1．1 钛合金在航空上的应用
由于钛合金具有高比强度、较宽的工作温度范围和优异的腐蚀抗力，因而在航天工业得以广泛应用，如阿波罗飞船，其用钛量高达1180kg。钛合金在航空发动机上不断取代铝合金、镁合金及钢构件，目前先进发动机压气机盘、压气机叶片和风扇叶片以及机匣等均由钛合金制造，甚至实现压气机全钛化。某发动机上的主要用钛合金部位见图1-1。
钛合金在先进飞机上也获得大量应用，如苏-27飞机上各种钛合金零件的重量约占飞机结构重量的15％；美国第三代战斗机F-14和F-15上钛合金零件的总重量占飞机结构重量的比例分别高达24％和27％，而美国第四代战斗机F-22上的钛合金用量已达41％。
在航空上使用钛合金的主要原因包括以下几个方面：
（1）降低重量。在各种应用条件下，钛合金的高比强度远超过强度高而密度大的钢以及重量虽轻但强度较低的铝合金。图1-2比较了几种金属材料在不同温度下的比强度，可以看出，用钛合金代替钢和铝合金而降低重量是相当可观的。第二代军用战斗机的结构重量系数（即飞机自重占起飞重量的百分比）从33％。34％降低到美国第四代战斗机的典型代表F-22的27％~28％，以F-22起飞重量25000kg计算，需降低自身重量1500kg，通过设计改进最大可减重300kg，大量采用复合材料实现减重约600kg，需采用钛合金实现减重600kg，占总减重的40％，可见大量采用钛合金在军用飞机发展中所起到的作用。
（2）使用温度。钛合金的耐热性远高于铝合金，其工作温度范围较宽，如目前先进耐热钛合金的工作温度可达550℃-600℃，正在研制的TiAl及Ti，Al合金的使用温度更高。同时低温钛合金则在-253℃还能保持良好的塑性。
（3）空间限制。由于高的比强度，钛合金可能易于替代那些空间受限的铝合金及钢构件，如苏-27飞机起落架臂就采用钛合金。
（4）腐蚀抗力。优良的抗蚀性是钛及其合金另一个突出的优点，且在大多数情况下不需要附加表面保护层，特别是在海水和海洋大气中抗蚀性极高，这对舰载飞机、水上飞机以及沿海地区服役的飞机都是十分有利的。
（5）与复合材料的相容性。人们发现钛在与聚合物复合材料基零件接触的部位具有广泛的用途。与铝合金相比，钛及其合金与碳纤维的电势更为接近。且具有较为相近的热膨胀系数。
尽管钛合金具有诸多优点，但也存在一些缺点而使其应用受到一定限制。
（1）刚性低容易变形失稳，不宜作细长杆件和薄壁件。例如某型飞机用发动机导热罩，原来采用lCrl8Ni9Ti不锈钢制造，为减轻重量，改用TFA2钛合金制造，在定型试飞中均顺利通过性能考核，但在发动机实际使用条件下，由于温度比定型试飞时偏高，则出现了导热罩由于刚度不足而失稳变形，而采用lC，18Ni9Ti不锈钢的同类型发动机则均未出现类似问题。
（2）导热性差、摩擦系数高，容易导致粘连。例如某型导弹出现发射不离轨故障，原因在于导弹挂架采用了没有经过强化处理的钛合金，导致与导弹挂架发生粘连而发生自锁。因此，钛合金不宜用作有摩擦关系的零部件。同时，由于导热性和摩擦问题，钛合金零件接触表面容易产生微动磨损，如钛合金压气机叶片榫头之间就出现过多次微动磨损疲劳断裂。钛合金锻造尤其是自由锻造导致的热剪切也易于出现，薄壁圆管也出现过在冷涨型中由于导热性差出现钛合金表面严重烧伤等问题。
（3）表面完整性对疲劳寿命的影响很大。在直升机和发动机零件加工过程中出现过由于加工熔滴导致表面完整性变差而引起疲劳强度急剧下降的问题，这就要求在加工过程中避免表面氧化和高温污染等，这方面的问题与案例在后面的相关章节中有相应的介绍。
当前国内外正致力于通过改进工艺等途径降低钛合金材料及零部件制造成本，提高钛合金加工质量等，预期钛合金将在军用及民用工业上得到更广泛的应用。
1。2 钛及其合金的金属学基础
钛和铁一样具有同素异构转变。钛有两种同素异构体，在882．5T以下为具有密排六方品格的。相，而在高于882．5℃直到熔点1668％：之间为具有体心立方品格的B相，即在882．5℃存在O一）p转变。O斗p的转变温度简称p相变点。p相变点对钛的成分十分敏感，如杂质氧和氮的含量在合格范围内的变化，可使p相变点在865℃~920％：范围内变化。钛和钛合金在相变点以上或以下变形加工和热处理，所得的组织、性能差别很大。因此，p相变点是制订钛合金热加工工艺规范的一个重要参数。（）L钛虽为密排六方品格，但在低温下仍具有良好的塑性。这可用其品格常数c（O．46843nm）与a（0．29511nm）之比c／o小于1．633来解释。
1．2．1 杂质的影响
钛及其合金中的杂质主要有氧、氮、碳、氢、铁、硅等。这些元素通常与钛形成间隙或置换固溶体，过量时则可以形成脆性化合物，使钛及其合金的强度提高，但却使塑性急剧下降。
上述杂质元素按其对钛及其合金的影响程度，可分为三种类型，即氧、氮、碳为第一类，氢为第二类，铁和硅为第三类。
1．氧、氮、碳
氧、氮、碳提高0一）B相变温度，扩大0相区，是稳定0的元素，能使钛的抗拉强度大幅度升高，其中氮的强化作用最大，但却使塑性急剧下降（见图1—3），并导致断裂韧度、热稳定性、抗蠕变等性能下降。早期人们甚至利用一定量的杂质来提高强度，但从结构容限设计的角度看，利用杂质而得到强化作用通常是不可取的。为了保证材料的塑性和韧性，在钛及钛合金中均对氧、氮、碳的含量有严格的限制。近年来人们发展了一些间隙元素含量特别低的高纯度钛合金，以适宜在低温工作或在要求有高的断裂韧度时使用，降低间隙杂质元素含量可大大提高钛材的断裂韧度并降低裂纹扩展速率。美国在F一22飞机中大量采用的低间隙杂质元素含量的：FC4钛合金，就是考虑了损伤容限问题。我国近年来也发展了一批低间隙元素含量的新型钛合金。这类低间隙杂质含量的钛合金也被人们认为属于损伤容限型钛合金。
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