結(jié)構(gòu)鈦合金(structure titanium alloy)

　　中常溫(—60～400℃)下作為承力構(gòu)件使用的鈦合金。主要為適應(yīng)飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)件的需要發(fā)展起來的，隨后擴(kuò)大應(yīng)用在火箭、衛(wèi)星、兵器和艦船等領(lǐng)域。在飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用始于1950年左右，50年來得到了迅速的發(fā)展。美國第三代超音速戰(zhàn)斗機(jī)F—14、F—15和幻影—2000鈦合金的用量占機(jī)體結(jié)構(gòu)的20％～25％。美國新一代飛機(jī)F—22戰(zhàn)斗機(jī)上鈦合金占結(jié)構(gòu)重量的31％。中國在殲擊機(jī)機(jī)體上使用鈦合金是在60年代，1983年把TC4鈦合金模鍛件用于飛機(jī)的重要結(jié)構(gòu)件。90年代設(shè)計(jì)的新機(jī)種選用的鈦合金牌號(hào)有TA6、TA7、TC1、TC3、TC4、TC6、TC11、ZT3和ZT4等合金。

　　自60年代開始，鈦合金在造船工業(yè)上得到應(yīng)用。前蘇聯(lián)和美國都擁有自成系列的船用鈦合金，如前蘇聯(lián)的48—T系列鈦合金、48—T2、48—T3、48—T4、48—T5、48—T7等；美國船用鈦合金有：Ti—5Al—2.5Sn，Ti—6Al—4V，Ti—6Al—6V—2Sn，Ti—8Al—1Mo—1V和Ti—6Al—2Nb—1Ta—0.8Mo等；中國船用鈦合金始于60年代末期，用量較少，沒有形成自己的船用鈦合金系列。

　　分類   為適合設(shè)計(jì)者需要，結(jié)構(gòu)鈦合金按強(qiáng)度分類。根據(jù)材料的使用要求，對(duì)結(jié)構(gòu)鈦合金牌號(hào)進(jìn)行選擇時(shí)，必須考慮所需要的強(qiáng)度、成形種類、耐蝕性、焊接性和成本等因素。按強(qiáng)度可分為低強(qiáng)度(<750MPa)、中強(qiáng)度(750～1000MPa)和高強(qiáng)度(>1000MPa)3種，表中列出了最通用的各種強(qiáng)度范圍的結(jié)構(gòu)鈦合金。

　　在低強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鈦合金中，實(shí)用的主要是Ti—3Al—2．5V和Ti—2A1—1．5Mn等合金。在中強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鈦合金中，實(shí)用的主要是Ti—5Al—4V和Ti—6Al—4V等合金。Ti—6Al—4V合金使用最廣泛，用量也最大。需要中強(qiáng)度合金板時(shí)，選用Ti—5Al—4V，但冷成形性能差，需要進(jìn)行熱成形。高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鈦合金適合制作大截面鍛件，如前翼橫梁、縱梁、起落架等。這些部件都需要有高強(qiáng)度、高韌性、高淬透性等綜合性能，因此，發(fā)展了高β穩(wěn)定元素的α+β高強(qiáng)度合金和近β高強(qiáng)度合金。

　　由于α+β型結(jié)構(gòu)鈦合金在高強(qiáng)狀態(tài)下，斷裂韌性差，可淬透深度小，人們的注意力集中到研制β和近β型結(jié)構(gòu)鈦合金。近β型鈦合金的特點(diǎn)是：它兼有亞穩(wěn)定β型鈦合金的高強(qiáng)度、高韌性和高淬透性，同時(shí)又兼有α+β型鈦合金的拉伸延性和彈性模量，還具有熱變形溫度低、熱變形抗力小等特性。該類合金的高強(qiáng)度、高韌性和高淬透性提高了結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)效益和可靠性。早期研制的β型和近β型合金主要有：(1)美國的Ti—13V—11Cr—3Al、Ti—11.5Mo—6Zr—4.5Sn(βⅢ)和Ti—3Al—8V—6Cr—4Mo—4Zr(βC)等。(2)前蘇聯(lián)的Ti—3Al—7Mo—11Cr、Ti—3Al—5Mo—6V—11Cr和Ti—2Al—8.5Mo—8.5V—1.2Fe—1.2Cr等。(3)中國的Ti—5Mo—5V—8Cr—3Al、Ti—10Mo—8V—1Fe—3.5Al和Ti—4Al—7Mo—2Fe—1Zr等。70～90年代，各國主要研究開發(fā)了Ti—10V—2Fe—3Al、Ti—15V—3Al—3CI—3Sn、Ti—5Mo—5V—2Cr—3Al和Ti—5A1—5Mo—5V—1Fe—1Cr等。除Ti—15V—3Al—3Cr—3Sn為板材合金外，其余3種合金均為鍛件合金。這些合金的應(yīng)用促進(jìn)了航空事業(yè)的發(fā)展。

　　用途   結(jié)構(gòu)鈦合金由于具有比強(qiáng)度高、高溫性能好和耐蝕性好等特點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)、海洋工程、兵器制造、石油化工等許多方面。在應(yīng)用中，航空工業(yè)用量居首位，以美國F—15飛機(jī)為例，主要用于制作機(jī)翼、水平尾、垂直尾、起落架和進(jìn)氣道等。另外，結(jié)構(gòu)鈦合金還可以做機(jī)翼骨架、機(jī)座、發(fā)動(dòng)機(jī)艙等，在油管、鉚釘、緊固件上的應(yīng)用也在增加。它在航天工程上主要用作壓力容器(儲(chǔ)存壓縮空氣或液體推進(jìn)劑)、星箭連接帶、固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、各種蒙皮、構(gòu)件和輻射冷卻式噴管等。在艦船上的應(yīng)用，前蘇聯(lián)在1970年建造了1艘全鈦殼體的核動(dòng)力攻擊潛艇，以后又建造了4艘，每艘用鈦合金3500t。1982年制成“臺(tái)風(fēng)號(hào)”鈦殼核潛艇，每艘用鈦合金9000t。從而打破了只限于魚雷發(fā)射筒、深潛器等用鈦的局面。結(jié)構(gòu)鈦合金在常規(guī)兵器上用量不大，主要用于火炮、槍械和其他輔助裝備上。

　　展望   鈦合金作為尖端科技材料具有強(qiáng)大的生命力，是一種理想的結(jié)構(gòu)材料。研究高性能的結(jié)構(gòu)鈦合金是當(dāng)今世界的發(fā)展趨勢(shì)。更重要的是發(fā)展用于鍛件的高強(qiáng)、高韌、高淬透性等綜合性能好的鈦合金。例如，美國研制的CO—RONA—5合金的性能已明顯優(yōu)于最常用的Ti—6Al—4V合金。另外，研制近p型合金作為大截面鍛件的材料也是發(fā)展方向之一。