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金牌号不同在400~1500MPa范围内，弹性模量介于50~120GPa之间，远低于钢（约210GPa），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，美国首次在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1000MPa级，如Ti-6Al-4V、、Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al和（β21S）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104GPa，抗拉强度为1300~1450MPa。

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（90~120GPa）也较高，导致弹性性能较低，难以满足先进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（原子分数%），该合金经90%冷轧变形后强度可达1200MPa，弹性模量为55GPa，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42GPa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是先进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。

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