发出一系列具有优良生物相容性的α+β钛合金,包括Ti-15Zr-4Nb-4Ta-0.2Pd, Ti- 15Zr-4Nb-4Ta-0.2Pd(0.2~0.05),Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2 Pd ,Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pd-0.2O。