1.钛合金的发展历史

钛是20世纪50年代发展起来的一种非常重要的结构金属，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等优良的特点而被广泛用于各个领域。世界上各个国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究和开发，并得到了许多实际应用。第一个实际运用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金，这种合金使用量已占全部钛合金的75％～85％。其他许多钛合金都可以看做Ti-6Al-4V合金的改型。钛合金是航空航天工业中使用的一种新的重要结构材料，主要用于制作飞机发动机压气机的部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件比重、强度和使用温度介于铝和钢之间，但比强度高并具有优异的抗海水腐蚀性能和超低温性能^[1-6]。

1950年美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。20世纪50～60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金。60年代开始钛合金的使用部位从后机身移向中机身、部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。钛合金在军用飞机中的用量迅速增加，达到飞机结构重量的20％～25％。70年代起，民用机开始大量的使用钛合金，如波音747客机用钛量高达3640公斤以上。马赫数小于2.5的飞机用钛主要是为了代替钢，以减轻结构重量。又如，美国SR-71 高空高速侦察机(飞行马赫数为3，飞行高度26212米)，钛占飞机结构重量的93％，号称”全钛”飞机。当航空发动机的推重比从4～6提高到8～10，压气机出口温度相应地从200～300#176;C增加到500～600#176;C时，原来用铝制造的低压压气机盘和叶片就必须改用钛合金，或用钛合金代替不锈钢制造高压压气机盘和叶片，以减轻结构重量。60年代中期，钛及其合金已在一般工业中应用，用于制作电解工业的电极，发电站的冷凝器，石油精炼和海水淡化的加热器以及环境污染控制装置等。70年代，钛合金在航空发动机中的用量一般占结构总重量的20％～30％，主要用于制造压气机部件，如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、铸钛压气机机匣、中介机匣、轴承壳体等。航天器主要利用钛合金的高比强度，耐腐蚀和耐低温性能来制造各种压力容器、燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架和火箭壳体。人造地球卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机 也都使用钛合金板材焊接件。80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。耐热钛合金的使用温度已从50年代的400℃提高到90年代的600～650℃。A2(Ti3Al)和r（TiAl）基合金的出现，使钛在发动机的使用部位正由发动机的冷端（风扇和压气机）向发动机的热端（涡轮）方向推进。结构钛合金向高强、高塑、高强高韧、高模量和高损伤容限方向发展。

此外，20世纪70年代以来，还出现了Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nb等形状记忆合金，并在各大工程上获得日益广泛的应用^[7-11]。

2.研究现状和意义

随着我国现代航空、航天及军工事业的高速发展，对高强高韧等综合性能良好的钛合金需求也越来越大，而现有的超高强结构钛合金强度一般低于 1300MPa，此外，大多钛合金中存在着一些缺陷，如对损伤敏感等等等问题，已难以满足市场发展的需要，因此开发新的高强高韧钛合金具有十分广阔的市场前景和重要现实意义。我国在高强高韧钛合金的研究方面远远落后于西方发达国家，国外先进飞机和航空发动机中钛合金的使用量可达到 41%和 30%以上，而我国在这方面钛合金的使用量的比例相对较小，因此我们迫切需要加强这方面的研究，以免日后处于十分被动的局面^[12]。

材料的组成#8212;加工工艺#8212;组织#8212;性能之间有着紧密的联系。现有研究资料表明，钛合金显微组织的差异对其机械性能有着很大的影响。而钛合金固态相变具有多样性和复杂性的特点，金属中所发生的各类相变，在钛合金中都有可能出现。钛合金具有十分复杂的组织形貌，当合金成分一定时，β 钛合金的组织和性能对热处理工艺制度非常敏感，因此作为控制和影响组织、性能的重要环节，钛合金在热处理过程中所发生的固态相变一直是材料科学工作者研究的热点之一。对于成分确定的钛合金，热处理工艺参数是决定合金的相变过程的重要因素。了解并掌握合金中的相变规律，并合理运用这些规律进行加工和热处理以改变或控制合金的组织，从而达到改善材料的性能、挖掘材料的性能潜力的目的，而且对于新型钛合金的设计和开发也具有十分重要的指导意义。因此研究热处理工艺对钛合金组织与性能的影响具有很重要的现实意义^[13-15]。

3.发展趋势

因为航空航天行业需要使用轻质的高强高韧钛合金，所以高强高韧钛合金就成为世界各国竞相研究的钛合金系列之一。但是现有的钛合金的强度和韧性匹配仍然不能满足现代航空航天的要求，而且制造生产合金成本太高，合金性能的对工艺参数敏感等问题对其应用也受到了许多限制。而且，高强高韧钛合金的拉伸延性低和可锻性差也限制了其作为大型锻件在航空航天领域^[17]的进一步应用。综合国内外的研究现状以及高强高韧钛合金现状所存在的问题，进一步分析认为高强高韧钛合金的发展趋势和目标主要为^[13-16]：

1．发展并研制KIc≥55 Pa#183;m ，强度≥1300 MPa 具有自主知识产权的新型高强高韧钛合金。现有的高强高韧钛合金的强度和韧性匹配仍不如现有高强高韧钢 (现有超高强合金钢的强度可达1500 MPa)，这一点限制了钛合金的应用。随着对钛合金性能要求的增加，发展 KIcigt;55 Pa#183;m，强度≥1300 MPa 的钛合金是往后高强高韧钛合金发展的主要趋势和目标^[17]。