2015 年 秋 季学期研究生课程考核
（研究报告)
钛合金及钛铝合金研究发展现状
Development Situation of Titanium Alloy
and Titanium-Aluminum Alloy
学生姓名：xxx
学 号：xxxxxxxxx
班 级：锻压x班
指导教师：肖树龙 徐丽娟
目 录
引言... 1
1 钛合金的研究发展现状... 1
1.1 钛合金的优缺点、分类及典型组织类型... 1
1.2 钛合金中的添加元素种类及其作用... 4
1.3 钛合金的国内外研究现状... 5
1.4 简要叙述钛合金的成型方法及应用发展前景... 6
2 钛铝合金的研究发展现状... 7
2.1 钛铝合金的优缺点、分类... 7
2.2 钛铝合金中的添加元素种类及其作用... 7
2.3 钛铝合金的国内外研究现状... 7
2.4 简要叙述钛铝合金的成型方法及应用发展前景... 8
2.4.1 钛铝合金的成型方法... 8
2.4.2 钛铝合金的应用发展前景... 9
3 真空感应熔炼方法和3D打印技术的发展应用。... 9
3.1 真空感应熔炼方法... 9
3.2 3D打印技术... 10
4 Ti6Al4V和Ti48Al2Cr2Nb的组织类型及性能特点... 11
4.1 Ti6Al4V和Ti48Al2Cr2Nb的实验结果分析... 11
4.2 Ti6Al4V和Ti48Al2Cr2Nb的发展应用... 12
参考文献... 13
引言
钛在地壳中的质量分数约为0.64％，在金属元素中仅次于铝、铁和镁，居第4位。钛材具有记忆性、超导性、高比强、高耐蚀、亲生物、高低温性能优良等特性，因而被称为第三金属（相对于铁、铝)、海洋金属（耐海水性能良好)、航空金属（理想的航空航天材料)和未来金属（朝阳产业)。钛工业是一个国家现代科学技术发展水平的重要标志之一。目前，在世界上只有美国、日本、俄罗斯可以进行钛的规模化生产，中国是第4个拥有完整钛工业体系的国家。钛金属被广泛应用于航天、航空、化工、石油、化学、电力、冶金、医药以及海洋工程、地热工程、制冷工业、体育、旅游等领域，随着这些行业的产业升级换代，国家经济实力逐步增强，钛材日益明显地成为“工程技术和高科技领域中的关键材料和支撑材料”。钛合金在发展的初始阶段主要用于军事，现在有从军事装备转向民用设施的趋势。航天航空、纳米技术、医疗建筑、日用休闲等高附加值及高科技领域成为钛工业巨大的潜在市场，可以预见，在未来钛工业必将获得持续、快速、稳定的发展。[1]
1 钛合金的研究发展现状
1.1 钛合金的优缺点、分类及典型组织类型
1.1.1 钛合金的优缺点
钛合金是一种理想的轻质结构材料，其主要特点如下：
1) 密度相对比较小。纯钛的密度为4.5g/cm3，约是铁、镍以及铜金属密度的l/2。
2) 具有很高的强度。屈服强度可达1000MPa，是铝的两倍，与铁、镍相当，然而就强度重量比而言，却高于前两者；另外，在150~600℃温度范围内钛合金也能够保持很好的强度特性，而铝在150℃、不锈钢在310℃就失去原有的机械性能。
3) 比强度高。钛合金的密度一般在4.53g/cm3左右，仅为钢的60%。钛合金的强度近于普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料，因此可制出单位强度高、刚性好、质量轻的零部件。
4) 低温性能好。钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能，有些钛合金在低温下强度更高。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。
5) 具有较强的耐腐蚀能力。钛及钛合金对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。在浓度为20%的盐酸中，工业纯钛在60℃下的年腐蚀速率为25.6mm；钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢。
6) 高温化学活性。高钛的化学活性大，与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应；钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象。
7) 钛的导热性能较差，其导热系数略低于不锈钢。工业纯钛在250K时其导热系数达到最大值17.56W/m·K，在580K左右时达最小值16.89W/m·K。
8) 弹性模量比较小。钛合金的弹性模量约为115GPa，约为钢的1/2，所以刚性差、易变形。[2,3]
1.1.2 钛合金的分类
钛是银白色金属，有两种同素异构体，密排六方晶格的α钛和体心立方晶格的β钛。通过添加一些适当的合金元素，再结合钛合金的结构特点，让其相变温度和相分含量得到改变，就可以得到不同组织的钛合金。室温下，钛合金有3种基体组织，钛合金也就分为以下3类：[4-6]
1) α相钛合金。α相钛合金是由α相固溶体组成的单相合金，主要向α加入稳定元素，例如Al、Ca和Ge等和O、C稳定的间隙性元素。α钛合金的优点是组织稳定、抗氧化性好、焊接性能好、耐腐蚀性和切削加工性好，但α钛合金的缺点也是很明显的，塑性低冲压性能差。α钛合金的牌号用TA表示，最常见的是TA7，一般可用作飞机蒙皮、骨架零件和叶片等。
图1.1 TA7的组织图
2) β相钛合金。β相钛合金和α相钛合金相似，是由β相固溶体组成的单相合金，加入β的稳定元素V、Mo和Nb等。β型钛合金具有较高的强度，缺点是热稳定差，一般不适合在高温下使用。β型钛合金的牌号用TB表示，主要应用于压气机叶片、轴类和飞机构件等。
图1.2 Ti-40(Ti-25V-15Cr)阻燃钛合金
3) α+β相钛合金。α+β型钛合金是一种双相合金，其中包含了α和β两项的稳定元素。因此α+β型钛合金的综合性能非常的好，组织稳定、韧性和塑性好，高温下强度高，还具有低温韧性良好和良好的抗腐蚀能力。α+β型钛合金被广泛应用于航空航天、造船、化工和医疗等工业上，可以用来制造飞机发动机、飞机结构件、起落支架和导弹发动机外壳等。α+β型钛合金的牌号用TC表示，常见的有TC1、TC4等。
图1.3 TC4完全退火后的组织图
1.1.3 钛合金的典型组织类型
图1.4 钛及钛合金的典型组织
1) 魏氏组织:一般指钛及钛合金的铸态组织或钛合金变形开始温度和终了温度都在β相区、变形量又不是很大时(一般小于50%)时，或将合金加热到β相后慢冷时都将得到魏氏组织。魏氏组织的特征是具有粗大的原始β晶粒，在原始β晶界上分布有清晰的晶界α，原β晶内为片状α束域，片状α间为β相，见图1.4(a)。
2) 网篮组织:钛合金在β转变温度附近变形或在β相区开始变形，但在两相区终止变形，变形量为50%~80%"都将得到网篮组织。网篮组织的特征是原始β晶粒边界在变形过程中被破坏，不出现或仅出现少量分布的颗粒状晶界α，原始β晶粒内α片变短(即长宽比小)，α束域尺寸较小，各片丛交错排列，见图1.4(b)。
3) 混合组织:钛合金在两相区上部温度变形，或在两相区变形后，在加热至两相区上部温度后空冷，可得到混合组织。混合组织的特征是在β转变基体上分布有互不相连的初生α颗粒，其数量小于40%(有文献定义为50%)。混合组织中α有两种形态：一种是初生等轴α颗粒；一种是转变β基体上的次生条状α。大多数文献称为双态组织，但是由于上世纪九十年代在双态组织的基础上发展出了三态组织，所以称为混合组织更为恰当。其包括双态组织和三态组织。三态组织表达式（α等+α条+β转）组织，特征α等=10%~20%，α条=60%~70%，且混乱交织，见图1.4（c）。
4) 等轴组织:钛合金在低于双态组织形成温度(约低于β相变点30~60℃)的两相区变形，一般可获得等轴组织。等轴组织的特征是均匀分布的，含量超过 40%的等轴初生α基体上存在一定数量的β组织。变形温度越低，初生α数量越多，其中位错密度越大，混合组织与等轴组织主要是以等轴初生α含量多少界定。有文献定义等轴初生α含量50%以上的为等轴组织。但目前比较认可的是初生等轴α含量在40%以上，甚至高的到 70%~80%，初生等轴α的形态包括球形、椭圆、橄榄形、棒锤形、长条形。等轴组织=（α等+β转）=（α等+α魏+β残），β转基体中包括魏氏α及细条之间黑色底为残余β，见图1.4（d）。
5) α型钛及钛合金典型组织为单一的α晶粒，见图1.4(e)；β型钛合金典型组织为单一的β晶粒，见图1.4(f)。[7,8]
1.2 钛合金中的添加元素种类及其作用
大多数钛合金中都含有一定量的铝，最早开发的α钛合金TA7(Ti-5Al-2.5Sn)、近α高温钛合金TA11(Ti-8Al-1Mo)、α+β钛合金(如TC4)和近β钛合金(如TB6)均含有3～8%的铝。可是，TA11由于其铝含量高导致了应力腐蚀问题，所以目前使用的传统钛合金都将铝含量限制在6%以下。[9]
锡(Sn)、锆(Zr)是热强钛合金的重要元素。α和α+β钛合金中Sn、Zr元素还用来提高室、高温抗拉强度和耐热性，如TC19(Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo)具有高强度、高韧性；TC17(Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr)合金应用于燃气涡轮发动机的高温零件等。在医用钛合金中，Zr和Sn可用来改善耐蚀性和生物相容性，例如新开发的高强度医用钛合金Ti-15Mo-5Zr-3Al。[10]
β稳定元素在钛合金中应用最广泛。其中共析、高熔点合金化元素等的使用应遵循多元少量的原则，如TC10(Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Fe-0.5Cu)合金中加入0.5%Fe和0.5%Cu，以防止引起脆性等不良影响。出于最高防腐蚀性能的需要，各国相继开发了钛钯合金，TA9(Ti-0.2Pd)合金在还原介质中具有很强的耐蚀性；有研究认为硅在高温下具有阻碍位错攀移和变形的作用，因此耐热合金中往往加入少量的硅，例如:TA15(Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr-0.15Si)、TC11(Ti-6.5Al-1.5Zr-3.5Mo-0.3Si)等钛合金均可用作航空高温零件材料。[11,12]
在铸造过程中，相对于其它金属而言，钛合金的结晶性能较差，原因是一方面其本身的形核速率低，另一方面受外来质点的影响小。因此，许多国家认为采取一些细化晶粒的措施，如添加微量变性剂、冷处理、退火、机械振动和适当温度范围内的热循环等，能改善钛合金组织和性能。目前，人们已经公认以添加微量稀土金属作为变性剂细化钛合金组织的效果较明显；另外，稀土元素还是一种表面活性物质，不仅可以降低晶核的表面张力，提高形核几率和形核速率，而且可以提高晶核的扩散激活能，降低扩散速率，从而降低晶核长大的速率，阻止晶核长大。另外，稀土元素也会影响钛合金的再结晶及晶粒长大过程，从而对加工态组织产生明显的影响。[13-20]
1.3 钛合金的国内外研究现状
近年来，各国正在开发低成本和高性能的新型钛合金，努力使钛合金进入具有巨大市场潜力的民用工业领域。国内外钛合金材料的研究新进展主要体现在以下几方面：[21-23]
1.3.1 高温钛合金
世界上第一个研制成功的高温钛合金使用温度仅为300~350℃。随后相继研制出使用温度达400℃的IMI550，BT3-1等合金，以及使用温度为450~500℃的IMI679，IMI685，Ti-6246，Ti-6242等合金。目前已成功的应用在军用和民用飞机发动机中的新型高温钛合金有英国的IMI829，IMI834合金；美国的Ti-1100合金；俄罗斯的BT18Y，BT36合金等。近几年国外把采用快速凝固/粉末冶金技术、纤维或颗粒增强复合材料研制钛合金作为高温钛合金的发展方向，使钛合金的使用温度可提高到650℃以上。美国麦道公司采用快速凝固/粉末冶金技术成功研制出一种高纯度、高致密性钛合金，在760℃下其强度相当于目前室温下使用的钛合金强度。
1.3.2 高强高韧β型钛合金
β型钛合金最早是20世纪50年代中期由美国Crucible公司研制出的B120VCA合金。β型钛合金具有良好的冷热加工性能，易锻造，可轧制、焊接，可通过固溶-时效处理获得较高的力学性能、良好的环境抗力及强度与断裂韧性的很好配合。新型高强高韧β型钛合金最具代表性的有以下几种：
Ti1023是为适应损伤容限设计原则而研制的具有高的结构效益、可靠性、低成本的可锻钛合金。该合金与飞机结构件中常用的30CrMnSiA高强度结构钢性能相当，具有优异的锻造性能，目前已在波音757，737，A300，A320，F14，F18上得到应用。
Ti153合金冷加工性能比工业纯钛还好，可在固溶状态下进行各种复杂零件的冷成型，时效后的室温抗拉强度可达1000MPa以上，目前已用于飞机短舱、紧固件、液压管、弹簧、直升机旋翼等。
β21S合金是由美国钛金属公司Timet分部研制的一种新型抗氧化、超高强钛合金，具有良好的抗氧化性能，冷热加工性能优良，其应用范围也非常广泛。
1.3.3 阻燃钛合金
常规钛合金在特定的条件下有燃烷的倾向，这在很大程度上限制了其应用。针对这种情况，各国都展开了对阻燃钛合金的研究并取得一定突破。美国研制出的Alloy C（也称为Ti-1720)，名义成分为Ti-35V-15Cr，是一种对持续燃烧不敏感的阻燃钛合金，具有较高的室温及高温强度、良好的室温及高温塑性、良好的抗蠕变和疲劳性能，可制成板材、带材、棒材及锻件，目前己用于F119发动机。BTT-1和BTT-3为俄罗斯研制的阻燃钛合金，均为Ti-Cu-Al系合金，具有相当好的热变形工艺性能，可用其制成复杂的零件。
1.4 简要叙述钛合金的成型方法及应用发展前景
1.4.1 钛合金的成型方法
钛工业生产初期，采用非自耗真空电弧炉熔炼法对钛及钛合金进行熔炼，随着各种技术的发展，出现了不同熔炼钛及钛合金的新工艺，主要有以下3种：[24]
1) 非自耗真空电弧炉熔炼法（简称NC法)。钛工业起步阶段，采用非自耗真空电弧炉熔炼的电极主要是石墨电极或钨－钍合金电极，目前主要采用水冷铜电极进行熔炼，解决了工业污染问题，从而使非自耗真空电弧炉熔炼法成为钛及钛合金熔炼的重要方法之一。
2) 真空自耗电弧炉熔炼法（简称VAR法)。目前，作为工业中生产钛及钛合金铸锭的主要方法，真空自耗电弧炉熔炼法有其自身特点，即熔化速度高、能耗低以及铸锭质量优异的稳定性。该法的主要工作就是电极的制备。常见的方法有单块电极压制并焊成自耗电极法、采用按份加料连续压制的整体电极以及利用其他熔炼方法制备电极等。
3) 冷床炉熔炼法（简称CHM法)。冷床炉熔炼法包括电子束冷床炉熔炼法（EBCHM)及等离子冷床炉熔炼法（PCHM)。电子束熔炼炉的工作原理是利用电子枪对水平传送过来的原料进行加热熔化，然后处于熔融状态的钛合金流向中部的精炼炉体，经过一定时间精炼，最后注入水冷铜坩埚凝固成铸锭。此外，电子束冷床炉可采用未压制的残料、回收料等作为原料，以提高生产效率，同时避免在熔炼过程中由外界引入杂质。
1.4.2 钛合金的应用发展前景
近年，随着我国国民经济的持续快速发展，人民生活水平不断提高，钛和钛合金材料逐渐进入了民用领域。由钛及钛合金板、管、带、丝、箔、饼、环等加工材和多种金属复合材制成的钛产品，在医疗、体育及眼镜、手表、洗衣机等日用消费品领域得到应用，受到市场的青睐，未来的市场十分巨大。
目前，世界上能进行钛工业生产的只有美国、俄罗斯、日本、中国和欧洲的少数国家。而我国具有钛资源的优势，在全球，我国的钛资源占各国之首位。据统计，我国已探明拥有8.7亿吨的资源储量，是世界已探明储量的60%左右。所以，发展钛材制品在我国有着得天独厚的有利条件。特别是近10年来，我国经济的高速发展，人们对物质消费的需求向高档次发展，钛及钛合金开始由航天、航空、国防军工领域逐渐进入到民用消费领域。诸如体育休闲业的钛高尔夫球杆以及钛眼镜架、钛手表、钛自行车等产品，对钛的需求在不断增大。据悉，仅制作高尔夫球头及球杆所消耗的钛已超过1000 t。
此外，钛材及钛合金制品在建筑领域的应用也在逐渐扩大。国家大剧院屋顶采用钛—不锈钢复合板，将覆盖的面积达30000m2，这是我国建筑领域首次应用钛材，开创了建筑领域的先河，由此必将带动我国建筑市场钛材的应用。
由于民用领域对钛的需求逐年增长，使我国的钛工业得到较快发展。目前，研制的钛合金已达50多种，列入国家标准的钛和钛合金牌号近30个。一批新型钛合金，其综合性能达到国际同类合金的领先水平，填补了国内空白。我国已经成为世界上继美国、俄罗斯、日本之后，具有完整工业体系和生产能力的世界第4大钛工业国。
2 钛铝合金的研究发展现状
2.1 钛铝合金的优缺点、分类
钛铝合金密度低、比强度高、比刚度高、耐热性好，具有高的抗高温蠕变性能和抗氧化能力，是综合性能最好的轻质高温合金，是超高音速飞行器和下一代先进航空发动机的首选材料，因此成为轻质合金中研究的重点。
钛铝合金主要可分为3种，即Ti3-Al、Ti-Al和Ti-Al3。其中Ti3-Al的抗高温氧化性能较差，使用温度较低(≤650℃)；Ti-Al3的密度最低，抗高温氧化性能也最好，但由于固溶范围太窄，所以室温延展性差，机械加工困难。
钛铝合金室温下呈脆性，缺乏足够的延展性，变形加工性、耐磨性能较差，高温(>800℃)抗氧化能力低等。为了克服上述缺点，应研究开发新的钛铝合金及其制备技术。[26-28]
2.2 钛铝合金中的添加元素种类及其作用
1)以Cr,V合金化有利于TiAl合金铸态形成完全柱状晶组织,且不影响TiAl合金凝固析晶路线。当Ti/Al原子比接近Ti-48Al合金时,含Cr,V合金宏观柱状晶组织中层片组织具有明显的择优取向,层片倾向垂直于柱状晶生长方向排列。
2)TiAl合金中添加Nb可以抑制柱状晶生长,且影响合金的凝固析晶路线。使含Nb的TiAl合金可形成主要是等轴晶的铸态宏观金相组织,其宏观等轴晶区和柱状晶区内层片组织均由等轴状的层片团构成。
3)含Nb的Ti-46.5Al-2.5Nb-1.0Cr(at%)合金铸态组织沿锭轴向和锭径向的力学性能是一致的;以Cr,V合金化的Ti-46.5Al-2.5V-1.0Cr(at%)合金铸态组织具有显著的力学性能各向异性,在平行于具择优取向的层片界面方向张应力作用下该合金层片组织表现出优异的抗张强度和较好的塑性。[29-30]
2.3 钛铝合金的国内外研究现状
1952年美国加州工学院喷气推进实验室的P.Duwez等首次报导钛铝二元系中存在Ti-Al相，并测定出该相具有LI0(CuAu)型有序结构，以及其固溶范围、晶格常数与Ti/Al比的关系。1956年美国Mcand rew报道，钛铝合金在950℃时具有良好的抗蠕变和抗氧化能力。20世纪70年代初，美国的Prat t and Whitneg公司和Wrigh t-Patterson空军基地航空航天材料研究室对钛铝合金的各种力学性能、微观结构及制备技术进行了研究。与此同时，前苏联也报道了一些研究成果。
1984年美国国家材料咨询局(NMAB)向美国政府递交了一份长达109页的报告，详细阐述了钛铝合金的性质、研究现状及国防应用潜力。该报告公布后，引起了世界各国的普遍关注。美国宇航局、能源部及许多大公司对钛铝合金的研究给予了大力支持和资助。与此同时，其它一些主要工业国家也相继加强了钛铝合金的研究工作。
20##年美国波音公司宣布，其787民用客机使用的GE公司发动机低压涡轮后两级叶片将采用钛合金，这将减轻航空发动机自重，推动全球钛合金的应用热潮。欧洲的发动机公司也迅速跟进。我国也开始了大量的研究工作。[31-32]
近年来，为了推动高温高性能高铌钛铝合金技术工程化和产业化进程，北京科技大学新金属国家重点实验室与上海宝钢股份有限公司特殊钢分公司等单位共同建设钛铝合金工程化和应用研发基地，开发出具有我国独立知识产权的新一代航空航天用发动机材料—高温高性能高铌钛铝合金材料，即将步入产业化阶段，这一技术将使我国航空航天发动机材料居世界领先水平。
高铌钛铝合金是我国创新的研究方向，拥有世界上最早的高温合金专利，带动了世界范围内该领域的研究开发，在钛铝合金发展中具有“里程碑”意义，标志着我国钛铝金属间化合物研究领域处于国际领先地位。[33-34]
我国将钛铝合金的研究列入国家863高技术新材料发展计划。经多年努力，在合金的微观结构、变形特性、添加元素的影响及合金制备技术等方面有了卓有成效的工作，已有多篇钛铝合金的研究论文在国内外期刊及学术会议上发表。
钛铝化合物为基体的钛合金与一般的钛合金相比，钛铝化合物为基的Ti3Al（α2)和TiAl（γ)金属间化合物的最大优点是高温性能好（最高使用温度为816℃和982℃)、抗氧化能力强、抗蠕变性能好和质量轻（密度仅为镍基高温合金的1/2)，这些优点使其成为未来航空发动机及飞机结构件最具竞争力的材料。
目前，已有两个Ti3Al为基的钛合金Ti-21Nb-14Al和Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo在美国开始批量生产，前者已用作高压压气机机闸、高压涡轮支撑环、导弹尾翼和燃烧室喷管密封片等，后者通过形变热处理可获得良好的强度和塑性。
2.4 简要叙述钛铝合金的成型方法及应用发展前景
2.4.1 钛铝合金的成型方法
钛铝合金的制备加工技术主要有如下几种：(1)铸锭冶金技术；(2)粉末冶金技术；(3)快速冷凝技术；(4)复合材料技术。钛铝合金铸锭冶金技术存在铸锭成分偏析和组织不均匀等问题；快速冷凝技术制备的钛铝合金粉末，化学成分稳定，工艺性能良好，但随着热处理温度的变化，粉末的显微结构和显微硬度会发生相应变化；复合材料技术制备的钛铝合金显示出良好的强化性能，但横向性能、环境抗力等问题仍有待解决；粉末冶金法可制备组织均匀、细小的制件，且可实现制件的近净成形，可有效解决Ti-Al金属间化合物合金难于加工成形问题。目前主要制粉方法有两种：元素粉末法和钛铝预合金粉法。目前国内学者多采用元素粉末法制备钛铝合金。Ti-Al合金喷射成型技术工艺流程如图2.1所示。[35-41]
图2.1 Ti-Al合金喷射成型技术工艺流程
刘星星等应用金属喷射成型技术制备钛铝合金。金属喷射主要包括金属熔化、雾化和沉积三个环节，即用高压惰性气体将熔化后的金属液流雾化成细小液滴，并使其沿喷嘴的轴线方向飞行，在这些液滴尚未凝固之前，将其沉积到具有一定形状的接收体上，从而获得理论密度为99%的金属实体，以液态金属直接制备出具有快速凝固组织特征、整体致密、不同形状的半成品坯件。[42]
2.4.2 钛铝合金的应用发展前景
由于钛铝合金具有密度小、高温强度高等特点，所以γ-Ti-Al合金在汽车用材上的应用也已引起人们的关注。γ-Ti-Al合金排气阀已成功通过了苛刻的长周期发动机试验。1997年底，用单相γ-Ti-Al合金制成的涡轮机叶轮复盖盘和空气密封圈通过了工程论证。钛铝合金在先进的喷气涡轮发动机中的主要应用有：
1) 钛铝合金的比刚度较常用发动机材料高50%左右，可用来制作框架、密封支撑、机匣、隔板、涡轮叶片以及喷口区域的零件。
2) 钛铝合金在600~750℃内有良好的抗蠕变性，可以部分替代高密度的镍基合金。
3) 良好的抗燃烧性能使钛铝合金有可能替代密度较大、价格昂贵的钛基阻燃合金。
美国已试制了一些喷气式发动机的零件，如框架、密封支架、叶轮片和隔如框架、密封支架、叶轮片和隔板等。新一代航天飞机(x-30)已将钛铝合金作为发动机部件、支架和蒙皮的候选材料；美国国家航空航天局(NASA)将建造一个超音速单机轨道运输飞行器，钛铝合金是其中的重要材料。据预测，钛铝合金未来将应用于高速飞行运输机(HSCT)、单级入轨(SSTO)太空船(RLV)， γ-Ti-Al合金板材在热结构及热保护系统中的应用已纳入未来欧洲航空运输研究计划(FESTIP)。
除了在航空航天及汽车产业中的应用外，钛铝合金在化学工业、生物医用材料(如人体植入髋关节替代品)、近海工业、能源工业中的应用也逐渐增加。
此外，钛铝合金在体育用品和日常消费品领域(如高尔夫球棒、自行车或珠宝饰物等)中的需求量也越来越大，已经成为人们日常生活中的一部分。总之，由于钛铝合金的优良性能，其应用和发展前景广阔。[43-45]
3 真空感应熔炼方法和3D打印技术的发展应用。
3.1 真空感应熔炼方法
真空感应熔炼是在真空条件下、利用电磁感应在金属导体内产生涡流加热炉料进行熔炼的方法。大型真空感应炉的容量一般为l~30t，1914年，德国海拉斯公司(Heraeus GmbH)制造了第1台真空感应熔炼装置。20世纪40~50年代，美国和英国开始使用真空感应技术和VIM炉生产高温合金。60年代，美国先后制造了15t、30t甚至60t的VIM炉(Vacuum Induction Melting Furnace)，随后的70~90年代，世界范围内制造的VIM炉一般都小于20t。[46-49]
VIDP炉(Vacuum Induction Degassing and Pouring Furnace)作为真空感应炉的新版本， 自1988年出现以来，被发达国家作为大型真空感应炉的重点选择对象。我国冶金科研领域对VIDP炉虽有所关注，但国内装备使用的仅有2台。
3.2 钛合金在3D打印技术的应用
3D打印技术是一种采用增材制造的新兴制造技术，它的出现颠覆了长久以来传统制造业中所采用的减材制造技术的模式。因其能够通过计算机图形数据直接打印出任何复杂形状的零件，且具有制造成本低、生产周期短等优点，正在受到人们越来越广泛的关注。20##年，英国《经济学人》杂志刊文认为，3D打印技术将成为第三次工业革命的重要标志。美国《时代》周刊发文将3D打印产业列为“美国十大增长最快的工业”。
3D打印技术的基本原理是：将一个在电脑中设计好的或者通过扫描方式完成的三维立体零件模型，沿空间某一坐标轴切成许多个一定厚度的剖面，切剖面的过程可以按微积分的思想去理解，然后通过打印机由下向上一层一层将每一剖面打印出来，再将剖面粘结起来，就会得到所需零件的实体。简单的说就是“分层制造、逐层叠加”。
目前的主要应用有：
1) 在航空领域的应用。波音公司已经利用3D打印技术制造出300种左右的飞机零部件，同时波音公司正在与霍尼韦尔公司研究利用3D打印技术打印飞机机翼等更大型的产品。空客公司最近提出“透明飞机概念”计划，即先打印飞机的小部件，然后一步步发展，到2050左右利用3D打印技术打印出整架飞机。由于概念飞机本身结构的复杂性，采用传统制造方法难以实现，比如能让乘客看到周围蓝天白云的透明机壳、仿生的弯曲机身等，采用3D打印技术都可以实现其制造。在国内，西北工业大学黄卫东教授团队利用3D打印技术，制造出长达5m的钛合金机翼前缘，并且通过了中国商用飞机公司的5项测试，其性能略高于此前业界常用的锻造件；北京航空航天大学王华明教授团队，针对大型飞机、航空发动机等国家重大战略项目，经过多年研究，在国际上首次全面突破了钛合金、超高强度钢等难加工大型复杂整体关键构件激光成形工艺、成套装备和应用关键技术，并已在飞机大型构件生产中研发出五代、10余型装备系统，已经接受近10年的工程实际应用考验，使我国成为迄今唯一掌握大型整体钛合金关键构件激光成形技术并成功实现装机工程应用的国家。
2) 在医学领域的应用。3D打印技术在打印牙齿、骨骼修复等方面的技术已经比较成熟。由于每一个人的牙齿都不一样、每一位病人的骨骼损坏程度也不一样，采用传统复方法，不但成本高，而且耗费时间长，会给病人在承受疾病痛苦的同时，带来经济上的压力。而3D打印技术正好可以解决这种个性化、复杂化、高难度的技术需求。3D打印巨头Stratasys公司最近开发出了一种名为Veroglaze的材料，可用于打印牙冠、牙桥修复、制造诊断蜡型和其他牙齿相关对象；20##年3月，第四军医大学西京医院骨科郭征教授带领的团队，将3D打印技术制备的钛合金假体，分别植入3位骨肿瘤患者体内，修复了不同部位的骨骼缺损。这3位患者发病部位分别是骨盆、肩胛骨和锁骨。同时，3D打印技术在打印细胞、软组织、器官等方面也有所发展，早在20##年澳大利亚Invetech公司和美国Organovo公司合作，尝试了以活体细胞为“墨水”打印人体的组织和器官；20##年，来自杭州电子科技大学等高校的科学家研发出中国首台自主知识产权细胞组织3D打印机，该3D打印机使用生物医用高分子材料、无机材料、水凝胶材料或活细胞，目前已成功打印出较小比例的人类耳朵软骨组织、肝脏单元等。
3) 在军事领域应用。在军事领域，3D打印技术给装备保障带来的变化无疑也是革命性的。在未来信息化战场上，无论武器装备处于任何位置，一旦需要更换损毁的零部件，技术保障人员可随时利用携带的3D打印机，直接把所需的部件一个一个地打印出来，装配起来就可以让武器装备重新投入战场。据外媒报道，美国陆军已经加入扩展3D 打印行动，为“增强小型前线作战基地的可持续作战能力”，20##年，他们先后向阿富汗战区部署了两个移动远征实验室，实验室由一个6m的集装箱制成，配备有实验室设备、成型机、3D打印机和其他制造工具，可以将塑料、钢铁和铝等材料打印为战场急需零部件。[50-53]
4 Ti6Al4V和Ti48Al2Cr2Nb的组织类型及性能特点
4.1 Ti6Al4V和Ti48Al2Cr2Nb的实验结果分析
表4.1和表4.2分别为Ti6Al4V和Ti48Al2Cr2Nb在不同放大倍数下的组织和维氏硬度。
表4.1 Ti6Al4V和Ti48Al2Cr2Nb在不同放大倍数下的组织
表4.2 Ti6Al4V和Ti48Al2Cr2Nb的维氏硬度(HV)
图4.1 不同区域的Ti6Al4V和Ti48Al2Cr2Nb的维氏硬度(HV)
图4.1为不同区域的Ti6Al4V和Ti48Al2Cr2Nb的维氏硬度(HV)。对比Ti6Al4V的维氏硬度比Ti48Al2Cr2Nb的维氏硬度可以看出，Ti6Al4V的维氏硬度相对较低，Ti48Al2Cr2Nb抵挡弹性变形和塑性变形的能力较强，抗磨性、耐疲劳性较好，可切削性相对较弱。
通过观察Ti6Al4V和Ti48Al2Cr2Nb在不同放大倍数下的组织可以发现，两种合金的组织均成片层状，Ti48Al2Cr2Nb的组织较细，晶界相对于Ti6Al4V的组织较不明显。综合看来Ti48Al2Cr2Nb合金的组织均匀性较好，晶粒较细小。
综上所述，可以看出Ti48Al2Cr2Nb合金的综合性能要优于Ti6Al4V合金，组织更均匀。
4.2 Ti6Al4V和Ti48Al2Cr2Nb的发展应用
Ti6Al4V(也称为TC4)合金具有良好的超塑性,其用量已占到钛合金总用量的50%以上。利用Ti6Al4V合金超塑成形技术(SPF)可制造发动机风扇、壳体、压气机盘和叶片,用它所制造的飞机中的梁、接头和隔框等重要承力航空构件既能提高构件的抗疲劳和抗腐蚀性,又能缩短制造周期。Ti6Al4V合金的超塑性便于对形状特殊和复杂的零件成形。制品的尺寸稳定、精确,组织均匀,表面光洁度高,而且使用性能优异。但目前对Ti6Al4V合金超塑变形的协调机制还未达成共识,Ti6Al4V合金的显微组织复杂,难以充分描述。实现超塑成形时,过高的变形温度会影响合金的拉伸塑性和疲劳强度。Ti6Al4V合金的应力和应变速率的控制和测量都比较困难。所以,对Ti6Al4V合金超塑性的主要研究对象是应变速率、晶粒度和变形温度。
目前,围绕Ti48Al2Cr2Nb合金的研究主要集中在扩大应用中的工艺和降低成本这两个问题上。随着铸造技术的进步已从1992年Howmet公司铸造的大余量叶片发展到1996年GE公司精铸出的无余量叶片。下一步则是精铸大型的结构部件并通过焊接和机加工使其组合成更大的结构件。但由于热等静压和铸造炉容积的限制, 现在不可能铸造出整体的HSCT尾喷口调节器,而只能铸出节加强筋的面板和工字梁等简单铸件,然后再组合成大型的调节器。Ti48Al2Cr2Nb合金铸件可用钨极氩弧焊和电子束焊进行补焊和焊接。但工件必须均匀预热到高温才行。焊接后经特定的热处理后,焊缝的拉伸性能一般优于基体的性能,而其蠕变和断裂韧性则保持不变。降低成本贯穿于整个工艺过程中。精铸的成本现在已从每磅铸件45美元降低到20美元,并很快降到8.5美元。热处理是另一个需要研究的问题。为获得有用的塑性,Ti48Al2Cr2Nb合金需在1300℃真空热处理20h,但合金的室温塑性和蠕变行为与非常窄的铝含量变化关系更大,成份控制适当时,Ti48Al2Cr2Nb合金的热处理时间(包括热等静压时间)已缩短了到现在的10h。这个问题可从两方面解决,一方面是降低热处理成本,另一方面是使可工作的铝含量范围扩大,以减少合金炉号极疲率。
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