高强度高弹性钛合金发展现状

金属材料的弹性变形能力受屈服强度和弹性模量的影响，拉伸线弹性极限（ε0.2）大多低于1%。传统钛合金的强度根据合 号不同在400~1500 MPa 范围内，弹性模量介于 50~120 GPa之间，远低于钢（约 210 GPa），弹性变形能力约为钢的 2 倍。钛合金的高强度和低弹性模量赋予其优异的弹性变形能力，作为结构功能一体化材料在航空航天领域得到广泛应用。

20世纪50年代，美国 在 B-52 轰炸机上使用 Ti-6Al-4V 制造的钛合金螺栓，由此开启了钛合金紧固件在航空航天领域的应用。随着航空航天和武器装备的不断轻量化要求，轻质高强度高弹性钛合金逐渐部分取代了传统 30CrMoSiA 钢在紧固件中的应用，提高了装备使用安全性与可靠性。目前常用的 α+β 和 β 型钛合金的抗拉强度基本为 1000 MPa 级，如 Ti-6Al-4V、Ti-3Al-5Mo-4.5V、Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al 和 Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.3Si（β 21S）等。

自20世纪70年代起，麦道公司开始使用 Ti-13V-11Cr-3Al 制造民用飞机用弹簧，替代弹簧钢实现减重 70%。随后，洛克希德、波音和空客等开始使用 β 钛合金材料制造起落架上下锁、液压回程和飞机控制等弹簧部件，代表性合金有 Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn 和 Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr（β-C），其弹性模量约为104 GPa，抗拉强度为 1300~1450 MPa。

国内应用的典型牌号有 TB2、TB3 和 TB5 等。目前弹簧和紧固件使用的 α+β 和 β 型钛合金一般采用 α+β 两相态组织以获得高强度，同时弹性模量（90~120 GPa）也较高，导致弹性性能较低，难以满足 飞行器对于高强度高弹性材料的使用需求。β 型 Ti-45Nb 合金作为铆钉专用材料，在国内外航空航天产品中获得了应用。该合金具有低弹性模量，塑性和冷加工成型性好等优点，但强度特别是屈服强度低，强度与弹性性能的匹配较差。

从20世纪90年代开始，为了降低医用钛合金的弹性模量，人们开发了一系列低弹性模量亚稳 β 型钛合金，如 Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr 和 Ti-35Nb-5Ta-7Zr 等，获得了更佳的弹性性能，但此类钛合金为医疗领域开发，强度低，难以满足航空紧固件和弹簧用钛合金对高强度和高弹性的使用需求。2003 年,日本丰田中央研究院开发了综合性能优异的多功能钛合金（橡胶金属），典型成分为 Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr-1.2O（原子分数 %），该合金经 90% 冷轧变形后强度可达 1200 MPa，弹性模量为 55 GPa，弹性极限高达约 2.5%，显示出优异的高强度和高弹性匹配，并且该合金在较宽的温度范围内具有恒弹性。

中国科学院金属材料研究所开发的亚稳 β 型合金 Ti-24Nb-4Zr-8Sn（Ti-2448）同样显示出优异的弹性性能，具有低至 42 GPa 的弹性模量和高达 3.3% 的弹性应变，经固溶时效处理后亦具有优异的高强度和高弹性匹配。橡胶金属和 Ti-2448 是 高强度高弹性钛合金的典型代表，预示着钛合金能实现高强度和高弹性匹配，其优异的性能依赖于巧妙的成分设计及合适的制备工艺。