引言
隨著全球安全戰略的發展，高聲速飛行器已成為軍事競爭的焦點 [1-2]?高聲速飛行器在未來軍事和民用領域具有廣闊的應用前景，包括快速全球打擊?航天飛機?空間運輸系統等?這些飛行器在高速飛行中會遭受極大的氣動加熱 [3], 表面溫度極高，因此耐高溫材料的研發與選擇成為決定項目成敗的關鍵因素?高溫鈦合金因其優異的強度和耐熱性能，不僅對提高飛行器的性能至關重要，而且對推動相關科學技術的發展具有深遠影響?
高聲速飛行器通常需要耐高溫?輕量化和高強度的材料來應對極端飛行環境 [4-5], 而高溫鈦合金在 3 個方面具有優良特性?① 耐高溫：高聲速飛行器在超音速飛行時會受到極強的空氣摩擦和氣動加熱影響，要求材料能夠承受高溫環境，而高溫鈦合金可在 600~700 ℃的高溫下仍保持穩定性能?② 輕量化：高聲速飛行器對質量有嚴格要求，因為質量增加會加劇飛行時的能耗和成本，而高溫鈦合金具有相對較低的密度 (4.43~4.5 g/cm3) 和較高的強度，能夠實現飛行器的輕量化設計?③ 高強度：高聲速飛行器需要材料具有優異的高溫強度，以應對高速飛行時所受到的巨大氣動壓力和載荷?而高溫鈦合金具有優異的高溫強度，能夠滿足飛行器在極端溫度條件下的要求?利用高溫鈦合金來提高高聲速飛行器的性能和可靠性，是世界各國超音速和高超音速飛行器技術發展的主要途徑之一 [6]?
開展高聲速飛行器用高溫鈦合金研發的主要目的是提高飛行器在極端飛行環境下的性能和可靠性，以實現更高的速度和更遠的飛行距離?高聲速飛行器用高溫鈦合金的研發目標主要體現在 4 個方面?① 提高耐高溫性能：針對超音速和高超音速飛行過程中因空氣動力加熱導致的極高溫度，研究開發長時使用溫度 600~650 ℃?短時使用溫度 650~750 ℃的高溫鈦合金，以確保飛行器在高溫環境下的穩定性和可靠性?② 實現輕量化設計：利用高溫鈦合金的輕量化特性，設計制造更輕?更結實的部件和結構，如蜂窩結構?壁板結構?鈦基復合結構等，以減少飛行器的總質量，提高燃料效率和飛行性能?③ 提高結構強度：研究高溫鈦合金的強度和耐久性，以確保飛行器在高速飛行過程中能夠承受風壓和氣動載荷，保持結構穩定和安全?④ 優化熱管理：針對高溫環境下的熱管理問題，研究開發高溫鈦合金材料和結構的熱傳導性和熱穩定性，以有效控制和分散飛行器的熱量，保持系統正常運行?
1、高聲速飛行器的需求與挑戰
1.1 高聲速飛行器的特點
高聲速飛行器，特別是高超聲速飛行器，是指那些飛行速度在馬赫數 5 以上的飛行器 [7]?這些飛行器的特點包括:① 速度快，能夠達到或超過 6000 km/h 的速度；② 技術融合，結合了航空和航天等技術，涉及多學科交叉研究領域，如高超聲速空氣動力學?計算流體力學?高溫氣動熱力學等；③ 結構特殊，通常采用機身 - 發動機一體化設計，具有強耦合性和強非線性特性；④ 飛行環境復雜，在距離地面 20~100 km 的空域執行任務，飛行環境瞬間多變，氣動特性和氣熱特性變化劇烈；⑤ 控制精度高，由于飛行速度快和環境復雜，控制系統需要具有高精度和高可靠性；⑥ 軍民兩用價值，具有突防成功率高的特點，有著巨大的軍事價值和潛在的經濟價值?上述特點使高聲速飛行器在未來的軍事?政治和經濟中發揮重要戰略作用，同時也是對空間進行大規模開發的重要載體?
1.2 高聲速飛行器的選材
高聲速飛行器材料選擇的重要性不言而喻，主要體現在 5 個方面?① 耐高溫性能：高聲速飛行器在超音速飛行時會受到極高的氣動加熱影響，表面溫度可能達到數千攝氏度，因此材料需要具有優異的耐高溫性能，以保證飛行器的結構完整性和性能穩定性?② 輕量化：高聲速飛行器對質量有嚴格要求，因為質量的增加會加劇飛行時的能耗和成本，從而降低飛行器的速度和性能；為提高飛行器的性能和燃料效率，材料需具有高的比強度和比剛度，以實現飛行器的輕量化設計?③ 高強度：高聲速飛行器需要材料具有良好的強度，以應對高速飛行時所受到的巨大氣動壓力和載荷，確保飛行器在極端條件下仍能保持結構穩定和安全?④ 抗氧化和耐腐蝕性能：高聲速飛行器在飛行過程中可能受到大氣?高溫和高速飛行帶來的腐蝕影響，因此材料需要具有良好的抗氧化和耐腐蝕性能，以保證飛行器的長期可靠性和使用壽命?⑤ 熱傳導性能：高聲速飛行器需要有效管理飛行過程中產生的熱量，因此材料的熱傳導性能成為一個重要考慮因素，以確保飛行器能夠有效散熱和冷卻，避免過熱導致性能下降或故障?
高聲速飛行器材料的選擇是一個復雜且多學科交叉的決策過程，它直接關系到飛行器的性能?安全性和任務成功率?高溫鈦合金能夠滿足高聲速飛行器對材料特性的大部分需求，是高聲速飛行器高溫結構部件制備的理想材料之一?
2、高溫鈦合金的特性與優勢
2.1 高溫鈦合金的基本特性
高溫鈦合金是由航空發動機的需求牽引不斷發展的，其具有高溫強度?耐腐蝕性?輕量化等特性，以及良好的加工性和穩定的高溫性能等特性，這些特性使高溫鈦合金成為航空發動機壓氣機部件?航天器結構以及其他要求高溫性能應用的理想材料?高溫鈦合金與其他材料相比具有多種獨特的優勢和特點，如表 1 所示?由表 1 可以看出，高溫鈦合金在航空航天領域的應用主要得益于它們的低密度?高比強度和良好的耐腐蝕性?然而，選擇合適的材料還需考慮成本?加工技術和特定應用的溫度要求?
表 1 航空航天用不同金屬材料的特性對比
Tab. 1 Characteristic comparisons of different metal materials for aerospace
| 合金類型 | 密度 /(g?cm?3) | 使用溫度 /℃ | 耐腐蝕性 | 加工性 |
| 高溫合金 | >7.8 | 500~1300 | 良好，耐高溫和腐蝕性環境 | 加工性差 |
| 鋼 | 7.85 | 20~550 | 一般 | 較好，可通過冷?熱加工 |
| 鋁合金 | 2.63~2.85 | 200~250 | 不耐強酸?強堿和氯化物腐蝕 | 易于成形?切割和焊接 |
| 高溫鈦合金 | 4.4~4.7 | 400~700 | 良好，尤其耐海水和氯化物腐蝕 | 切削加工困難?需采用化學加工?電火花加工等 |
| TiAl 化合物 | 4.0~4.2 | 800~900 | 良好，尤其耐海水和氯化物腐蝕 | 塑性差?加工和成形困難 |
| Ti2AlNb 合金 | 5.0~5.3 | 650~750 | 良好，尤其耐海水和氯化物腐蝕 | 塑性較差?焊接和熱成形困難 |
2.2 高溫鈦合金的國內外發展現狀
高溫鈦合金具有高比強度?高比剛度和良好的高溫性能等優點，在航空?航天領域獲得廣泛應用?航空發動機?空天飛機和超聲速飛行器是高溫鈦合金的主要應用對象，其大多主要用于制造發動機的整體葉盤?離心葉輪?機匣?輪盤?葉片，無人機的后體結構，臨近空間飛行器的油箱骨架?拐彎段?等直段?擴張段，空天飛機的蒙皮?尾翼?法蘭?油箱骨架等構件?經過 70 多年的發展，高溫鈦合金取得了長足進步，航空發動機長時服役高溫鈦合金的最高溫度達 600 ℃, 航天飛行器大應力短時服役的最高溫度達 650 ℃?新型高性能高溫鈦合金材料結合先進的結構設計與制造技術，解決了相關領域應用的結構?強度和重量之間的突出矛盾，從而滿足了航空?航天先進武器裝備的研制需求?
20 世紀 50 年代，美國成功研制 Ti-6Al-4V 鈦合金，其使用溫度為 300~350 ℃, 隨后英俄等國相繼研制出 IMI 550?BT3-1 等鈦合金，使用溫度可達 400 ℃;20 世紀 60 年代，各國加緊開展高溫鈦合金的研制，先后成功研制 IMI679?IMI685?Ti-6246?Ti-6242?Ti-17?BT8M-1?BT8-1 等鈦合金，使用溫度在 450~500 ℃;20 世紀 70 年代和 80 年代，英?美?俄各國相繼研制成功 IMI829?IMI834?Ti-1100?BT18Y?BT25Y?BT36 等鈦合金，使用溫度可達 550~600 ℃[8-10]?20 世紀 50 年代至 80 年代是國外高溫鈦合金的快速發展期，使用溫度從最初的 350 ℃提高到 600 ℃?在此期間，美?俄?歐等航空發達國家和地區均已建立相對獨立的高溫鈦合金材料體系?其中，歐美發動機用高溫鈦合金注重蠕變性能，合金類型多為近 α 型，發展了以 Ti6Al-4V?Ti-17?Ti6246?Ti6242s?IMI829 和 IMI834 為主的材料體系；俄系高溫鈦合金更注重高溫強度?表面氧化和熱穩定性，以 α+β 型合金為主，形成以 BT6?BT3-1?BT8 系列?BT25 系列和 BT18y 為主的高溫鈦合金材料體系 [11-12]?國外發展的航空發動機用高溫鈦合金及其應用情況如表 2 所示?
近年來，隨著臨近空間飛行器對高溫鈦合金材料的需求，國外又開始研制滿足高溫 (600~700 ℃)?短時?大應力條件下使用的熱強鈦合金，例如，俄羅斯的 VT38 鈦合金?美國 GE 公司的 650 ℃鈦合金?德國的 Ti-SF 61 鈦合金等 (表 2)?這些鈦合金具有良好的瞬時高溫強度?大應力持久性能，使用溫度均可達 600 ℃以上，該類合金的半成品以板材和鍛件為主，用于制造高聲速飛行器的機身?尾翼?彈翼等高溫部件?
我國高溫鈦合金研制走過了從仿制逐漸過渡到自主研制的過程，我國仿制和自主研制的主要高溫鈦合金及其應用情況如表 3 所示?
表 2 國外發展的高溫鈦合金及其應用情況
Tab. 2 High-temperature titanium alloys developed abroad and their applications
| 牌號 | 使用溫度 /℃ | 用途 | 發動機型號 / 部件 | 研制國家 |
| Ti-6246 | 450~540 | 中溫承力部件 | F-100?F-119 發動機盤?葉片?整體葉片及結構件，Trent800 中壓壓氣機鼓筒 | 美國 |
| Ti-17 | 427 | 發動機高承力部件 | GE90 風扇盤?CFM56-5A 高壓壓氣機 1~3 級盤 | 美國 |
| BT9 | 500 | 航空發動機高溫部件 | AH25 壓氣機盤 | 俄羅斯 |
| BT20 | 300~500 | 鈑金件?壁板?機匣?葉片等 | 發動機靜子零件?殼體 | 俄羅斯 |
| BT3-1 | 450 | 壓氣機葉片?盤 | - | 俄羅斯 |
| BT8-1 | 500 | 航空發動機高溫部件 | ПС90A 壓氣機盤 | 俄羅斯 |
| BT18Y | 600 | 航空發動機高溫部件 | ПС90A 壓氣機盤?轉子葉片 | 俄羅斯 |
| Ti-1100 | 600 | 航空發動機高溫部件 | 萊康明公司 T55-712 改型發動機高壓壓氣機輪盤和低壓渦輪葉片 | 美國 |
| IMI834 | 600 | 航空發動機高溫部件 | Trent700 高壓壓氣機輪盤?鼓筒及后軸，EJ200 發動機高壓壓氣機轉子，普惠 PW350 發動機 | 英國 |
| GE | 650 | 高聲速飛行器 | - | 美國 |
| Ti-SF61 | 650 | 高聲速飛行器 | - | 德國 |
| BT38 | 650 | 高聲速飛行器 | - | 俄羅斯 |
表 3 我國發展的高溫鈦合金及其應用情況
Tab. 3 Grades and application situations of high-temperature titanium alloys developed in China
| 牌號 | 使用溫度 /℃ | 應用研究情況 |
| TC19 | 450~540 | 未大量應用 |
| TC17 | 427 | 航空發動機 |
| TC11 | 500 | 航空發動機 |
| TA19 | 500~550 | 航空發動機 |
| TA15 | 500 | 航空?航天廣泛應用 |
| TC25G | 550 | 部件試制階段 |
| TC8-1 | 500 | 部件試制階段 |
| Ti150 | 600 | 應用研究 |
| Ti55 (TA32) | 550 | 成熟應用 |
| Ti60 (TA33) | 600 | 較成熟，具備工業化批量供貨能力 |
| Ti65 (TA38) | 650 | 正在開展應用研究 |
TC11 和 TA15 鈦合金是我國仿制最成功?應用最廣泛的高溫鈦合金，廣泛應用于我國的航空發動機和航天領域熱結構部件?由于 550 ℃和 600 ℃高溫鈦合金是先進高推重比航空發動機的關鍵材料，20 世紀 90 年代，中國科學院金屬研究所在國內率先開展 550 ℃和 600 ℃高溫鈦合金的自主研制工作?近 30 年來，從實驗室?中間試驗到工業生產試驗，其開展了大量基礎研究和應用基礎研究工作，相繼突破合金成分設計?熱機械處理工藝等一系列關鍵技術，解決了高溫鈦合金熱穩定性和熱強性之間的矛盾，研制出自主知識產權的?綜合力學性能良好的 550 ℃高溫鈦合金 Ti55 和 600 ℃高溫鈦合金 Ti60, 從而滿足先進航空發動機的研制需求?
近年來，中國科學院金屬研究所針對航天飛行器短時?高溫?大應力服役環境的特點，進一步優化 Ti55 和 Ti60 鈦合金的成分和板材?鍛件的制備工藝，突破板材成分設計?薄板晶粒細化?寬幅薄板和大厚度板材的組織與性能均勻性控制等關鍵技術，解決了板材的超塑性成形性能和持久 / 蠕變性能匹配這一主要矛盾?該所研制的航天用 Ti55 板材最高服役溫度可達 600 ℃,Ti60 板材最高服役溫度可達 650 ℃?目前，Ti55 和 Ti60 鈦合金已逐步推廣應用于服役溫度 550~600 ℃的先進飛機蒙皮以及 600~650 ℃高聲速飛行器熱結構部件上?
Ti65 鈦合金是中國科學院金屬研究所自主研制的一種新型近 α 型高溫鈦合金，長時使用溫度為 650 ℃, 短時使用溫度可達 700 ℃, 可用于制造先進航空發動機高溫部件?飛行器蒙皮?蜂窩壁板?蜂窩芯格等高溫承力結構部件?該合金的板?帶和箔材在薄壁復雜高溫構件制造領域具有廣泛的應用前景?目前，Ti65 鈦合金板材?帶材和箔材已經具備工業化批量供貨能力，同時具備一定的工程化應用基礎，已完成 GB/T3620.1 合金牌號 TA38 的注冊工作?
2.3 我國高聲速飛行器用高溫鈦合金的自主研發與應用
中國科學院金屬研究所等單位用高合金化?微合金化和復合強化方式，在 Ti-Al-Sn-Zr 的基礎上同時加入一定量的 Ta?Nb 和 Mo 3 種同晶型高熔點的 β 穩定元素，通過這 3 種元素與 α 穩定元素 Al?Sn 和 Zr 等合金元素之間恰當搭配和共同作用，使合金成為集細晶強化?固溶強化和第二相 (α?和硅化物) 彌散強化于一身的多元復合強化的熱強鈦合金，是我國高溫鈦合金合金化體系的特色之一?其研制出的具有自主知識產權的 Ti55 (TA32)?Ti60 (TA33) 和 Ti65 (TA38) 鈦合金，長時使用溫度分別為 550?600?650 ℃, 這 3 種鈦合金生產的半成品有薄板?厚板?棒材?餅環材?鍛件和模鍛件等，也可用于生產鑄件?航空發動機的輪盤?鼓筒和筒體等零件及高聲速飛行器機體零件?
國外公開報道的最成熟應用的 600 ℃鈦合金有 3 個牌號，分別是英國的 IMI834?美國的 Ti1100 和俄羅斯的 BT36, 其中 IMI834 是最具代表性?綜合性能最好?技術成熟度最高的 600 ℃鈦合金，已經在 EJ200?PW350 和 Trent600-800 等多個航空發動機上獲得應用?Ti60 是國內技術成熟度最高的 600 ℃鈦合金，Ti60?IMI834 鈦合金棒材和鍛件的技術指標與實測性能如表 4 - 表 7 所示?從表中可見，對比 2 種 600 ℃鈦合金，IMI834 的技術指標要求較少，指標中不包含熱穩定性和持久性；IMI834 技術指標中抗拉強度高于 Ti60, 但屈服強度低于 Ti60;Ti60 棒材和鍛件的實測性能均優于 IMI834?
表 4 Ti60 鈦合金棒材技術指標和實測性能
Tab. 4 Technical indicators and measured properties of Ti60 titanium alloy bars
| 項目名稱 | 室溫拉伸 | 600 ℃拉伸 | 熱暴露后室溫拉伸 600 ℃/100 h 試樣 | 持久 | 蠕變 εp/% |
| Rm/MPa | Rp0.2/MPa | A/% | Z/% | Rm/MPa | Rp0.2/MPa | A/% | Z/% | Rm/MPa | A/% | Z/% | τ/h |
|
| 棒材技術指標 | ≥950 | ≥880 | ≥6 | ≥15 | ≥600 | ≥500 | ≥8 | ≥20 | ≥950 | ≥3 | ≥6 | ≥100 | ≤0.2 |
| Φ300 mm 棒材實測 | 1061 | 967 | 11.5 | 22.0 | 653 | 530 | 21 | 53 | 1075 | 4.3 | 6.0 | 185 | 0.048 |
注：持久測試條件，600 ℃/300 MPa; 蠕變測試條件，600 ℃/160 MPa/100 h;Rm為抗拉強度，Rp0.2為屈服強度，A 為延伸率，Z 為面縮率，τ 為持久斷裂壽命，εp為殘余變形量?
表 5 Ti60 鈦合金鍛件技術指標和實測性能
Tab. 5 Technical indicators and measured properties of Ti60 titanium alloy forgings
| 項目名稱 | 室溫拉伸 | 600 ℃拉伸 | 熱暴露后室溫拉伸 600 ℃/100 h 試樣 | 持久 τ/h | 蠕變 εp/% |
| Rp/MPa | Rp0.2/MPa | A/% | Z/% | Rm/MPa | Rp0.2/MPa | A/% | Z/% | Rm/MPa | A/% | Z/% |
|
|
| 鍛件技術指標 | ≥950 | ≥880 | ≥6 | ≥15 | ≥600 | ≥500 | ≥8 | ≥20 | ≥950 | ≥3 | ≥6 | ≥100 | ≤0.2 |
| 鍛件實測 | 1030 | 935 | 11.8 | 21.3 | 682 | 557 | 14.2 | 44.5 | 1077 | 5.5 | 7.7 | ≥160 | 0.15 |
注：持久測試條件，600 ℃/300 MPa; 蠕變測試條件，600 ℃/160 MPa/100 h?
表 6 IMI834 鈦合金棒材技術指標和實測性能
Tab. 6 Technical indicators and measured properties of IMI834 titanium alloy bars
| 項目名稱 | 室溫拉伸 | 600 ℃拉伸 | 蠕變 εp/% |
| Rm/MPa | Rp0.2/MPa | A/% | Z/% | Rm/MPa | Rp0.2/MPa | A/% | Z/% |
|
| 棒材技術指標 | ≥1025 | ≥905 | ≥6 | ≥14 | ≥630 | ≥475 | ≥9 | ≥30 | ≤0.2 |
| Φ230 mm 棒材實測 | 1035 | 1005 | 11.3 | 19.5 | 635 | 510 | 17.3 | 37.8 | 0.146 |
注：蠕變測試條件，600 ℃/150 MPa/100 h?
表 7 IMI834 鈦合金鍛件技術指標和實測性能
Tab. 7 Technical indicators and measured properties of IMI834 titanium alloy forgings
| 項目名稱 | 室溫拉伸 | 600 ℃拉伸 | 蠕變 εp/% |
| Rm/MPa | Rp0.2/MPa | A/% | Z/% | Rm/MPa | Rp0.2/MPa | A/% | Z/% |
|
| 鍛件技術指標 | ≥1010 | ≥875 | ≥6 | ≥9 | ≥630 | ≥475 | ≥9 | ≥30 | ≤0.2 |
| 鍛件實測 | 1012 | 927 | 11.6 | 23.8 | 632 | 509 | 18.2 | 46.9 | 0.122 |
注：蠕變測試條件，600 ℃/150 MPa/100 h?
近年來，隨著高聲速飛行器巡航速度的不斷提高，使用溫度在 650~750 ℃的高溫鈦合金在高聲速飛行器上的選材和應用開始得到重視?高聲速飛行器中的熱結構主要有機體?蒙皮?進氣道?骨架等需要承擔高溫?高載荷的薄壁部件，因此，板材和箔材是高聲速飛行器中最常見的半成品，但目前國外關于高溫鈦合金板材和箔材的制備技術及研制數據非常缺乏?
歷經多年的研制與技術攻關，中國科學院金屬研究所突破多項高溫鈦合金板材制備的關鍵技術，工業化生產的 Ti55?Ti60 和 Ti65 鈦合金板材的力學性能優異 (表 8~10), 并開展工藝性能研究，制備大量結構樣件 (圖 1)?在此基礎上，該所開展應用研究，其中，Ti55 鈦合金寬幅厚板解決了飛行器高溫部件的耐溫設計需求；Ti55 和 Ti60 鈦合金超塑性板材制備出飛行器零件，并通過了相關試驗考核；研制的 Ti65 鈦合金超塑性薄板已應用于飛行器多層結構，材料性能滿足產品服役工況要求，成為該飛行器耐熱結構研制的必選材料?
表 8 Ti55 鈦合金薄板力學性能
Tab. 8 Mechanical properties of Ti55 titanium alloy sheet
| 項目名稱 | 室溫拉伸 | 550 ℃拉伸 | 持久 τ/h |
| Rm/MPa | Rp0.2/MPa | A/% | Rm/MPa | Rp0.2/MPa | A/% |
|
| M1 態 | 1129 | 1015 | 14.3 | 758 | 632 | 15.0 | τ 600 ℃/450 MPa ≥2 |
| M2 態 | 1000 | 958 | 17.8 | 697 | 542 | 20.3 | τ 550 ℃/350 MPa ≥120 |
注：M1 態，500~600 ℃, 保溫 3~6 h;M2 態，880~950 ℃, 保溫 1 h, 空冷 + 580~720 ℃, 保溫 3~6 h?
表 9 Ti60 鈦合金薄板力學性能
Tab. 9 Mechanical properties of Ti60 titanium alloy sheet
| 項目名稱 | 室溫拉伸 | 600 ℃拉伸 | 持久 τ/h |
| Rm/MPa | Rp0.2/MPa | A/% | Rm/MPa | Rp0.2/MPa | A/% |
|
| M1 態 | 1197 | 1135 | 12.0 | 751 | 560 | 25.0 | τ 600 ℃/450 MPa ≥3 |
| M2 態 | 1089 | 997 | 16.3 | 678 | 547 | 26.0 | τ 600 ℃/250 MPa ≥150 |
注：M1 態，580~620 ℃, 保溫 3~6 h;M2 態，930~1010 ℃, 保溫 1 h, 空冷 + 580~720 ℃, 保溫 3~6 h?
表 10 Ti65 鈦合金薄板力學性能
Tab. 10 Mechanical properties of Ti65 titanium alloy sheet
| 項目名稱 | 室溫拉伸 | 650 ℃拉伸 | 持久 τ/h |
| Rm/MPa | Rp0.2/MPa | A/% | Rm/MPa | Rp0.2/MPa | A/% |
|
| M1 態 | 1165 | 1103 | 10.7 | 527 | 289 | 47.7 | τ 650 ℃/320 MPa ≥1.2 |
| M2 態 | 1259 | 1175 | 7.8 | 672 | 512 | 16.7 | τ 650 ℃/200 MPa ≥100 |
注：M1 態，650~720 ℃, 保溫 4~6 h;M2 態，980~1020 ℃, 保溫 1 h, 空冷 + 650~720 ℃, 保溫 4~6 h?
2.4 面臨的挑戰與探索研究現狀
隨著先進飛行器巡航速度的提高及飛行器減重需求的強化，在 700~800 ℃使用的高溫鈦合金?鈦基化合物和鈦基復合材料有望逐漸替代現有的高溫合金，進一步實現高溫結構的減重和耐溫需求?Ti?AlNb?Ti3Al?TiAl 等鈦鋁金屬間化合物材料使用溫度可達 650~900 ℃, 但該類材料較低的室溫塑性仍然制約著其工程應用的成熟性?鈦基復合材料具有耐高溫?密度低的特點，但大尺寸復合薄板的制備工藝尚未突破，且材料和制造成本較高，短期內難以大面積應用到飛行器研制中?因此，在現有高溫鈦合金的基礎上，研發一種能夠滿足飛行器在 700~750 ℃短時使用和減重需求的高溫鈦合金，是綜合考慮技術成熟度?制造成本以及材料工藝性的較可行的技術方案之一?
中國科學院金屬研究所在 700~750 ℃鈦合金板材領域開展了探索性研究，并研制出一種新型高溫鈦合金 Ti750S?該合金采用硅化物原位彌散析出，以提升材料高溫強度；同時通過調控軋制工藝，獲得具有小長寬比 α 相板條組織的板材 (圖 2 (a)), 從而進一步增強板材的高溫拉伸強度，具有良好的室溫強度和塑性匹配 (圖 2 (b)); 此外，其在 700~750 ℃的高溫拉伸強度明顯優于現有高溫鈦合金 (圖 2 (c)(d))?
3、結束語
未來高聲速飛行器用高溫鈦合金的研發將繼續致力于材料性能優化?新材料研發?加工技術創新?多功能材料應用和航空航天應用拓展等方面，為航空航天技術的發展和進步提供重要支持?高聲速飛行器用高溫鈦合金的發展，應堅持材料?設計?工藝一體化研究思想，致力于進一步優化高溫鈦合金耐高溫性能?高溫強度?耐腐蝕性和熱疲勞性能的同時，不斷開發先進的加工技術和工藝，以提高高溫鈦合金的加工效率和成型精度，為高聲速飛行器的大規模制造提供支持?高溫鈦合金不僅可在高聲速飛行器中得到應用，還有望拓展到其他航空航天領域，如航空發動機?航天器?火箭發動機等高溫高速工作環境中的關鍵部件?
參考文獻
[1] 姜鵬，匡宇，謝小平，等。國外高超聲速飛行器研究現狀及發展趨勢 [J]. 飛航導彈，2017 (7): 19-24.
[2] 張燦，王軼鵬，葉蕾。國外近十年高超聲速飛行器技術發展綜述 [J]. 戰術導彈技術，2020 (6): 81-86.
[3] 董超，甄華萍，李長春，等。國外高超聲速飛行器氣動布局發展分析 [J]. 飛航導彈，2018 (6): 4-11.
[4] 韓杰才，梁軍，王超，等。高超聲速飛行器兩類典型防熱材料的性能表征與評價 [J]. 力學進展，2009, 39 (6): 695-715.
[5] 郭朝邦，李文杰。高超聲速飛行器結構材料與熱防護系統 [J]. 飛航導彈，2010 (4): 88-94.
[6] 張偉堂。臨近空間超聲速飛行器短時熱強鈦合金應用分析 [J]. 航空制造技術，2018, 61 (增刊): 76-81.
[7] 廖龍文，曾鵬，陳軍燕，等。高超聲速飛行器發展困境分析 [J]. 飛航導彈，2019 (12): 22-27.
[8] 王清江，劉建榮，楊銳。高溫鈦合金的現狀與前景 [J]. 航空材料學報，2014, 34 (4): 1-26.
[9] 黃旭，李臻熙，黃浩。高推重比航空發動機用新型高溫鈦合金研究進展 [J]. 中國材料進展，2011, 30 (6): 21-27.
[10] 蔡建明，弭光寶，高帆，等。航空發動機用先進高溫鈦合金材料技術研究與發展 [J]. 材料工程，2016, 44 (8): 1-10.
[11] MOISEEV V N. Titanium in Russia [J]. Metal Science and Heat Treatment, 2005, 47 (7): 371-376.
[12] 魏壽庸，何瑜，王青江，等。俄航空發動機用高溫鈦合金發展綜述 [J]. 航空發動機，2005, 31 (1): 52-58.
（注，原文標題：高聲速飛行器用高溫鈦合金研究進展與發展趨勢）
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