一、鈦合金在海洋工程（chéng）上的應用現狀及前景展望

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（fā）海洋、利用海洋，讓（ràng）海洋成為我們巨（jù）大財富的源泉， 這已成為人們多年來努力的方向之（zhī）一。但是（shì），由於海水中含有大約3.5% 的含鹽量，因此， 海水具有腐蝕性。此（cǐ）外， 海洋中的某（mǒu）些生物汙染也加速了海水的腐（fǔ）蝕。

鈦是一種物理性（xìng）能優（yōu）良、化學性（xìng）能穩（wěn）定的材料。鈦及其合金強度高、比重小， 耐海水腐（fǔ）蝕和海洋氣氛腐蝕， 可以很（hěn）好地滿足人們在海洋工程方麵應用的要求。經過鈦業（yè）界人士和海（hǎi）洋工程應用研究（jiū）人員多年的努力， 鈦已經在海洋油氣（qì）開發、海港建築、沿海發電站、海水淡化、船舶、海洋漁業及海洋熱能轉換等領域取得了廣（guǎng）泛的應用。現在（zài）， 海洋工程用鈦已成為鈦民用應用的主要領域之一。

㈡、應用（yòng）現狀

2.1 海洋油氣開發

石油是一個國家的經濟命脈。據估計， 世界可開采的石油資（zī）源儲量為3000億噸， 其中（zhōng）海（hǎi）底石（shí）油儲量約為1300 億噸。海底石油的開發， 開始於20 世紀初。它的（de）發展經曆了從近海到遠海（hǎi）、從淺海到深海的（de）過（guò）程。受技術條件和材料發展的限製， 最初隻能開采從海岸直接向淺海（hǎi）延伸的石油（yóu）、天然氣礦藏。20 世紀80 年代以來， 在能源危機和（hé）技術進（jìn）步（bù）的刺激下， 近海石油勘探與開發飛速發（fā）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（gōng）業部門。海（hǎi）上鑽井平台是實施海底油氣勘探和開（kāi）采的工（gōng）作基地， 它標（biāo）誌著海底油氣開發技術的水平。海上石油開采設備主要包括采油平台和附屬設備， 附屬（shǔ）設備有原油冷卻器、升油管、泵、閥、接頭和夾具等（děng）。這些設備均與海水及原油中的硫化（huà）物、氨（ān）、氯等介質接觸。由於鈦在這些介質中具有（yǒu）優異（yì）的耐蝕性， 所以（yǐ）美國在上世紀70 年代初（chū）就在其（qí）油田中（zhōng）使用了鈦製造的近海石油平台支柱， 同時用鈦製造了（le）列管式換熱器和板式換熱器。鈦列管式換熱（rè）器利用海水（shuǐ）作為冷（lěng）卻介質， 把從油井裏抽出的高溫汽/ 油混合物冷卻。鈦板式換熱器也是利（lì）用海水作為冷卻（què）介質， 把碳（tàn）鋼換熱器內冷卻原油的（de）淡水冷卻。美國在北海油田鑽井平台上大約使用了100 個鈦熱交換器。位於英國蘇格蘭阿（ā）伯丁的亨廷油田服務公（gōng）司訂（dìng）購的鈦製部件據說是世界上第一個鈦製高壓立管式豎井， 用於美國大陸石油公司（Conoco） 挪（nuó）威的Heidrum 工程（chéng）項目中（zhōng）。

石油鈦（tài）合金（jīn）鈦鑽探管的使用壽命較長，其重量僅為不鏽鋼的一（yī）半， 而使用靈（líng）活性卻是不鏽鋼的二倍， 使用壽命為鋼的10 倍。這些優（yōu）異（yì）的性能（néng）使得鈦成為一種用於鑽探難度較大（dà）的近圓形、且深度深的油井的極佳（jiā）材料。包（bāo）含有鈦鑽探管的組合鑽具可以極大地減少鑽探時間、降低鑽探總成本。美國的GrantPrideco 公司、RTI 能源係統公司及Torch 鑽探服務公司在2000 年首次將鈦鑽探管（guǎn）用於工業應用。GrantPrideco 公（gōng）司（sī）和RTI 能源係統公司共同生產和供應的（de）鈦鑽探管還配有（yǒu）GrantPrideco 抗疲勞公司提供的鋼工具接（jiē）頭。這種接頭的（de）重量（liàng）輕、使用靈活性好，且可以使鈦鑽探管堅固結實（shí）。

海水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（jù）有（yǒu）很（hěn）高的耐蝕性， 其使用壽命為鋼係的10 倍，因此， 鈦（tài）管係的成本與Cu-Ni 係統相比是合算的。美國活性金屬公司與精（jīng）密管技術公司合辦了一個鈦管技術公司（sī）， 生產一（yī）種大口徑鈦合金管。這種管子所使用的合金是Ti-3Al-2.5V 合金， 口徑（jìng）為650mm, 壁厚（hòu）為22 ～ 25mm, 長度（dù）為350m, 一根管子重達80 ～ 90t, 計劃用於海底石油（yóu）開采。美國另一家公司利用長度為15m、外徑為600mm、壁厚為25mm 的無縫鈦（tài）合金管通過（guò）擠壓方法製成了近500m 長的豎井管， 已經用於一個近海鑽井平台。據稱， 這種豎井管的重量可以減輕一半， 從而大大降低壓載成本， 另外（wài）， 還具有（yǒu）很（hěn）高的斷裂韌（rèn）性和較長的疲勞壽命。

據（jù）資料報道， 在（zài）美國（guó）北海油田開發項目中， 船上浮體裝置和海底固定裝置的用鈦量（liàng）比以前有（yǒu）所增加。24 台船上（shàng）浮體裝置和64 台海底固定裝置對鈦材的需（xū）求量為：安全保護裝（zhuāng）置50 ～ 100t,連接裝置50 ～ 100t, 通用升（shēng）降設備400 ～ 1000t, 鑽杆1400 ～ 4200t。海上石油開采平台生物汙染引起的結（jié）構件腐蝕是相當嚴重的， 美國一家公司在開采平台上使用了鈦管製成的長（zhǎng）套（tào）管， 對平台上的部位進行保護。

在過去幾年裏， 鈦（tài）合金部件在石油鑽探和海濱生產作業中的應用明（míng）顯增加。鈦合金部件使得石油（yóu）鑽探可（kě）以進入更深的（de）水域和更（gèng）深的油（yóu）井， 包括更（gèng）高（gāo）的溫度和腐蝕嚴重（ 即多鹽） 的生產環境。

對於這類應用， 從綜合（hé）性能來考（kǎo）慮，TC4 鈦棒（bàng）（Ti-6Al-4V） 基合金（jīn）是最適用的， 且成本最低。海（hǎi）水管道（dào）係統是海底石油開采不（bú）可缺少的（de）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Cu-Ni 係統相比是（shì）合（hé）算的。美國活性金屬公司與精密管技術公司合辦了一個鈦管技術公司， 生（shēng）產一種大口徑鈦合金管。這種管子所使用的合金是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80 ～ 90t, 計劃用於海底石油開采。美（měi）國（guó）另一家公司利用長度為15m、外徑為600mm、壁厚為25mm 的無（wú）縫鈦合（hé）金管通過擠壓方法製（zhì）成了近500m 長的豎井管， 已經用於一個近海（hǎi）鑽井平台。據稱， 這種（zhǒng）豎井管的重（chóng）量可以減輕一半， 從而大大降低壓載成本， 另外， 還具有很高（gāo）的斷裂韌性和較長（zhǎng）的疲勞壽命。

實踐證明，Ti-6Al-4V（Gr.5_TC4） 合金是鑽井管的最佳材料， 作為鑽井（jǐng）應用，屈服強度和疲勞（láo）強度是最（zuì）重要的， 因此（cǐ），兩種特（tè）別（bié）低（dī）間隙元素的Gr.5 合金（jīn）適用於比較關（guān）鍵（jiàn）的動態提升（shēng）裝置。當使用溫（wēn）度超過75 ～ 80℃時， 為了防止縫隙（xì）腐蝕或應力腐蝕， 使用含釕的Gr29 合金。

最常用的部（bù）件包括海濱鑽井（jǐng）提升裝置（zhì）、鑽探管、錐形應力接頭（TSJ） 和鈦/ 鋼混合提升裝置。

鈦泵、閥、接（jiē）頭、緊固件（jiàn）、夾（jiá）具和零配件等小型（xíng）鈦部件在石（shí）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（yòng）了鈦合金。

2.2 海港建築

鈦材表（biǎo）麵（miàn）有一層厚度不超過10nm的氧化（huà）膜， 它在腐蝕環（huán）境中（zhōng）非常穩定，對（duì）空氣、海水及海洋環境具有優異的耐蝕性， 是目前最能適應各種海洋環境的原材料。日（rì）本大力進行（háng）海洋開發， 如本洲到四國的大橋、東（dōng）京灣橫跨道（dào）路、關西（xī）機（jī）場、浮式儲油基地等。日本建設省和鋼鐵俱樂部在大井（jǐng）川（chuān）洋麵進行的暴露試驗以及運輸省和鋼管樁協會在（zài）波（bō）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（zuì）合適的材料。鈦除了具有優異（yì）的防腐性能外， 還具有海水環（huán）境下溶出離子極少， 無毒性， 不必（bì）擔心（xīn）汙染環境等優點。日本還建造了一個超大型浮（fú）式海洋建築物， 在海（hǎi）水衝刷處使（shǐ）用了鈦鋼複合材（cái）；在東京灣橫跨公路的建設中使用了鈦（tài）材做橋墩的防濺軀幹， 每個橋墩的用（yòng）鈦量為0.9t。已經使（shǐ）用或計（jì）劃中的大型浮（fú）式海洋建（jiàn）築有機場、港灣物流基地、體育設（shè）施等等。

2.3 沿海發電站

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

2.4 海水淡化裝置

“水是（shì）生命之源”。目前， 水（shuǐ）資源缺乏成為困擾全世界的問題。世界上約25% 的人口沒有（yǒu）充（chōng）足的飲用（yòng）水資源。世界上的陸地河流、地下水資源已遠遠（yuǎn）滿（mǎn）足不（bú）了工業發展的需（xū）要， 因此（cǐ）， 將（jiāng）來海水淡化將是人類解決（jué）淡（dàn）水資源的有效的方法。

從國（guó）內外海水淡化的（de）發展來看， 主要由兩（liǎng）種方法：蒸餾法和反滲透（tòu）法。前者是將海（hǎi）水加熱使其汽化， 然後將蒸汽冷凝而獲得淡水。後者是將海（hǎi）水加壓，使（shǐ）其（qí）中的淡水透過一種（zhǒng）特殊的膜而將鹽分截留獲得淡水。早期（qī）的海水淡化裝置使（shǐ）用銅合金、碳素鋼等材料， 因這些材料不耐海水腐蝕， 生產效率低， 很快被耐（nài）海水（shuǐ）腐蝕性能優異的鈦所代（dài）替。在海水淡化中， 鈦的主要應用是（shì）淡化裝置的加熱器傳熱管。海水淡化（huà）裝置的主要（yào）生產國是美國和（hé）日本。到2004 年， 全世界已建和（hé）在建海水（shuǐ）淡化裝置（zhì）已有15000多台， 日產淡水約（yuē）3200 萬噸。日本公（gōng）司為沙特建（jiàn）造日產淡水3 萬噸的蒸餾法裝置10 台， 用（yòng）鈦管3200 噸， 平均日產1 萬噸的裝（zhuāng）置， 需用鈦107 噸。

我國的天津、山東等（děng）地均建有或在建海水淡（dàn）化裝置（zhì）。如天津市海水淡化的初（chū）步規劃是到2007 年日產淡水量（liàng）達50萬噸， 到2010 年（nián）達到70 萬噸。預（yù）計天津和山（shān）東的海（hǎi）水淡（dàn）化工程用鈦量大約是250 噸。

2.5 船舶

鈦及（jí）其（qí）合金在海水（shuǐ）及海洋氣氛中耐腐蝕， 且比重輕、強度（dù）高、抗衝擊、無磁、透聲、膨（péng）脹係數小， 被認為是良（liáng）好的船舶材料。近年來， 鈦在船舶上的應用備受人們的關注。各國海軍和船舶工業對鈦在船舶上的應用研究也十分重（chóng）視， 研製出了許多牌號的船用鈦合金。鈦（tài）及其合金（jīn）在船舶中的應（yīng）用十分廣泛， 如船體結構件、深海調查船及潛（qián）艇耐壓殼體、管道、閥、船舵、軸托架、配件、動力驅動裝置（zhì）中的推進器和推進器軸、熱交換器（qì）、冷卻器、船殼聲呐導流罩等等。

鈦在艦船殼體上首次應用是前蘇聯（lián）的α 級（jí）潛水艇。隨後， 鈦被用於人工或者無（wú）人駕駛的深海研（yán）究及深（shēn）海援助潛水艇。一般的結構件（jiàn）用工業純鈦， 壓力容器用Ti-6Al-4V 合金。據資料報道，船體結（jié）構用鈦不但可以減輕船體自身重量， 增加有效（xiào）載入重量， 而且可以減少維（wéi）護（hù）、延長船舶的（de）使用壽命。鋁合金、軟鋼等船（chuán）體結構材， 一般10 年就要維護（hù）， 而鈦材幾乎（hū）不需要維護（hù）修（xiū）理， 壽命也可（kě）從一般的20 年左（zuǒ）右延（yán）長到30 ～ 40年。

日本在深海調查船用鈦合金（jīn）方麵的研（yán）究卓有成效， 在“深海6500”可容納3 名操作員（yuán）的（de）耐壓倉中（zhōng）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（jiān）努力的結果。潛艇用鈦量較大， 如一艘下潛（qián）深度900m 的核潛艇的用鈦量高達3500t。

2.6 海洋（yáng）漁業

據報（bào）道， 日本漁業已經由撈魚向魚類（lèi）養殖業轉變， 獅魚（yú）、比目魚、鰻魚等已實現人工養殖。在人工養殖技術中（zhōng），大量使用了鈦金屬網和（hé）維持一定海（hǎi）水溫度的鈦管式熱交換器。我國（guó）福建沿（yán）海一帶地區（qū）實現了人工養殖石斑魚， 所用的鈦板式養殖筐對養殖石斑魚帶來了極好的效益。

2.7 海洋（yáng）熱能轉換

海洋中蘊藏著巨大的能（néng）量， 如潮汐能、波浪能、溫差能、海流能和鹽差能等等（děng）。隨著世界能（néng）源的日益緊缺， 人們對海洋能源進行開發和利用的興趣會更大。已（yǐ）研究和開發了溫差發電和潮汐發電項目。溫差發電（diàn）的（de）原理是利用海洋表麵溫度較高的（de）海水將氨或者氟裏昂汽化來驅動渦輪機轉動（dòng）發電， 再用海洋深層的低溫海水將（jiāng）汽化的氨或者氟裏昂（áng）冷卻， 構成一個不斷循（xún）環的（de）熱機係統。

溫差發電的主要設備是蒸發器、凝縮器（qì）及海水吸管、環路等， 要（yào）求設備不（bú）僅要耐腐蝕（shí）， 而且還要耐氨和氟的腐蝕， 鈦及其合金不但具有良好（hǎo）的耐海水腐蝕性能， 而且還耐氨和氟的腐蝕（shí）， 所以鈦是最（zuì）理（lǐ）想的材料。

美國、日本的溫（wēn）差發電站上都使用了鈦管式蒸發器和凝縮器， 取得了良好的效果（guǒ）。

㈢、前景展望

海洋工程作為新興的鈦的民（mín）用（yòng）市場， 近年來發展很快。隨著世界能源危機的進一步加劇， 世界各國將投入大量的人力和物力開采海底石油資（zī）源和其它礦（kuàng）物資（zī）源；全球性淡水日益缺乏的趨勢中， 各個沿海國家都將利用海水（shuǐ）來製取（qǔ）淡水；況且， 各軍事大國的海軍裝備競爭日益激烈等等， 這些都離不開鈦及鈦合金材料。因此， 鈦及其合金（jīn）在海洋工程上的應用會越來（lái）越廣泛。預計海洋工程用鈦有望成為鈦材的一個（gè）較大的應用市場。

二、鈦合金（jīn）民用健康產品市場情（qíng）況

1、目前市場情況

目前，國內外餐具、炊具材料廣泛使用的是鐵、鋁、不鏽鋼這些材料，在使用中對人體都或多或少（shǎo）會產生（shēng）一些不利於健康的（de）因素：

①鐵鍋（guō）：到（dào）了菜裏的鐵，是三價鐵，人體是不能吸收，人體（tǐ）隻能吸（xī）收二價（jià）鐵。

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

③不粘鍋：大部分是采用“特富龍”

塗料，美國政府指控它是致癌物質。特富龍在（zài）高溫下，會釋放出十幾種有害氣體，導致一些呼吸道敏感的動物死亡。

但這（zhè）些氣體對人體的毒害（hài）作用還沒有確定。

④搪瓷餐具：塗在搪瓷製品外層的實（shí）際上是一層琺琅質，含有矽（guī）酸鋁一類物質。因為翻炒的碰撞（zhuàng）摩擦，極易造成（chéng）破損，使矽酸鋁一類物質便（biàn）會（huì）轉移（yí）到食物中去。

⑤陶鍋、砂鍋：潛在危害主要有兩方麵：一是土砂鍋的釉（yòu）質，二是“偽紫砂”。“偽（wěi）紫砂”添加鐵紅粉、二氧化錳等（děng）化學顏料配製加工而成，用化（huà）工製（zhì）劑（jì）進行增色（sè）製造而（ér）成，而非真正紫砂。

2、鈦健康產品優勢

鈦健康（kāng）產（chǎn）品的優勢是在（zài）鈦金屬表麵生有一層牢固（gù）的氧化鈦化合物薄膜，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（rèn）時（shí）不與食材發生（shēng）化學反應。所以能烹飪出食材的原汁原味，純鈦鍋（guō）是唯一可以用來煎中藥的金屬鍋。

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

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

鈦製餐具、炊具的使用優勢體現在以下幾個方麵：

⑴強防腐蝕性：比不鏽鋼更耐腐蝕，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不會產生金（jīn）屬異味，還可以用來煲中（zhōng）藥（yào）。

其它金屬的鍋具無（wú）法（fǎ）做到這一點。

⑵高硬度：比不鏽鋼（gāng）的硬度高很（hěn）多，耐磨、耐刮，半永久使用。

⑶重（chóng）量輕：太太使用很輕鬆（sōng），重量隻有鐵（tiě）鍋的一半，使用輕便。

⑷無需（xū）保養：丈夫使用很放（fàng）心 高溫燒不壞，摔不壞，無需（xū）保養。

⑸抗菌性：具有天然的（de）光觸媒（méi）抗菌（jun1）效果，在自然光線下具（jù）有（yǒu）天然的抗（kàng）菌作用，衛生、無細菌汙染。

⑹不粘效果：良好的不粘效（xiào）果，和鐵鍋相當，但不能完全不粘。

⑺節能（néng）：省時節能（néng），傳熱速度是（shì）鐵鍋的（de）7 倍，是複合底鋼鍋和合金鍋的（de）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（jiān）接觸也（yě）不會過敏（mǐn），醫療上（shàng）已取代不鏽鋼作為“人骨”植入（rù）人體內。

⑼使用範圍：可以使用火爐和陶磁爐⑽健康性：99.75％高純度的鈦金屬製成無塗層，是最（zuì）健康安全的金屬鍋具。

⑾表麵不粘性（xìng）：電（diàn）解研磨更加全（quán）麵徹底，不存在機械拋光遺留的有害粉（fěn）塵顆粒，電解研磨的鈦鍋呈現細微（wēi）的凹凸表麵，可以提升傳熱速度和不粘（zhān）性。

⑿眾人眼中的形象：在公（gōng）眾眼中鈦（tài）是用來做航天飛機、核反應堆、首飾、眼睛架高爾夫球棍等奢侈品。

鈦金（jīn）屬擁有這樣絕佳（jiā）的特性，同時（shí）鈦也（yě）是非常難以加（jiā）工（gōng）的金屬。對鈦加工技術和加工手（shǒu）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，正在等待有識之士的開（kāi）發。本項目技術生產的鈦製餐具、炊具克服了純鈦金屬難展現（xiàn）藝術性的難度和美感的（de）刻板印象，並有著鮮豔的顏色， 讓科技與生（shēng）活工藝完美結合。使千（qiān）家萬戶真正體會到“要健（jiàn）康，用鈦鍋！”

三、鈦合金建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，依次開發使用的是表麵處理過的鋼板、鋁、不鏽鋼和鈦。隨著國民經濟的持續發展和人民生活水平的不斷（duàn）提高，人們（men）對城市建（jiàn）築物的要（yào）求，特別對建築物的美觀（guān）性要求越來越高。

近（jìn）年來建築師追求使用比傳（chuán）統材料更高級的新型建（jiàn）築材料。鈦金屬具有許多非常優異性能，完全滿足（zú）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（yè）的（de）青睞。

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

其主要是應（yīng）用於建築物的屋（wū）頂，以及大廈幕牆、港口、橋（qiáo）梁、隧道、外壁、門牌、欄杆、管道等。英國、法國、美（měi）國、西班（bān）牙、荷蘭、加拿大、比利時、瑞士均有建築物使用鈦金屬作（zuò）屋頂和幕牆的範例，瑞典（diǎn）、新加坡和埃及等國家也在（zài）一些新建築上開始使用鈦金屬。1997 年（nián）西班（bān）牙畢（bì）爾巴（bā）鄂市（shì）的古根海姆博物（wù）館（guǎn）就是（shì）采用鈦金屬板構造出去曲麵的建（jiàn）築造型。阿布紮（zhā）比機場也選（xuǎn）用了（le）鈦，且用量幾百噸，該機場是世界上第一將鈦（tài）作為建築結構材料使用的機場。

我國最先提出應用鈦金屬的建築是國家大劇院，最先（xiān）應用的是杭州大劇院。

應用鈦金（jīn）屬的建築還有中國有色工程設計研究總院大（dà）門廳、杭州臨平東來第一閣、上海馬（mǎ）戲雜技場屋頂和大連（lián）聖亞極地世界等（děng）。用於城市雕塑的有陝西省寶雞市河濱公園內的鈦雕塑“海豚與人”、河北省邢台市中心廣場的鈦（tài）雕塑（sù）“乾坤球”、陝西省寶雞市步行街的鈦雕（diāo）塑“雄雞報曉（xiǎo）”等。

我國鈦金屬生產技術基本成熟，生產設（shè）計規（guī）模很大，但（dàn）銷售（shòu）市場不大，經濟效益不理想，主要是（shì）缺少客戶滿意（yì）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（cái）料，沒（méi）有足夠的品種以供使用者選擇。作為表麵裝飾材料，目前我國沒（méi）有形成較大的鈦表麵處理規模生產（chǎn）企業，加工還（hái）停留在手工作坊生產方式階段，這不利於（yú）大麵積使用鈦作為裝飾用材。

2、品位低：沒有較高品質的產品，更沒有（yǒu）鈦及（jí）相關複合材料的大（dà）量供應（yīng），隻能生產一些模（mó）型、城雕、工（gōng）藝品（pǐn）等，沒有品位較高的表麵裝飾材料及其生產手段。

3、價格高：由於沒有穩定的高品（pǐn）質的產品，不可能有大麵積的廣泛應用，導致使用量小、價格高，更不利於推廣使用。

4、設計者因素：我國沒有類似職（zhí）業培（péi）訓製度（dù），新材料發明後沒有在建築設計師思維（wéi）中儲存下來，導致在建築原（yuán）創設計圖（tú）很少把鈦金屬設計進去，用途就（jiù）顯然少（shǎo）了。

近年來隨著全球海洋化的進展以及鈦原材料價格不斷下跌，鈦在建築、裝飾領域的需求量和應用範圍正在不斷拓展，預計今後幾年在建築、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（liàng）將達5000 噸以上，造（zào）船工業（yè）用（yòng）鈦量將達5000 噸以上。

而我國現（xiàn）在還（hái）沒（méi）有一家專業從事建（jiàn）築裝飾用鈦材生產企（qǐ）業，隻是將（jiāng）工（gōng）業用材料簡單的應用於民用領域，與市場（chǎng）和行業需求差距較大（dà），急需建立專業（yè）化生產線，滿足這一領域的各項專業化需求。

鈦是目前能大量生產的、價格最低（dī）的、幾乎完全不被海水腐蝕的金屬。作為建築材料，鈦材的反射率（lǜ）較小，並呈現淡銀灰色，擁有迷人的金屬自（zì）然光澤。

寶雞鈦（tài）產業研究院將生產建（jiàn）築裝飾用鈦材，主要是應用於建（jiàn）築物（wù）的屋頂，其次是大廈的幕牆、港灣設施、橋梁、海底隧道、外壁、裝飾物、小配件類、立柱裝飾、外裝、紀念碑（bēi）、標牌、門牌、欄杆、管（guǎn）道、防蝕被覆（fù）等。項目利用國內現有鈦板、鈦卷帶為原料（liào），采用整形拋（pāo）光、壓（yā）花技術，使板材（cái）表麵光亮，色澤一致（zhì）並具（jù）有金屬花紋；采用大麵積板（bǎn）材陽極氧化著色技術，為板材表麵著色，形成多（duō）彩顏色（sè），滿足建（jiàn）築、裝飾類材（cái）料的需求。

四、航空用鈦合金研究進展

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

美國科學家在1910 年采用“鈉法”（鈉還原TiCl4）最早獲得金屬鈦，但是鈦工業（yè）並沒有（yǒu）隨著（zhe）鈦的發現立即得以發展。

直到第二次世界（jiè）大戰後的1948 年，盧（lú）森堡科學家發明的“鎂法（fǎ）”（鎂還原TiCl4）在美國用於生產之後鈦工業（yè）才開始起步。

鈦比鋼密度小40%，而鈦的（de）強度和鋼的相當，這可以提高結構效率。同時，鈦（tài）的耐熱性、耐蝕性、彈性、抗彈性和成形加工（gōng）性良好。由於鈦具備上述特性，從一出現鈦合金就應用於（yú）航空工業。1953 年（nián），美國道格拉斯公司出產的（de）DC-T 機發動機防火壁和短艙上首次使用鈦材，開（kāi）始（shǐ）鈦合金應用於航空的曆史。

航天（tiān）飛機是最主要的、應用範圍最廣的航空器。鈦是飛機的主要結構材料，也是航空發動機風扇（shàn）、壓氣機（jī）輪盤和葉片等重（chóng）要構件的首選材料，被譽為（wéi）“太空金屬”。飛機越先進，鈦（tài）用量越多，如美國 F22 第（dì）四（sì）代機用鈦含量為41%（質量分數（shù）），其F119 發動機用鈦含量為39%，是目（mù）前用鈦含量（liàng）最高的飛機。鈦合金研究起源於航空，航空工業（yè）的發展也促進了鈦合金的發展。航空（kōng）用鈦合金的（de）研究一直是鈦合（hé）金（jīn）領（lǐng）域中最重要、最活躍的一個分（fèn）支（zhī），但其發展也極其艱辛，如人們（men）花費十幾年的精力克服航空發動機用鈦合金的“熱障”問（wèn）題。

本文從合金基體相（xiàng）組成角度（dù）對鈦合（hé）金（jīn）進行歸類。以飛（fēi）機（jī）為航空器的（de）代表，著（zhe）重（chóng）介紹鈦合金在航空發動機、飛機機身、航（háng）空緊（jǐn）固件（jiàn）等方麵的應用（yòng）研究（jiū）情況。最後，分（fèn）析航空用鈦（tài）合金發展過（guò）程中存在的問題。

1 鈦合金的（de）分類

美（měi）、英、俄、法、日（rì）等國鈦（tài）合金的分類多為廠（chǎng）家自定，名目繁多。某些公司直接采（cǎi）用元素的化學符號和數字（zì）代替所加合金元素及其含（hán）量命（mìng）名，如Ti-6Al-4V（相（xiàng）當於我國的TC4），各國牌號對照及（jí）化學成分如表（biǎo）1 所列 。按相組成鈦合金可分為：密排六方結構（HCP）的α 型鈦合金（包括近α 型合金）—即國內牌號TA、兩相混（hún）合（hé）的α+β 型鈦合金—即國（guó）內（nèi）牌號 TC 和體心（xīn）立方結構（BCC）的β 型鈦（tài）合金（包括近β型（xíng）合金）—即國內牌號為 TB 。

1.1 α 型鈦合金

退火狀態以α 鈦為基體的單相（xiàng）固溶體合金為α 型鈦合金， 它主（zhǔ）要含Al、Sn 等元（yuán）素。Al 能增加合金的抗拉和蠕變強度，減小鈦合金的密度，提高比強（qiáng）度，是鈦合金中重要的合金元素。為了最大限度（dù）地（dì）發揮鋁的固溶強化（huà）作用，避免因過量（liàng）Al 引（yǐn）起合金脆（cuì）化，高溫鈦合金的（de）合金（jīn）化（huà）工作應遵循ROSENBERG 提（tí）出的當量經驗公（gōng）式，隻（zhī）有這樣才能保（bǎo）證（zhèng）合金在提高耐熱（rè）強度的同時（shí）保持良好的熱穩定性（xìng）。α 鈦合（hé）金中的這些（xiē）元素通過（guò）在相變溫（wēn）度下（xià）抑製相變或者提高相變溫（wēn）度而起到穩（wěn）定作用。與β 型鈦合金相比（bǐ），α 型合金具有良好的抗蠕變性能，強度、可焊性以及（jí）韌性，是高溫下使用的首選合（hé）金 。同時，α 型合金不存在冷脆性，它也（yě）適合在低溫環（huán）境中使用，擴大了其應用範圍。α 型合（hé）金鍛（duàn）造性較差，容易（yì）產生鍛造缺陷，可通過減少每道次加工率和頻繁熱處理來控製鍛造缺陷。α 基體為穩定（dìng）相，對於給定成分合金而言，其（qí）性能變（biàn）化主（zhǔ）要是晶粒大小的變化 ，因為屈服強度和抗蠕變強度均與（yǔ）晶粒大小、變形時儲（chǔ）存的能量有關（guān）。α 型鈦合（hé）金不能通過熱處理來提高強度，退火後強度基本無（wú）變化或少有變化。有些合金含有較多（duō）的 Al、Sn、Zr 及少量的β 穩（wěn）定元（yuán）素（一般小於2%）。盡管這些合金（jīn）中含有β 相，但基體主要由α 相（xiàng）組成（chéng），在熱處理敏感性和加工性（xìng）能上都與α 型合（hé）金很接（jiē）近，被稱為近α 型鈦合金。近α 型（xíng）合金是在人們（men）認識到采用固溶合金元素強化α 基體（tǐ）可以得到高的蠕變（biàn）強度基礎上開發的，大多數近（jìn）α型合金因具有較好（hǎo）的（de）熱穩定性，現在已成為高溫鈦合（hé）金的重要（yào）合（hé）金種類（lèi）。它（tā）的強化（huà）機製是β 相中原子擴散快，易於發生蠕變（biàn），β 穩定元素還有抑製α 相脆化的作用（即（jí）延緩α 中（zhōng）形成有序相的過程）。

常見的α 型（xíng）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，其成分和性能（néng）如表2所列。

1.2 α+β 型鈦合金

為提高鈦合金的（de）強度和（hé）韌性，人們研製出（chū）α+β 型鈦合金。與其他鈦合金相比，α+β 合金中同時加入（rù）α 穩定元素和β 穩定元素，使α 和（hé）β 相得到強化。α+β 合金具有優良的綜合性能，如其室（shì）溫強度高於α 合金的，熱加工工藝性能良好（hǎo），可以進行熱處理強化，因此適用於航空結構件。α+β 型（xíng）鈦合金退火組織為α+β 相，β 相含量一般（bān）為5%~40%。但其組織不夠穩定，使用（yòng）溫度最高隻能（néng）到500℃，焊接性能和耐熱性低於（yú）α 型鈦合金。

α+β 型（xíng）鈦合金主（zhǔ）要有（yǒu）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TC11 合金也被稱為近β 合金。

ZHOU 提（tí）出了一種TC11 合（hé）金加工（gōng）工藝，先將合金（jīn）在（zài）低於β- 轉變溫度15°下進行熱處理，隨後快（kuài）速水冷（lěng），再經過高（gāo）溫和低溫增韌強化熱處理，獲得一種新的顯微組織（zhī）。這種新組織基體由15%等軸α 晶粒、50%~60% 層狀α 晶粒和已轉變完成（chéng）的（de）β 晶粒組成。其研究結果顯示該合金表現出較高的抗疲勞性能，較（jiào）長（zhǎng）的蠕變疲勞壽命，高韌性和（hé）優良的高溫服役性能，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（kòng）製（zhì）。

這（zhè）種TC11 鈦合金加工工藝已應用於生產（chǎn）可靠的航空發動機壓氣（qì）機盤、旋轉子和其他部（bù）件。

1.3 β 型鈦合金

β 穩定元素含量足夠高，且固（gù）溶處理後快速冷卻β 相（xiàng）保留至室溫得到（dào）的合金（jīn）稱為（wéi）β 型鈦合金。按照穩定狀態（tài）組織類（lèi）型（xíng）分類，β 鈦合金可分為穩定（dìng）型β 鈦合金，亞穩型β 鈦合金，如圖1所示。在圖1 中，MS 為馬氏體（tǐ）相變（biàn）溫度線，βC 為亞穩型合金的β 穩定元素最低含量，βS 為穩定型合金（jīn）β 穩定元素最低含（hán）量。

圖1 β穩定劑含量（liàng）和鈦合金相組成的關係

β 合金在固溶（róng）狀態下冷成形性能良好，而且淬透性（xìng）和熱處理響（xiǎng）應性也優良。

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

金屬材料在變形和斷裂（liè）過程中吸收能量的能力稱為韌性，材料吸（xī）收的能量越多，韌性也就越好。斷裂韌性（xìng）是表示材料韌性的指標，反映材料對裂紋和其他尖銳（ruì）缺陷（xiàn）擴展的抵抗能（néng）力（lì）。通常（cháng）來（lái）說，鈦合金的斷裂韌性和強（qiáng）度（dù）呈反比趨勢（shì），即強度提高的同時斷裂韌性下降。研究β 鈦合（hé）金在航空航天（tiān）工業的應用，需要（yào）設計同時具備良好強（qiáng）度和（hé）斷裂韌性的顯微組織以（yǐ）及（jí）加工工藝和熱處理製度。合金成分（fèn）和顯微組織是決定β 鈦合金斷裂韌性的兩個（gè）主要因素。合（hé）金（jīn）成分決定合金中β 相的數量，也決定合金的類型和斷裂韌性。顯微組織的（de）形態、數量、體積同樣影響合金斷（duàn）裂韌性的高低。付豔豔等認為β 鈦合金的β 穩定元素和中型元素Zr 可以提（tí）高合金的強度，降低斷裂（liè）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（huì）降低（dī）Ti-15-3 合金的斷（duàn）裂韌性，但對β-C和Ti-1023 合金的斷裂韌性無明顯影響。

時效態β 鈦合金的強度主要取決於時效析出（chū）的次生α 相的含量和尺寸（cùn），在含有同樣初生α 相的情況下，細小的次生α 相可以顯著提（tí）高合金的強度（dù）。

初生α 相的粗化以及初生相從球（qiú）狀轉變為片狀（zhuàng）會導致β 鈦合金塑性降低，斷（duàn）裂韌性提高。β 鈦（tài）合金的雙態組織具有良好的強度、塑性和韌性的匹（pǐ）配。

β 鈦合金之所（suǒ）以得到廣泛的應用，也是因為其時效後具有其他類型的鈦（tài）合（hé）金無法比擬的（de）高強度和高（gāo）塑性優勢。同時，β 鈦合金所具有的可熱處理（lǐ）強化性和深淬透能（néng）力使得（dé）它逐（zhú）漸代替α+β兩相鈦合金成為用於飛機機身（shēn）和機翼（yì）的首選結構材料，在航空（kōng）航天工業中發揮著越來越重要的作用。

2 航空用（yòng）鈦合金的發展及應用（yòng）

20 世紀（jì）50 年（nián）代，軍用飛機進入超音速時代，原（yuán）有（yǒu）的鋁、鋼結構（gòu）已經不能滿足新的需求，鈦合金恰恰（qià）在這個時候進入了工業性發展階段。鈦合金因密度小、比強度高、耐蝕、耐高溫、無磁、可焊、使用溫度（dù）範（fàn）圍寬（269~600℃）等優異性能（néng），而且能夠進行各種零件成形、焊接和（hé）機械加工（gōng），在（zài）航空領域很快（kuài）得到廣泛應用。20 世紀50 年代初期的軍用飛機（jī）上開始使用工業（yè）純鈦製造後機身的隔熱板（bǎn）、機尾罩、減速板等受力（lì）較小的結構件。20 世紀60 年代，鈦合金進一步應用到（dào）飛（fēi）機襟翼（yì）滑軋、承力隔框、中翼盒形梁、起（qǐ）落架（jià）梁等主要（yào）受力結構件中。到（dào）20 世紀70 年代，鈦合金（jīn）在飛機（jī）結構上的（de）應用，又從戰鬥機擴大到軍用大型轟炸機和運輸機，而且在民用飛（fēi）機上（shàng）也（yě）開始大量（liàng）采用鈦合金結構。

進入20 世紀80 年代後，民（mín）用（yòng）飛機用（yòng）鈦逐步增加，並已超過軍用飛機用鈦。飛機越先進，鈦用量越多。表（biǎo）3~5 所列分別為美國（guó）第3 代、第4 代戰鬥機及先進轟炸（zhà）機、運（yùn）輸機用鈦材的質量分數 、一般飛機（jī）使用的鈦合金種（zhǒng）類和空客飛（fēi）機鈦合金和複合材料的用量。由（yóu）表5 可知，空客A380 飛機上的鈦材使用（yòng）量已達10%，鈦材已經成為現代飛機不可缺少（shǎo）的結構材料。根據用途不同，可將航空用（yòng）鈦合金分為飛機發動機用鈦合金、飛（fēi）機機身用鈦合金（jīn）和航空緊固件用鈦合金。近年來，人們對航空用鈦合金在上（shàng）述 3 個方麵的應用進行了深（shēn）入研究。

2.1 航空發動機用鈦合金

發動機（jī）是飛機的心髒。發動機的風扇、高壓壓氣機（jī）盤件和葉片等轉動（dòng）部件，不僅要承受很大的應力，而且要有一定的耐熱性。這樣的工況條（tiáo）件對鋁來說溫度（dù）太高；對鋼來（lái）說密（mì）度太大。鈦是最佳的選擇，鈦（tài）在300~650℃溫度下具（jù）有良（liáng）好的抗高溫強度、抗蠕變性和抗氧（yǎng）化性能。同時，發動機的一個（gè）重要性能指標是推重比，即發動機產生的推力與其質量之比。最早發（fā）動機的推（tuī）重（chóng）比為2~3，現在能夠達到10。推重比越高，發動機性能（néng）越好。使用鈦合金替代（dài）原鎳基高溫合金可使發（fā）動機的質量降（jiàng）低，大大提高飛機（jī）發動機的推重比。鈦在飛機發動機上的用量越來越多。在國（guó）外（wài）先進航空發動機中，高（gāo）溫鈦合金用量已占發動機總質量的25%~40%，如第3 代發動機F100 的（de）鈦合金用量為25%，第4 代發動機F119 的（de）鈦合金用量為40% 。

航空發動機部件要求鈦合金在室溫至較高的（de）溫度範圍內具有很好的瞬時強度、耐熱性能、持久強度、高溫（wēn）蠕變抗力、組織穩定性。β 型和近β 型鈦合金（jīn）盡管在室溫至300℃左右具有（yǒu）高的拉伸強度，但在更高的（de）溫度下，合金的蠕（rú）變抗力和耐熱穩定性急劇下降，所以β 型鈦合金很少用於飛機發動（dòng）機。α 型和近α 型鈦（tài）合金具有（yǒu）良好的蠕變、持久性能和焊接性，適合於在高溫環境下使（shǐ）用。

α+β 型鈦合金不僅具有良好的熱加工性能，而（ér）且（qiě）在中高溫環境下還具有良好的綜合性能。因此，α 型、近α 型和α+β 型鈦合金（jīn）被廣泛（fàn）應用於航空發動機（jī）。表6 所列為世界各國研製（zhì）的飛機發動（dòng）機用鈦合金。

目（mù）前，航空（kōng）發動機用高溫（wēn）鈦合金的最高工作溫度已由350℃提高（gāo）到600℃，能夠滿足先進發動機對材料的需求。經過世界各（gè）國鈦合金研（yán）究者半（bàn）個（gè）世紀的努力，研製出（chū） 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（jù）有密度低、彈性模量高、振動阻尼性能優良、熱穩定性好、焊（hàn）接性能和成型性能好等諸多優點（diǎn），其比剛度是（shì）所有工業鈦合金中最高的。趙永（yǒng）慶等（děng）對（duì）Ti811合金熱穩定（dìng）性和高溫疲勞性能等問題（tí）進（jìn）行深入研（yán）究，研究顯微組織和試樣表麵狀態對Ti811 合金熱穩定性能的影響。結果表明：具有等軸組織和（hé）雙態組織的Ti811 合金有很好的熱穩定性能；針狀組織的存在使Ti811 合金熱穩定性（xìng）能惡化。此外，研究認為Ti811 合金在（zài）425℃熱暴露下，表麵氧化層及暴露時間對合金的（de）熱穩定性能沒有明顯（xiǎn）影響（xiǎng）。

高廣睿等利用高頻疲勞實驗機和自製高溫微動疲勞裝置研究溫度（dù）、位移幅度、接觸壓力等（děng）因素對Ti811 鈦合金高溫微動疲勞（FF）行（háng）為的影響。結果表明：

在350℃和500℃的高溫下，Ti811 合金微動疲勞敏感性隨著溫度的升高微動疲勞的敏感性增強，蠕變是高（gāo）溫下Ti811合金FF 失（shī）效的（de）重要影響因素，位移幅度變化（huà）影響疲勞應力因素（sù）和磨損在（zài）FF 過程中（zhōng）所起作用和機製。

Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V 是前蘇聯20世紀60 年代研製成（chéng）功的一種（zhǒng）通用性合（hé）金， 該合金能夠（gòu）在300~500 ℃ 溫（wēn）度下工作，主要用（yòng）於生產飛機發動機匣。

OUYANG 等在研究Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V鈦合金不同溫度和應（yīng）變速率下的再結晶行為（wéi）方麵做了大量工作。研究結（jié）果表明（míng）：

在變形溫度高於1050℃、應變速（sù）率低於0.01s-1 時，合金的動態再結晶機製以（yǐ）不連續動態再結晶（jīng）為（wéi）主；在（zài）變形溫度低（dī）於1050℃、應變速率高於0.01s-1 時，合金的動態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動態再結晶。此外，Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V 合金相變時的位向關係與其他鈦合金（jīn）有所不同，HE 等對影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（如變形應力、應變速率和冷卻速率（lǜ））在β → α 階（jiē）段轉換遵守（shǒu）Burgers 位向轉換規則。然而，應變速率（lǜ）和冷卻速率（lǜ）能顯（xiǎn）著影響α 沉澱相的形態。

Ti-679 合金為低鋁高（gāo）錫，再添加鋯、鉬、矽等（děng）合金元素而得到的，可用作發動機（jī）高壓壓氣（qì）機葉（yè）片和（hé）盤。在它的合金元素中，鋁的作用是提高合金強度，但易導致塑（sù）形變差（chà），用低鋁高錫配（pèi）合，可以獲得較好的塑形和強度；鉬的作（zuò）用是避免形成過多（duō）的β 相，使蠕變強度（dù）下降；而（ér）鋯的作用是補充強化α 相 。Ti-679合金的抗蠕變性能和熱穩定性（xìng）都比（bǐ）較好，其工作溫度可達（dá）450℃。

TC6 鈦合金的熱強性和熱穩定性良好，它在高溫下的力學行為（wéi）與微結構的變化引起全世界研究者（zhě）的廣泛關注。白（bái）新房等對TC6 鈦合金進行990℃保溫熱處理，研究保溫過（guò）程中（zhōng）氧原子、合金（jīn）元素分布變（biàn）化對內（nèi）表層組織及硬度的影響。結果表（biǎo）明：在990℃熱處（chù）理後試（shì）樣內（nèi）表層富氧α 層從邊部到（dào）基體內部顯微硬度呈現低- 高- 低的變化規律，在距（jù）邊部約（yuē）55μm 處達到最大值449HV1。內（nèi）表層顯微硬度的變化（huà）是由於氧化作用而導致（zhì）內表層合金元素分布變化和氧原子的富集引起（qǐ）的。孫坤等研究 4種典型組織TC6 鈦合金試樣在（zài）高應變率加載條件（1×103s-1）下的動態力學行為。結果表明：不同組織TC6 鈦合金的流變應（yīng）力（lì）隨應（yīng）變增加快速增加。

TC17 鈦合金是一種富β 穩（wěn）定元素的過渡型兩相鈦合（hé）金，該合金在中溫（300~450℃）具有抗蠕變性能高，淬透性好、斷裂韌度高等優點，廣泛用於製造航空發（fā）動機風扇盤、壓氣（qì）機盤（pán）。作為兩相鈦（tài）合金，TC17 可以通過（guò）熱處理調整其顯微組織，進而提高綜合力學性能，其標準（zhǔn）熱處理工藝為：（840℃，1hAC）+（800 ℃，4hWQ）+（630 ℃，8hACTC4）。孫曉敏等研究激光熔化沉積TC17 鈦合金（jīn）原態及固溶時效（xiào）後的顯微組織。結果表明：當固溶溫度從 800℃升高（gāo）到835℃時，初生α 相體積分數由 53% 減少到34%，時效後相（xiàng）片層顯著增粗，寬 0.7~0.8μm，次生（shēng）α 相含量伴隨固溶溫度升高逐漸（jiàn）增多。TC19鈦合金是20 世紀美國開發的一種富β的α+β 型鈦合金，是在Ti-6242 合金（Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo） 基礎上發展而來，是一種（zhǒng）高強度高韌性鈦合金。與Ti-6242 合金（jīn）相比（bǐ），TC19 鈦（tài）合金提高Mo 含量，使室溫和高溫拉伸性能得到改善（shàn）。而（ér）Sn 和Zr 的加入（rù），使該合金的（de）相變行為變（biàn）得（dé）非常緩慢 。朱寶輝等（děng）研（yán）究不同鍛造工藝製備的（de）TC19 鈦合金棒材。結果表明：常規鍛造工藝和高- 低-高鍛造工藝（yì）均可用來鍛造TCl9 合金棒材，但采用高- 低- 高鍛造工藝得到的（de）棒材的力學性能優於常規鍛造工（gōng）藝。

TC21 合金是我國自行研（yán）製的具有獨立知識產權的新型兩相高強韌鈦合金，在航空、航天領（lǐng）域作為重要的結構材料使用。人們對該合（hé）金（jīn）的冷卻速度、熱處（chù）理和（hé）組織性能的關係先後展開了較多（duō）研究。王義紅等提出：當冷（lěng）卻速率大於122e/s 時，β 相轉變形成正交馬氏（shì）體，冷卻速率介於 122~3℃ /s 之（zhī）間時，發生塊狀轉變，冷卻速率繼續降低（dī），相變由擴散控製，形成兩種（zhǒng）不同形貌的（de）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（huà）後，在表層形成一個彈塑性變（biàn）形層。強化過程中由於密排六方晶體的基麵、柱麵和（hé）錐麵（miàn）滑移係（xì）的開動造成位錯密（mì）度升高，A 相中位錯形貌呈現網狀；強化前納米壓痕硬度為（wéi）3.2GPa，強化後為6.7GPa，提高1 倍以上。在強（qiáng）化層內形成很高的宏觀（guān）殘（cán）餘壓應力，並且表現（xiàn）為（wéi）由表麵向裏逐漸減少的梯度變（biàn）化（huà）。強化層深度達到370μm。宮旭輝等研（yán）究TC21 鈦合金（jīn）的高溫動態拉（lā）伸力學行為。結果表（biǎo）明：當應變速率為0.001 和0.05s-1 的屈服應力- 溫度曲（qǔ）線存在轉折點，且轉折點溫度隨應變速率的增大（dà）而升高；當（dāng）溫度低於轉折點（diǎn）溫度時，相同氧含量的TC21鈦合金和多（duō）晶純鈦的屈服（fú）應力具有相似（sì）的溫度相關性。曲恒磊等對TC21 鈦合金進行應變速率（lǜ）為（wéi） 0.01~50s-1、溫（wēn）度（dù）為973~1373K 的壓縮試驗後得出結論，在試樣的（de）不同（tóng）部位存在變形組織的不均勻現象，該合金在不（bú）同溫度區域變形時分別發生重結晶（jīng）和動態（tài）再結晶（jīng）。重結晶導（dǎo）致晶（jīng）粒粗化（ 尺寸約100~200μm）。

而動態再結（jié）晶導致晶（jīng）粒細化（最（zuì）小尺寸（cùn）為1~2μm）。

以上幾種合（hé）金為常規航空發動機（jī）用鈦合金，其使用溫度均在 650 ℃以下。

目前實用性能耐熱鈦合金是Ti1100 和IMI834，它（tā）們已經分別應用於EJ2000 和55-712 改型發動機。由（yóu）於“鈦火”事故的出現，阻燃鈦合金越（yuè）來越受到人們的（de）關注。美、俄等國進行了阻燃性能良（liáng）好新型鈦合金的研製（zhì）。由美國普惠公司研（yán）製的高強阻（zǔ）燃鈦（tài）合（hé）金 Alloy C，已用作F119 發動機的矢量噴口零件，該合金的名義成分為Ti-35V-15Cr（質量分數，%），合金中含大量昂貴（guì）金屬釩，再加上（shàng）Alloy-C 合（hé）金鑄錠熱變形工藝要采用一些專用設備，進一步提高了材料價格。俄（é）國（guó）對成本較低的Ti-Cu 合金進行了研究（jiū）， 並報導了BT25 和BT36 合金。中國科研工作（zuò）者對前人的發動機用鈦合金研究工作進行過（guò）係統總結和中肯評價。

2.2 飛機機身用鈦合金

飛機發動機要求所用合金熱強（qiáng）度、比強度好，而機身則要求合金在中等溫度下具備強度好、耐腐蝕、質輕等優良特（tè）性。鈦合金能（néng）很好的達到這些要求，采用鈦合金做機身材料有以下（xià）5 方麵優勢：1）替代鋼和鎳基高溫合金可大大降低飛機質量。高推重比讓鈦合金（jīn）能夠替代強度稍好的鋼而用於（yú）飛機零部件中。2）能夠滿足飛機強（qiáng）度要求。

與鋁合金相比，60% 左右質量的（de）鈦合金即（jí）可達到相同的強（qiáng）度。在使用溫（wēn）度超過 130℃時，鈦合金（jīn）能取代鋁合金，因（yīn）為這一溫度（dù）是傳統鋁（lǚ）合金的極限適（shì）用溫度。3）耐腐蝕性良好。大部分飛機支撐（chēng）機構在廚房、廁所下麵（miàn），很容易（yì）產生腐蝕，鈦（tài）合金不需要表麵防腐塗層或者（zhě）鍍膜。4）與（yǔ）聚合物複合材料電化學相容性好。5）空間的限製，替代鋼和鋁合（hé）金。因空間限製而使用鈦合金的典（diǎn）型（xíng）例子是波音747 的鈦合金起落架梁。這種梁是最（zuì）大（dà）的鈦合金鍛件，盡管其他合金（比如7075 鋁合金）成本更低，但承載需要質量時，鋁合（hé）金起落架體積超出機翼範（fàn）圍而不符合要求。鋼的強度足可以承載（zǎi）質量，但它會使飛機質量（liàng）大大增加（jiā）。圖2 所（suǒ）示是（shì）波音777 飛機機身（shēn）使用材料示意圖 。在飛（fēi）機機身中應用較廣泛的鈦（tài）合金（jīn）有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（tài）合金在機身的（de）應用情況進行過總結，本文作者僅討論前兩種合（hé）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，具有抗氧化性，可作為複合材（cái）料來使用。

它（tā）具有較好的高溫特性，並比Ti-6-4具有更好的抗（kàng）蠕變性能（ 一般β 合金在高溫環（huán）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（wēn）環（huán）境，它的（de）持續工（gōng）作溫度是480~565℃。β-21S 合金的突出優點在於（yú）它可以較好地抗高溫液壓機液體腐蝕。這種液壓機（jī）液（yè）體是一種少數能（néng）在航天環境下腐蝕鈦合金的物質，在超過130℃時會分解（jiě）並形成一種含有機金屬（shǔ）的磷酸，會腐（fǔ）蝕鈦合金，更重要的是會使含有大量氫的發動（dòng）機泵產生嚴重的脆裂。β-21S 是唯一一（yī）種能抵抗這種（zhǒng）腐蝕劑的（de）金屬 ，這是因為β-21S 含有（yǒu）鉬和铌，可用於引擎機艙和噴射引擎部位（原先使用（yòng）鋼（gāng）或鎳基合金）。此外，β-21S可（kě）減少質量，用於製造波音777 的3 種引擎（P&W4084，GE90 和Trent800）中的噴嘴、塞子、蒙皮和各（gè）種縱梁結構，這些（xiē）可以為每架飛機減少質量74 kg。

Ti-10-2-3（Ti-10V-2Fe-3Al）是（shì）迄今為止應用最（zuì）為廣泛的（de）一（yī）種高強（qiáng）韌近β 鈦合金，最早也由美國Timet 公司在1971 年（nián）研製而成。它是一種為適應損傷容限性設計原則而產生的高結構效益、高可靠性和低成本的鍛（duàn）造鈦合金，V 和Fe 為主要的β 穩定元素。為了提高合金的鍛造性能和斷（duàn）裂韌性，Fe 的含量低於2%，O 的（de）含量限製在 0.13% 以下。

該鍛件抗拉（lā）強度可達11901Mpa，用（yòng）Ti-10-2-3 可（kě）為每架飛機（jī）減少質量270kg。

波音公司生產飛機時選擇（zé）高強（qiáng）度合金並最大限度減少質量，該鈦合金是波音777 中用量最大的β 鈦合金，該種飛機起落架（jià）幾乎全（quán）部由該合金製成，僅（jǐn）內、外氣缸和輪軸（zhóu）由（yóu）4340M 製成（強（qiáng）度為1895MPa）。空客A380 的主起落架支柱也是采用的Ti-10-2-3 合金。該合金還（hái）具有（yǒu）很好的抗疲（pí）勞性能，還能消除用（yòng）鋼時產生的應力腐蝕開裂。McDonnellDouglas 采用Ti-10-2-3（1105 MPa）製成貨艙（cāng）門、引擎機艙（cāng）、尾翼以及（jí）C-17運輸機（jī）的其他部分。Ti-10-2-3 在疲勞強度方麵的優勢也使其廣泛應用於直升機。Bell，Westland，Sikorsky 和Eurocopter 等公（gōng）司都采（cǎi）用Ti-10-2-3 合金做他們的轉子係統（tǒng）。

2.3 航空緊固件用鈦合金

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

鈦與碳纖維複合材料的（de）電極電位相近，鈦合金又成為複合材料（liào）惟一的連（lián）接材料。因此，隨著先進軍民用飛機鈦合金和複合材料用量的不斷增加，對鈦合金緊固件的需（xū）求日益加大。鈦合金用作航空緊固件（jiàn），至（zhì）少具備以下4 點（diǎn）優（yōu）勢（shì）：1）減重效果好。俄羅斯的（de）一架伊（yī）爾-96 飛機用緊（jǐn）固件14.2 萬件，可減少質量近600kg。我國航空（kōng）航（háng）天係統（tǒng）鈦合金緊固件的使用也（yě）有（yǒu）明顯的減重效果。飛機和航天器減少質量後，可以提高推力、增加射程、節省燃料、減少發射費用（yòng）等。

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

現代飛機采用多種（zhǒng）鈦合金（jīn）緊固件主要有普通鈦螺（luó）栓、幹（gàn）涉螺栓、特（tè）種緊固（gù）件等。美國、法國等航空發 達 國（guó） 家，95% 以 上 的 鈦（tài） 合 金 緊（jǐn） 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（néng）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（tā）的優點是密度最低，強度和疲勞性能（néng）良好，合金成分簡單，半成品成本（běn）最低。但由於室溫塑（sù）性沒有達到足夠高，所以（yǐ）加工緊固件時需要采用感應加熱（rè）進行熱鐓成形，以及真空固溶處理和時效處理（lǐ）加工成本較高。

TB2、TB3、TB8 和TB16 為亞穩型（xíng）β 鈦（tài）合（hé）金，β 穩定係數（shù）均比合（hé）金高，缺點是密度較高，強度雖與Ti-6Al-4V 相（xiàng）當，但疲勞性能不如 Ti-6Al-4V，而且成分複雜，半成品成本高。由（yóu）於同樣需要進行真空時效處（chù）理，所（suǒ）以成（chéng）品緊固件的（de）成本還要高於（yú）Ti-6Al-4V。

3 存在的問題與前景展（zhǎn）望

鈦是一種性能優異（yì）而又儲量豐富的金屬（shǔ），有“現代金屬”的美稱，經過半（bàn）個世（shì）紀的發展，鈦合金製備技術和應用研究都取得了很大進展，在航空領域中（zhōng）尤其得（dé）到廣泛的應用。但存在的一些問題也逐漸暴露出來，航（háng）空用鈦合金進（jìn）一步（bù）發展麵臨著不小的挑戰，主要表現在以下3 個方麵：

（1） 用量方麵。不論是軍民用飛機或航空器中（zhōng），鈦合金用（yòng）量（liàng）高低直接反應出一個國家的航空水平。目前航空發（fā）動（dòng）機鈦用量都（dōu）較低，要進一步提高至 50%左右，其（qí）難度仍相當大。

（2） 性能方麵。與其他航空結構（gòu）材料（liào）一樣，高性能是要求具有良好的性能匹配，即必須綜合考慮其力學性能、物理性能、化學性能、工藝性能和（hé）缺陷的可控性。現有的鈦合金在600℃以上（shàng），蠕變抗力和高溫（wēn）抗氧化性的急劇下降是限製鈦合金擴大應用的兩大（dà）主要障礙。

本文作（zuò）者認為，在整個航空鈦合金技術發展和應用過程中，新（xīn）的製造技術（shù）將會是開發和研究的重點，如超塑（sù）成形等近（jìn）淨型加工、粉末冶（yě）金成型法等。

（3） 成本方麵。目前人們在降低（dī）成本（běn）航空鈦合金方麵雖然取得了一些成就，但仍有許（xǔ）多領域有待研究和開（kāi）發。以阻燃鈦合金為例，美國發明的（de）Alloy-C 雖然具有優良的阻燃特性和高溫力學性能，但由於它需要添加大量昂（áng）貴的V 和較差的可（kě）鍛性而導致價格很高，因此隻有在F119 發動機中正式應用。

由於管（guǎn）理和技術落後等原因（yīn），國內鈦合金產品價格在國際上競爭力差，在國內不利於（yú）進（jìn）一步擴大應用。因此，首（shǒu）先必須認真研討降低鈦產品成本的途徑，確定近、中、長期（qī）發展規劃。其次（cì），我國應建立自（zì）己的鈦合金體係，確（què）保每一用途有多種合金備選，逐步擺脫航空關鍵材料對國外的長期依賴，形成主幹材料或（huò）通用（yòng）材料，從根本上為實現低成（chéng）本製造（zào）奠定（dìng）基礎。最後，用價格較低的元素（sù）取代貴的合金元素，通過工藝途徑降低鈦合（hé）金零（líng）部件的成本，是今後鈦合（hé）金（jīn）研究工作中（zhōng）的（de）重要課題。

綜上所述，鈦合金推重比大、韌性高、強度和（hé）可（kě）焊接性好，是一種（zhǒng）綜（zōng）合性能（néng）優（yōu）良的航空材料。在過去（qù）幾十年中，航空用鈦（tài）合金的合（hé）金化（huà）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，鈦合金的研究主要集中在高溫下（xià）熱穩定性、蠕變抗力和低成本的（de）鈦（tài）合金設計及製造工藝等方麵。隨著研究的深入，將以航空高（gāo）端應用帶動鈦合（hé）金低成本加工的技（jì）術進步，從而在（zài）根本上突破（pò）製（zhì）約航空（kōng）用鈦合金用量和應用水平提升的成本瓶頸。全鈦製造的（de）飛機（jī）也許在不遠（yuǎn）的將來即會成為現實。