航空用鈦合金新材料的研究進展與發展趨勢

近年來，國內外航空界在繼續重視飛行器及發動機安全性的同時，也越來越關注節省資源、降低成本、保護環境等問題，在此背景下綠色航空產業取得了一定的進展。綠色航空涵蓋了飛行器的設計、制造、使用、維修、退役、回收等的整個研制和使用過程，涉及技術領域包括綠色材料、綠色制造、綠色維修等。

所謂綠色材料，是指材料從設計、原材料選用、加工制造、包裝運輸、使用、回收及再利用的整個周期內，實現資源利用的最大化，并盡可能地減少使用成本以及對環境造成的影響。我國開始大力發展新材料技術，各項新材料技術取得不斷突破，航空新材料的研究也取得了可喜的成績。展望未來，航空新材料將會朝著多用途、高性能、新工藝、低成本和新概念的方向發展。隨著中國航空新材料領域自主研發水平的提升，我們需要從材料設計、制備工藝、材料開發以及回收再利用等方面入手、全面提高航空材料綠色化技術水平、共同創造綠色航空的美好未來。

一、發展綠色航空產業的必要性

2021是十四五的開局之年，作為整個軍工產業鏈核心位置的新材料板塊有望迎來較大的發展空間。20世紀是現代科學技術飛速發展的一個世紀，其中重要的標志之一就是人類在航空航天領域所取得的輝煌成就。進入21世紀，航空航天已展現出更加廣闊的發展前景，高水平或超高水平的航空航天活動更加頻繁。航空航天事業所取得的巨大成就，與航空航天材料技術的發展和突破是分不開的。材料是現代高新技術和產業的基礎與先導，很大程度上是高新技術取得突破的前提條件。航空航天材料的發展對航空航天技術起到強有力的支撐和保障作用；反過來，航空航天技術的發展需求又極大地引領和促進航空航天材料的發展。可以說，材料的進步對飛機的升級換代起到關鍵的支撐作用。

航空材料既是研制生產航空產品的物質保障，又是航空產品更新換代的技術基礎。材料在航空工業及航空產品的發展中占有極其重要的地位和作用。進入21世紀，航空材料正朝著高性能化、高功能化、多功能化、結構功能一體化、復合化、智能化、低成本以及與環境相容化的方向發展。

2020年習近平總書記深刻指出，“人類需要一場自我革命，加快形成綠色發展方式和生活方式，建設生態文明和美麗地球。”前總理李克強在2022年政府工作報告中提出要持續改善生態環境，推動綠色低碳發展，加強污染治理和生態保護修復，處理好發展和減排關系，促進人與自然和諧共生。近年來，國內外航空界在繼續重視飛行器安全性的同時，也越來越關注資源節省、成本降低、環境保護等問題，在此背景下綠色航空取得了一定的進展。飛行器向著更加安全可靠、輕量化、強韌化、綠色環保的方向發展，從而對材料提出了越來越高的要求，也促進了飛行器在飛行速度、可靠性、低成本、高效率和舒適度等方面的升級。在新的產業形勢下，發展高端航空綠色材料及其制備、加工技術對支撐我國航空事業的可持續發展意義重大。總而言之，在全球現代化工業高速發展的推動下，航空材料的綠色化發展是必然趨勢，也是經濟發展的迫切要求。

二、航空新材料的研究進展

飛機材料一定程度上決定了飛機機體結構的制造成本。由于中國航空裝備早期以引進為主，因此在材料選用上主要沿用國外的材料體系，近些年來，我國開始大力發展新材料技術，各項新材料技術取得不斷突破，航空新材料的研究也取得了可喜的成績。但是目前航空新材料產業的整體水平與國際先進水平相比仍存在不小的差距。 

（一）鈦合金：性質優良的“萬能金屬”

鈦金屬具有低比重和高比強度的特性，其合金在航空航天領域對于提升飛行器推重比有重要意義，近年來受到廣泛使用。除軍工、航空航天領域之外，鈦合金還較多應用于化工、冶金、醫療、體育休閑等領域。

國外航空用鈦合金材料的發展現狀 

1）高溫鈦合金：高溫鈦合金主要用在飛機襟翼滑軌、軸承殼體、支架、發動機罩、壓氣機盤和葉片、機匣等結構框架件。這些構件要求材料在300～600℃的高溫條件下具有較高的比強度、疲勞強度、蠕變抗力及組織穩定性。目前代表國際先進水平的高溫鈦合金牌號主要有美國的Ti-6242S、Ti-1100，英國的IMI834，俄羅斯的BT36等。

2）高強度鈦合金：高強度鈦合金通常是指抗拉強度大于1000MPa的鈦合金，主要用來替代飛機結構中常用的高強度結構鋼，可實現重量減重10%。目前，應用于飛機上的高強度鈦合金主要以β型鈦合金為主，具有代表性的主要有Ti-1023，BT22，Ti-153，β-21S等。

3）阻燃鈦合金：目前，比較典型的阻燃鈦合金有美國的Alloy C、俄羅斯的BTT-1。美國研制的Alloy C（Ti-35V-15Cr）合金是一種β型鈦合金，該合金具有良好的高溫強度和抗氧化能力，已被應用于Fl19發動機的高壓壓氣機機匣、導向葉片和矢量尾噴管。俄羅斯研制的Ti-Cu-Al系BTT-1阻燃鈦合金具有良好的熱加工性，已被用于發動機壓氣機機匣和葉片。 

國內航空用鈦合金材料的發展現狀 

1）高溫鈦合金：Ti-60合金是我國自主研制的一種600℃高溫鈦合金。該合金是在TAl?（Ti-55）合金的基礎上添加了適當含量的Al，Sn，Si元素，從而進一步提高了合金的熱穩定性、高溫蠕變性能和高溫抗氧化性。

2）高強度結構鈦合金：我國在20世紀70～90年代自主研發了一批高強度結構鈦合金。這些鈦合金的強度均可以達到1100-1300MPa的水平。21世紀初研發的代表β鈦合金有2種：①近β鈦合金Ti-B18，抗拉強度可達1150～1350MPa；②亞穩定β鈦合金Ti-B20，抗拉強度可達1200～1600MPa。

3）阻燃鈦合金：多年來，我國在阻燃鈦合金方面進行了深入的研究，參照AlloyC合金，分別設計了Ti-V-Cr-Al，Ti-Mo-Cr-Al，Ti-Mo-V-Cr-Al3個系列的阻燃鈦合金，并利用計算機模擬手段進行了抗燃燒機理的研究。此外，在系 統地分析了美國、英國、俄羅斯3個國家不同體系的阻燃鈦合金之后，分別設計了TF1(Ti-V-Cr-C系)和 TF2（Ti-Cu系）阻燃鈦合金。Ti-40（Ti-V-Cr-Si）合金是我國自主研發的β型阻燃鈦合金，與常規鈦合金相比，Ti-40合金具有優異的阻燃性能和力學性能。目前，該合金研究已由實驗室規模發展到半工業化規模，已經能夠制備Ti40噸級鑄錠、大規格棒材和環鍛件。

由于國內航空制造業起步較晚，鈦及鈦合金材料在我國航空領域的用量并不大，用于航空領域的鈦材占比不到20%，遠低于50%左右的國際平均水平，與鈦工業發達國家相比仍存在不小差距：一是高端鈦合金產品仍以仿制為主，材料研制水平較低，應用范圍較窄，高綜合性能低成本鈦合金的研制也大多處于實驗室階段；二是冶金質量不穩定，品種較少，規格不全；三是相關配套技術的研究進展緩慢，自主研發的鈦合金材料體系有待完善。

（二）高溫合金：重點關注軍用發動機需求

高溫合金，為高溫而生

傳統鋼鐵在300攝氏度以上會軟化，無法適應高溫環境。為了追求更高的能量轉化效率，熱機動力領域需要的工作溫度越來越高。高溫合金因此孕育而生，在600攝氏度以上的高溫環境中還可以穩定工作，并且技術不斷進步。

高溫合金按合金的主要元素分為鐵基高溫合金、鎳基。根據智研咨詢，2018年以產品工藝區分，鎳基高溫合金產量占比為80%，鐵基高溫合金產量占比14.3%，鈷基高溫合金產量占比5.7%。

高溫合金是航空發動機的關鍵材料。高溫合金從誕生起就用于航空發動機，是制造航空航天發動機的重要材料。發動機的性能水平在很大程度上取決于高溫合金材料的性能水平。在現代航空發動機中，高溫合金材料的用量占發動機總重量的40%～60%，主要用于四大熱端部件：燃燒室、導向器、渦輪葉片和渦輪盤，此外，還用于機匣、環件、加力燃燒室和尾噴口等部件。

我國高溫合金產業目前處于成長期，產業鏈企業未來發展空間廣闊。我國高溫合金生產企業數量有限，生產水平與美國、俄羅斯等國有較大差距，但近些年在產能與產值上皆有明顯提升，煉石航空、西部超導等多家公司高溫合金產能項目在建設投產中。

航空發動機用高溫合金性能不斷發展

1）鐵基高溫合金：我國高溫合金體系的一大特色。

由于我國資源缺鎳少鈷，鐵基高溫合金的研制、生產和應用成為六七十年代的一道絢麗的風景線。

鐵基高溫合金使用溫度較低（600~850℃），一般用于發動機中工作溫度較低的部位，如渦輪盤、機匣和軸等零件。但鐵基高溫合金中溫力學性能良好，與同類鎳基合金相當或更優，加之價格便宜，熱加工變形容易，所以鐵基合金至今仍作為渦輪盤和渦輪葉片等材料在中溫領域廣泛使用。

2）鎳基高溫合金：變形/鑄造/新型合金逐代升級。

鎳基高溫合金一般在600℃以上承受一定應力的條件下工作，它不但有良好的高溫抗氧化和抗腐蝕能力，而且有較高的高溫強度、蠕變強度和持久強度，以及良好的抗疲勞性能。主要用于航天航空領域高溫條件下工作的結構部件，如航空發動機的工作葉片、渦輪盤、燃燒室等。

鎳基高溫合金按制造工藝，可分為變合金、鑄造高溫合金、新型高溫合金。鎳基鑄造高溫合金在發動機中主要用于渦輪導向葉片，工作溫度可達1100°C以上，也可用于渦輪葉片，其所承溫度低于相應導向葉片50-100℃。

隨著耐熱合金工作溫度越來越高，合金中的強化元素也越來越多，成分也越復雜，導致一些合金只能在鑄態上使用，不能夠熱加工變形。并且合金元素的增多使鎳基合金凝固后成分偏析也嚴重，造成組織和性能的不均勻。采用粉末冶金工藝生產高溫合金，就能解決上述問題。因為粉末顆粒小，制粉時冷卻速度快，消除了偏析，改善了熱加工性，把本來只能鑄造的合金變成可熱加工的形變高溫合金，屈服強度和疲勞性能都有提高，粉末高溫合金為生產更高強度的合金產生了新的途徑。粉末高溫合金主要用于制造高推比先進航空發動機的渦輪盤，也用于生產先進航空發動機的壓氣機盤，渦輪軸和渦輪擋板等高溫熱端零部件。

3）鈷基高溫合金：抗腐蝕等特殊領域前景廣闊。

鈷基高溫合金的抗氧化性能較差,但其抗熱腐蝕能力比鎳好；鈷基高溫合金的高溫強度、抗熱腐蝕性能、熱疲勞性能和抗蠕變性能也比鎳基高溫合金更強，適用于制造燃氣輪機導向葉片、噴嘴等。

我國由于資源限制，目前研制了K40、GH188和L605等鈷基合金，使用范圍有限。2001年以后，通用電氣在鈷基高溫合金方面的研究主要集中在將鈷基合金作為制備燃氣渦輪機的基材材料，并在合金表面制備涂層如熱障涂層以提高耐侵蝕性能。

由于材料方面的限制，鈷元素在地球上儲量較少，價格較為昂貴。目前鈷基研究的熱度有所下降，很多科研研究也停留在數字建模試驗等理論階段。

一代軍機一代合金，發動機用高溫合金或進入快速放量期

發動機對溫度的要求不斷提升。高推重比需要更高的噴口溫度，需要工作溫度更高的材料支撐。在世界高溫合金的發展歷程中，發動機葉片和盤件材料分別經歷了變形、鑄造、定向、單晶四個階段。適應溫度從600°C逐步提升至1100℃以上。

軍機的換代伴隨著高溫合金的升級。第一代渦噴發動機的核心材料是變形高溫合金，核心材料工作溫度650℃，到第四代的渦扇發動機，核心材料工作溫度已經達到了1200℃，采用了單晶高溫合金。歷代軍機的換代一直伴隨著發動機核心材料——高溫合金的升級。高溫合金的升級需要研發的支持。在航空工業的發展需求牽引下，中國高溫合金先后研制出了變形、鑄造、等軸晶、定向凝固柱晶和單晶合金體系。上述高溫合金的相繼問世，不斷地推動航空工業向前發展。據前瞻產業研究院發布的研究數據，發動機占軍用飛機成本的25%，材料成本占發動機成本的50%，而高溫合金占材料成本約35%。

（三）碳纖維：制造全環節技術壁壘高

航空航天核心材料，技術壁壘較高

碳纖維具有強度高、比模量高（強度為鋼鐵的10倍，質量僅有鋁材的一半）、質量輕、耐腐蝕、耐疲勞、熱膨脹系數小、耐高低溫等優越性能，是軍民用重要基礎材料，應用于航空航天、體育、汽車、建筑及其結構補強等領域。相比傳統金屬材料，樹脂基碳纖維模量高于鈦合金等傳統工業材料，強度通過設計可達到高強鋼水平、明顯高于鈦合金，在性能和輕量化兩方面優勢都非常明顯。然而碳纖維成本也相對較高，雖然目前在航空航天等高精尖領域已部分取代傳統材料，但對力學性能要求相對不高的傳統行業則更看重經濟效益，傳統材料依然為主力軍。

現代碳纖維材料始于軍用，目前航空航天為重要應用領域。現代的碳纖維是一種含碳量在90%以上的無機高分子纖維，具有良好的柔軟性，且縱軸方向的強度很高，具有超強的抗拉力，屬于新一代增強纖維，且碳纖維化學性質穩定，對高溫耐受能力強，不易被腐蝕，是大型整體化結構的理想材料。與常規材料相比，碳纖維復合材料可使飛機減重，并有能力克服金屬材料容易出現疲勞和被腐蝕的缺點。我國軍用碳纖維產業鏈企業主要有中航高科、光威復材、中簡科技等，其中中航高科偏下游，主要為航空復材產品；光威復材實現全產業鏈布局，為碳纖維產業龍頭；中簡科技布局偏上游，產品技術含量相對更高。

碳纖維技術發展至今已經歷三代變遷，同時實現高的拉伸強度和彈性模量是目前碳纖維研制過程中的技術難點。近年來日美從兩條不同技術路徑在第三代碳纖維上取得技術突破，并有望在未來5-10年內實現工業化生產，對于提高戰機、武器的作戰能力意義重大。東麗利用傳統的PAN溶液紡絲技術使得碳纖維強度和彈性模量都得到大幅提升，通過精細控制碳化過程，在納米尺度上改善碳纖維的微結構，對碳化后纖維中石墨微晶取向、微晶尺寸、缺陷等進行控制。以當前東麗較為先進的碳纖維制品T1100G為例，T1100G的拉伸強度和彈性模量分別為6.6GPa和324GPa，比T800提高12%以及10%，正進入產業化階段。美國佐治亞理工學院從原絲制備工藝入手，利用創新的PAN基碳纖維凝膠紡絲技術，通過凝膠把聚合物聯結在一起，產生強勁的鏈內力和微晶取向的定向性，保證在高彈性模量所需的較大微晶尺寸情況下，仍具備高強度，從而將碳纖維拉伸強度提升至5.5～5.8GPa，拉伸彈性模量達354～375GPa。

軍用需求空間廣闊，下游市場以CFRP為主

碳纖維復合材料是指至少有一種增強材料是碳纖維的復合材料，其中最常見的是樹脂基碳纖維復合材料（CFRP）。由于CFRP比強度、比彈性模量等機械性能，以及耐疲勞性、穩定性等相比傳統材料有明顯優勢，因此在很多領域內對金屬材料，尤其是輕質金屬材料形成競爭取代的局面。CFRP應用場景廣泛，在航空航天和體育休閑領域率先形成大規模市場，而隨著21世紀以來碳纖維及其復合材料制造成本不斷下降，在汽車制造、風力發電等領域應用比例在不斷提高。

碳碳復合材料：新型剎車材料，軍用市場前景明朗

碳/碳復合材料是以碳纖維為增強體，以化學氣相沉積炭或樹脂炭為基體的復合材料，主要用作剎車盤。剎車盤是以摩擦材料設計技術和制備技術為核心的剎車制動類產品，用于飛機、坦克裝甲車輛和高速列車的剎車制動。

在“最嚴酷著陸停止”實驗中，即考慮其他剎車系統都損壞的情況下，飛機機輪剎車可吸收超300兆焦耳能量，溫度短時間內快速上市至千度以上，因此飛機對剎車盤材料耐高溫性及穩定性、減少變形等方面都有嚴格的要求。與鋼剎車盤相比，碳剎車盤的突出優點是:

1）減輕了剎車裝置的重量

2）提高了剎車盤的使用壽命

3）工作溫度高

4）剎車平穩

由于碳/碳復合材料具有密度低、耐高溫、抗腐蝕、摩擦磨損性能優異、抗熱振性好及不易發生突發災難性破壞等一系列優點，現已成為航空制動裝置的首選剎車材料。現代的高性能民用客機，如波音747、波音757、波音767、空客系列、麥道系列等都采用碳/碳復合制動材料剎車裝置。隨著我國經濟的不斷發展和經濟全球化的深入，整個航空業呈現出快速發展的趨勢，國內營運機隊數量及規模的不斷擴大，給民航產品業務發展帶來了巨大的機遇。而飛機剎車盤作為耗材，每次在磨損到標后都需要進行更換，市場需求量很大，目前主要依賴于進口。

為了進一步提高碳剎車盤的力學性能，以提升剎車材料及飛機的安全性，以北摩高科、西安制動為代表的國內公司采用整體針刺氈聯合化學氣相沉積工藝制備碳剎車盤，最終實現碳剎車盤國產化。

三、航空新材料的發展趨勢

（一）鈦及鈦合金材料的發展趨勢 

鈦合金因其優異的性能特點成為航空工業最理想的結構材料。從目前發達國 家航空零件使用材料的發展趨勢看，航空工業是鈦合金最大的應用領域，比強度 高、密度小的鈦合金材料在很長一段時間內也仍將是航空領域的主要材料之一。航空科技的飛速發展對新一代航空飛行器提出了更高的要求：超高速、高空、長航時、超遠航程等等，此外為了提高飛機的可靠性，越來越多地增加了鈦合金 等高性能材料的用量，因此，航空鈦合金將向著高性能、低成本化的方向發展。目前的研究熱點主要集中在新型鈦合金材料的開發、焊接與加工成形工藝的開發 與應用、以及復雜構件的增材制造技術、低成本制造技術等方面。 

低成本航空鈦合金的研究開發

航空工業對材料的要求更加注重性能與成本的平衡，低成本化將貫穿選材、結構設計、制造工藝、檢測評價以及維護等產品的全生命周期，降低鈦合金成本已經成為行業發展的必然趨勢。首先，要擺脫航空關鍵材料長期依賴進口的局面， 建立自己的鈦合金體系，從根本上為實現低成本制造奠定基礎。其次，開發降低成本的新材料和新工藝，用價格較低的元素取代Nb、Mo和V等貴金屬元素，以及大力發展近凈成形新技術。 

高性能航空鈦合金的研究開發

目前高溫鈦合金實際長時使用很難突破600℃，對于600℃以上航空鈦合金的研究仍處于試驗、中試階段，與大規模開發應用還有很大的距離。另外，阻燃鈦合金、高強高韌及損傷容限型鈦合金的批次穩定性研究及應用已經成為眾多學者關注的重點。未來對于高性能航空鈦合金的研究將傾向于對現有合金進行深入挖掘，同時開發新牌號合金的研究。 

增材制造在航空鈦合金中的應用

近年來，隨著增材制造技術的發展及應用，激光增材制造鈦合金技術克服了傳統技術難以生產復雜鈦合金構件、鈦合金冷加工變形抗力大等缺點，對大型整體結構件的制造提供了新的技術途徑，且其具有與鍛件相當的力學性能，鈦合金增材制造技術將成為航空鈦合金加工成形一條新途徑。

鈦合金材料的回收與再利用

國內外在純鈦和TC4（Ti-6Al-4V）等通用型合金的回收與再利用方面取得了一定的效果，但在“高端”應用領域，我國目前仍落后于歐美發達國家，所以，發展我國的鈦合金材料回收與再利用技術，建立回收與再利用材料標準與規范，研發回收與再利用高端設備與技術也成為發展綠色航空鈦合金材料的方向之一。 

（二）新型復合材料的發展趨勢

復合材料在性能和功能上具有遠超傳統金屬材料的優越性，各種復合材料在航空工業中得到越來越廣泛的應用。新的型號需求為先進復合材料的發展提供了新的動力和機遇，先進復合材料的研制向著更高綜合性能、工藝性能、低成本化及綠色環保的方向發展。其中，綠色復合材料作為復合材料大家族的新成員獲得了越來越多的關注，高性能復合材料的綠色化發展從本質上講就是綠色材料的使用以及材料的綠色制造。 

碳纖維復合材料（CFRP）的回收再利用技術開發

據統計，目前全球CFRP產能已經超過3000t/a，使用CFRP為原料的飛機退役時就會產生約20t的碳纖維廢料。因此，航空領域成了碳纖維廢料的主要來源。近些年來，英國、德國、日本等國家都開始致力于開展碳纖維復合材料（CFRP）的回收技術開發并取得了一定成效。 

新型復合材料的開發技術

航空復合材料的熱固性樹脂以環氧樹脂為主體，但是環氧樹脂的固化物難以降解，從而帶來嚴重的環境污染問題，所以近年來開始了可降解環氧樹脂的研究開發。從20世紀90年代開始，各國就陸續開發了一系列高性能熱塑性樹脂，如聚苯硫醚系列、聚醚酮系列等，此類可降解熱塑性樹脂復合材料在綜合力學性能、耐腐蝕性以及韌性等方面都有了很大的提升，并且具備二次以及多次成型的特點，還可以進行回收和再利用，被廣泛應用于航空器的主承力結構上。但是，發展新型熱塑性復合材料，目前仍存在幾個問題：一是基體價格高；二是大型和復雜構件自動化成型技術難度以及質量穩定性問題，而且高熔點提高了制備、成型加工的技術難度；三是以提高材料強度、剛度以及尺寸穩定性和耐高溫性能等為目標的新型樹脂復合材料的開發。 

低成本綠色化的復合材料制備技術

碳纖維是先進復合材料的主要增強體，目前國內使用的碳纖維主要依靠進口，自主研發生產碳纖維，將進一步降低先進復合材料的成本。碳纖維復合材料的低成本和綠色化制備技術主要包括：（1）開發新型的碳纖維前驅體（原絲），（2）開發各種新技術和新工藝。

總而言之，在現代化工業高速發展的推動下，航空材料的綠色化發展是必然趨勢，也是經濟發展的迫切要求。展望未來，航空新材料將會朝著多用途，高性能，新工藝、低成本和新概念的方向發展。隨著我國航空新材料領域自主研發水平的提升，我們需要從材料設計、制備工藝與技術、材料開發以及回收再利用技術等方面入手，全面提高材料綠色化技術水平，以此帶動材料的不斷發展與突破，共同創造綠色航空的美好未來。