中國航空鈦合金應(yīng)用從追趕到領(lǐng)跑的發(fā)展歷程與技術(shù)突破——見證從J-7到J-20/C919的機型用鈦升級，解析發(fā)動機用鈦比例從2%到41%的性能躍升，攻克作動器耐磨/高強度技術(shù)難題，展望600℃以上高溫合金、低成本短流程加工、數(shù)字精密制造三大方向

鈦金屬具有的強度高、密度小、耐腐蝕性優(yōu)、生物相容等優(yōu)點，得到國民經(jīng)濟各個行業(yè)的廣泛而重要的應(yīng)用。鈦金屬的重要性僅次于鐵和鋁，被人們稱為“第三金屬”“海洋金屬”“宇航金屬”及生物材料等。1781年1月6日，英國牧師兼化學(xué)家威廉·格雷戈爾在分析從英格蘭西部密那漢采來的黑色磁性砂時，發(fā)現(xiàn)了一種跟鐵類似的新金屬元素，并以“密那漢”命名。1795年，德國化學(xué)家馬丁·海因里希·克拉普洛特也發(fā)現(xiàn)了這種新元素的氧化物，命名為“泰坦”，同時，克拉普洛特確認了格里戈爾所發(fā)現(xiàn)的新元素“密那漢”就是鈦［1］。從發(fā)現(xiàn)鈦元素到實驗室中制出鈦金屬用了120年，從實驗室到工業(yè)生產(chǎn)又經(jīng)歷了40年。

中國在1955年研制出海綿鈦樣品，在1956年鈦被當(dāng)作戰(zhàn)略金屬寫入中國的發(fā)展規(guī)劃。隨著1970年9月17日中國生產(chǎn)出第一爐海綿鈦的歷史時刻到來，其向全世界宣布：中國是繼美國、前蘇聯(lián)和日本之后的第四個具有完整鈦工業(yè)體系的國家［2］。進入新世紀以來，鈦金屬在全球范圍內(nèi)得到快速的發(fā)展，在中國的發(fā)展更為迅猛，鈦的年產(chǎn)量及銷售量躋身到世界第一的位置，引領(lǐng)鈦金屬前沿的科學(xué)技術(shù)和應(yīng)用研究。

1、鈦金屬的主要性能及在交通領(lǐng)域的用量

鈦金屬“泰坦”誕生就具有“神”一樣的能力，在物理性能方面主要表現(xiàn)在密度小（4.51g/cm3）、熔點高（1668℃）、熱導(dǎo)率低（僅為鐵的1/5、鋁的1/10）、線膨脹系數(shù)小等優(yōu)異的性能。特別是在力學(xué)性能方面，其展現(xiàn)出高強度、高比強度（強度與密度之比）、強韌性、高疲勞性等，成為現(xiàn)代交通領(lǐng)域的“先進新材料”［3］。鈦合金的比強度高、抗疲勞性能好使其成為宇航領(lǐng)域的核心材料，其用在飛機機身結(jié)構(gòu)上可大幅度降低飛機的重量，用在航空發(fā)動機上可提高發(fā)動機的推重比，延長發(fā)動機的使用壽命。而將鈦用在飛機起落架系統(tǒng)中，可增強起落架的強度和抗腐蝕性能，使飛機能承受起降時的巨大沖擊，保障飛機的安全。在為“降低飛行器一克重量”而努力的航天領(lǐng)域，則將鈦合金比強度高的性能發(fā)揮到極致。此外，鈦金屬在海水中腐蝕速率<1μm/年，且在海水中不發(fā)生應(yīng)力腐蝕，故鈦合金成了潛艇、海洋探測器等海洋裝備的核心材料。

從鈦金屬的誕生一直相伴的是其應(yīng)用的開發(fā)研究。在現(xiàn)代交通運輸領(lǐng)域中，航天航空、海洋船舶是主要的用鈦大戶。各個國家有產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不同，其在交通運輸領(lǐng)域的用鈦方向有一定的差異。美國是傳統(tǒng)的航空航天大國，特別是在航空領(lǐng)域性能先進的軍機和民機，長時間處于世界領(lǐng)先地位，且在該領(lǐng)域鈦金屬的用量占比也處于領(lǐng)先地位。前蘇聯(lián)在船舶用鈦金屬方面，處于世界領(lǐng)先地位，建立了系統(tǒng)的船舶用鈦體系，制造出全鈦潛艇。日本在航空、船舶領(lǐng)域的用鈦量與其他國家相比較低，但在現(xiàn)代交通領(lǐng)域有著穩(wěn)定的用量，在汽車領(lǐng)域的用鈦量處于世界領(lǐng)先地位。日本在2015~2017年間，汽車領(lǐng)域的用鈦量逐年增加，最高的2017年達到637t，如表1所示［4-5］。

表 1 日本 2015~2017 年在航空、汽車、船舶領(lǐng)域的用鈦量 [4-5]

在中國現(xiàn)代交通領(lǐng)域中，航空航天的用鈦量一直在持續(xù)增加。如表2所示，從2003年到2023年的21年間，航空航天領(lǐng)域用鈦量不斷增加，到2023年其用鈦量占鈦金屬總量的20%，也可以說是航空航天的發(fā)展加速了中國鈦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進程。在海洋船舶領(lǐng)域，2003~2014年隨著中國發(fā)展海洋工業(yè)，在海洋船舶行業(yè)中掀起了強勁的用鈦高潮，但由于中國前期在海洋船舶領(lǐng)域鈦應(yīng)用的基本數(shù)據(jù)積累和基礎(chǔ)研究成果較少，用鈦處于初級階段，前期的用量較少，鈦金屬用量增加緩慢。2015年是一個里程碑的節(jié)點，船舶和海洋用鈦量突破了1000t，之后均呈快速增長的趨勢，2024年達到了5000t［5-27］。

表 2 中國 2003~2023 年在航空、海洋、船舶等領(lǐng)域的用鈦量 [5-27]

中國鈦金屬在高鐵、汽車等交通領(lǐng)域的應(yīng)用處于前期的開發(fā)階段，使用量較少，但研究工作開展得如火如荼，這可能也是實現(xiàn)大量鈦金屬應(yīng)用的前奏期。鈦金屬在交通領(lǐng)域中的應(yīng)用主要涉及航空、船舶和汽車等方面，且各個領(lǐng)域的發(fā)展情況不盡相同，本文主要對鈦在航空領(lǐng)域方面的應(yīng)用現(xiàn)狀進行闡述。

2、鈦金屬在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

鈦金屬的高比強、耐高低溫、耐腐蝕、無磁等優(yōu)異的性能使之成為當(dāng)之無愧“宇航材料”，其主要優(yōu)勢是減重效果明顯，耐熱耐高溫性能優(yōu)良，高溫環(huán)境服役穩(wěn)定可靠，且與復(fù)合材料的強度、剛度匹配性能好，并具有優(yōu)異的抗腐蝕、抗疲勞性能，可以顯著延長結(jié)構(gòu)件的使用壽命等［28］。例如在飛機的機翼、機身結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部位使用鈦合金，能夠在不降低結(jié)構(gòu)性能的前提下，顯著降低飛機的整體重量。鈦金屬優(yōu)良的耐高溫性能可在保證材料在高溫環(huán)境下具有較好的力學(xué)性能，可以承受航空發(fā)動機燃燒室的高溫及壓氣機葉片葉盤的高溫高壓，不僅提高了發(fā)動機的工作效率，而且延長了發(fā)動機的服役壽命。并且，鈦金屬在低溫環(huán)境下仍能具有較高的強度和韌性，能夠保障飛機在高空的低溫環(huán)境下飛行安全可靠，特別是飛行高度更高的軍用飛機，材料的耐低溫性能尤其重要。此外，鈦金屬的無磁性能能夠屏蔽磁場，減少電磁波對飛機電子設(shè)備和儀器的干擾，提高電子設(shè)備的可靠性和檢測精度。

2.1　在飛機結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

基于鈦合金的優(yōu)異性能，美國早在20世紀50年代就在航空飛機中使用鈦合金制造機身隔熱板、導(dǎo)風(fēng)罩、機尾罩等關(guān)鍵部件。到20世紀60年代，則將鈦合金用于飛機機身中的隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構(gòu)件的制造上。隨著鈦合金在飛機上大量使用，人們充分認識到使用鈦金屬在飛機性能提升方面的優(yōu)勢，形成了“越是先進的飛機，鈦用量越大”的觀念。如1970年服役的C-5飛機鈦合金用量破紀錄的達到飛機重量的6%，后來設(shè)計的C-17大型運輸機達到了10.3%，更先進的第4代戰(zhàn)斗機F22的用鈦量高達42%。表3為美國各種飛機使用鈦合金的比例［29］。

表 3 美國各類型號飛機用鈦金屬的比例 [29]

截至目前，世界唯一款全鈦飛機SR-71（黑鳥）是由美國洛克希德公司研制的M3高空高速戰(zhàn)略偵察機，從1963年2月開始研制，1964年12月試飛，1966年1月交付使用。為了提高高空性能，氣動外形采用三角翼和雙垂翼，發(fā)動機布置在機翼上。其鈦合金使用量高達93％，飛行馬赫數(shù)為3.0，飛行的高度達到26200m。圖1為SR-71黑鳥的照片［30］。

在軍機方面，中國的航空業(yè)發(fā)展較晚，從仿制蘇式飛機開始，到自行設(shè)計走過了漫長的歲月，在軍機鈦金屬應(yīng)用方面也走出了一條自己的路線。20世紀60年代服役的J-7飛機鈦零件的用量僅為9kg（如表4所示），20世紀80年代服役的J-8Ⅱ飛機鈦零件的用量就達到了93kg，而性能先進的J-10和J-20分別達到了11%和20%，Y-20大型運輸機的用鈦金屬材料更多，超過了20t［31］。中國軍用飛機用鈦金屬的比例如表4所示。

表 4 中國軍用飛機用鈦金屬的比例 [31]

在民航飛機方面，美國的大型寬體客機從B777開始，后續(xù)的寬體客機也開始大量使用鈦金屬，如表5所示。從表5可以看出，空中“巨無霸”A380飛機的鈦用量達到飛機總重量的10%。中國設(shè)計的C909和C919繼承了先進的設(shè)計理念，鈦合金的用量處于先進行列。

表 5 民航飛機用鈦金屬的比例 [32]

A380飛機上有9個構(gòu)件中使用了鈦合金（如圖2所示），鈦合金的用量占總重量的10%，單機用鈦合金約65t。中國自主設(shè)計制造的C919客機也在發(fā)動機吊掛、尾翼、外翼、中央翼、機頭等采用了自主研發(fā)和生產(chǎn)的高性能Ti6Al4V和Ti-55531鈦合金，其重量也達到了總重量的10%。

2.2　在飛機發(fā)動機上的應(yīng)用

隨著航空工業(yè)向著飛行高度更高，速度更快的方向發(fā)展，對飛機的發(fā)動機提出了大推力的要求，如發(fā)動機的推重比從6提高到10，壓氣機出口的溫度也要從300℃增加到600℃。早期使用的鋁合金低壓壓氣機盤和葉片就無法滿足更高的出口溫度的要求，必須使用耐溫性能好的鈦合金材料制造高壓壓氣機盤和葉片等部件。早期的發(fā)動機推力較小，鈦合金的用量僅占發(fā)動機材料的2%，到推力更大的TF89發(fā)動機時，鈦合金的占比達到32%。因此，人們經(jīng)常用發(fā)動機用鈦量的多少衡量發(fā)動機性能的先進程度。表6是各種發(fā)動機上使用鈦合計的占比，可以發(fā)現(xiàn)先進的發(fā)動機鈦合金用量占比不斷提升，飛機的綜合性能大幅提高。其中，波音B707-120飛機搭載著4臺JT-3C發(fā)動機，巡航速度為965km/h，搭載137名左右乘客，最大航程約為6700km。而同樣采用4臺推力更大JT-9D發(fā)動機的波音B747飛機，巡航速度為900~960km/h，搭載400~600名乘客，最大航程超過14000km。

表 6 飛機發(fā)動機上使用鈦合金的占比 [32]

RollS-Royce公司在設(shè)計先進性能飛機發(fā)動機時就是基于提高推重比的考量，在低溫段的風(fēng)扇、低壓壓氣機、高壓壓氣機等使用了大量的高性能鈦合金（如圖3所示），鈦金屬材料的占比達到30%以上。中國2002年設(shè)計定型的昆侖渦輪發(fā)動機，鈦用量提高至15%。中國第1臺渦扇發(fā)動機鈦用量達到25%，彰顯著中國飛機發(fā)動機的性能進入了世界先進行列。

2.3　在航空伺服液壓作動器上的應(yīng)用

航空作動器系統(tǒng)是指航空器上從控制指令發(fā)生到執(zhí)行指令，實現(xiàn)一定的功率輸出或驅(qū)動負載運動的整套獨立系統(tǒng)。圖4是現(xiàn)有飛機上使用液壓作動器的圖片，其中圖4（a）、（b）分別是發(fā)動機矢量噴管控制的示意圖和照片；圖4（c）、（d）、（e）分別是三種飛機液壓起落架照片；圖4（f）是液壓控制的飛機減速板照片。

從物理架構(gòu)層面來看，航空作動系統(tǒng)應(yīng)包含操作裝置、控制器、傳動裝置、執(zhí)行裝置（航空作動器）和各種傳感器等。在航空領(lǐng)域，作動系統(tǒng)典型應(yīng)用領(lǐng)域如圖5所示［33］。從圖5可以認識到航空作動系統(tǒng)是飛機和發(fā)動機控制的關(guān)鍵系統(tǒng)，在飛行控制系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、進氣道控制系統(tǒng)、反推力控制系統(tǒng)、矢量推力控制系統(tǒng)、發(fā)動機控制系統(tǒng)等7個系統(tǒng)中的27套部件上均使用著液壓作動器。空客A320飛機上僅飛行控制、起落架、剎車系統(tǒng)的作動器至少就有37件（套）。如果將這些鋼制的作動器換成比強度高的鈦合金作動器，就可以實現(xiàn)減重40%以上。從目前應(yīng)用現(xiàn)狀來看，已經(jīng)出現(xiàn)了用高溫鈦合金制造的飛機作動筒，但鈦合金在航空伺服液壓作動器上大量使用還需要一定的時間，仍要攻克一系列技術(shù)難題，如鈦合金高壓油管接頭的加工成形技術(shù)等。

飛機的飛行控制系統(tǒng)是為駕駛員操縱控制各操縱面（升降舵、方向舵、副翼等）的活動提供動力的，這是因為大型飛機上僅一對副翼的重量可達1噸以上，要使這個龐然大物運動就催生了液壓助力機構(gòu)。并且，龐大的飛機只有在液壓起落架作用下才能實現(xiàn)安全起降，有了液壓動力，飛行員可以自如、安全地控制飛機。這些液壓動力系統(tǒng)中主要包括液壓泵、液壓缸、液壓馬達、液壓閥、液壓油箱、液壓油管及接頭等零部件，而用高強度鈦合金進行替代，以減輕液壓系統(tǒng)的重量是目前飛機控制系統(tǒng)追求的目標(biāo)［33-34］。第六代戰(zhàn)斗機要求超音速巡航速度、超機動能力和超長航程，因此，在發(fā)動機提供強大的推力情況下，需要飛機具有靈活的控制系統(tǒng)，也就是說控制飛機和發(fā)動機的作動系統(tǒng)需要有非常精準(zhǔn)的動作。因此，制造控制靈活、輕質(zhì)的鈦合金液壓作動器系統(tǒng)也是航空飛行器追求的方向。

但在實際實踐中存在著兩個技術(shù)難點：（1）鈦合金作為飛機控制一般的液壓作動筒從強度方面和抗疲勞方面問題不大，但作為大型飛機的起落架材料，現(xiàn)有的鈦合金還無法達到鋼1860MPa的抗拉強度及300MPa的抗疲勞極限指標(biāo)，故還需開發(fā)強度更高的鈦合金材料。（2）鈦合金的耐磨性能差，作動器受力復(fù)雜，磨損嚴重，只有經(jīng)過先進的表面處理后才能滿足作動器的苛刻要求。西北有色金屬研究院研究人員針對這一使用環(huán)境，發(fā)明了鈦合金表面無氫滲碳技術(shù)，攻克了鈦合金作動筒與活塞桿的摩擦失效難題，并且，表面改性層降低了摩擦副的摩擦系數(shù)［35-42］，使作動筒的動作更加靈活，用該技術(shù)處理的鈦合金作動筒成功地用于飛機發(fā)動機矢量噴管的控制作動筒上［34，43］。

3、鈦金屬在航空領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展趨勢

鈦合金在航空領(lǐng)域的應(yīng)用從大的方面講主要是飛機機體結(jié)構(gòu)、飛機發(fā)動機、飛機液壓系統(tǒng)。如前文所述，在飛機機體結(jié)構(gòu)方面主要是飛機機身框架、蒙皮、窗戶框架、艙門、機翼結(jié)構(gòu)等。在飛機發(fā)動機方面主要是壓氣機葉片、葉盤、機匣，發(fā)動機扇葉片及鈦合金保護罩等。而在飛機液壓方面主要是儲能器、作動筒、輸油管及泵閥等。針對這樣不同的使用場景，對鈦合金的要求也不相同，研究方向也不相同，但對鈦合金材料需求的發(fā)展方向趨于一致，主要體現(xiàn)在高性能化、低成本化、制造精密化三個方面。

3.1　高性能化

鈦金屬的高性能化主要體現(xiàn)在：（1）抗高溫性能方面：為滿足航空發(fā)動機在高溫環(huán)境下的工作需求，研發(fā)可穩(wěn)定應(yīng)用于600℃以上的高溫鈦合金是重要方向。如通過調(diào)整β平衡元素含量，提升鈦合金高熱抗拉強度；加入稀土金屬，增強鈦合金熱穩(wěn)定性；研發(fā)表面處理及合金化技術(shù)，提高合金表層抗氧化性能等。（2）高強韌化方面：研制抗拉強度高且韌性良好的高強鈦合金，以滿足航空宇航設(shè)備結(jié)構(gòu)件在承受更高載荷時的應(yīng)用需求。持續(xù)研究以TC21為代表的α/β鈦合金，以及以Ti-5553為代表的β鈦合金等高強韌鈦合金，不斷深化應(yīng)用。（3）綜合性能優(yōu)化方面：針對復(fù)雜環(huán)境下的服役需求，研制綜合性能突出的鈦合金，如具有良好低溫性能的低溫鈦合金，具有阻燃性能的阻燃鈦合金等。深入研究高空、遠程、低空等空域中飛機對材料的要求，細化服役條件，明確技術(shù)性能指標(biāo)。

3.2　低成本化

在合金成分優(yōu)化方面：用價格相對便宜的Fe元素等低成本金屬元素替代昂貴的Nb、Mo、V等元素，在保證材料性能要求的前提下，降低鈦合金原材料成本。在鈦合金低成本加工方面：研究創(chuàng)新性的短流程等材料加工技術(shù)、表面改性技術(shù)和鈦合金零件的低成本成形技術(shù)，如低成本的等溫鍛造技術(shù)、近凈成型技術(shù)和3D打印技術(shù)等。

3.3　制造精密化

將數(shù)字制造與模擬技術(shù)相結(jié)合，借助數(shù)字加工手段，對鈦合金的加工過程進行精確控制和優(yōu)化，研究鈦合金材料在加工過程中的流動、應(yīng)力分布及表面狀態(tài)變化等，降低加工缺陷，提高制造質(zhì)量和效率，降低高精度零件的制造成本。

4、結(jié)束語

鈦合金在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用起步較早，但規(guī)模化應(yīng)用的帷幕剛剛開啟，通過深入研究鈦合金的服役要求，優(yōu)化鈦合金材料的加工過程，提高鈦合金零件的制造水平，并不斷地通過技術(shù)創(chuàng)新降低鈦合金零件的使用成本。同時，隨著中國C919、C929等大型客機和五代機、六代機等先進軍機以及大推力航空發(fā)動機對鈦合金需求的發(fā)展，中國在航空領(lǐng)域每年使用鈦合金的重量達到20萬t的目標(biāo)可能很快就可以實現(xiàn)。

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（注，原文標(biāo)題：鈦金屬在交通運輸領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展趨勢：航空篇_周廉）