钛合金具有低密度、高强比、耐腐蚀、耐高温、非磁性等优异的物理机械性能， 被广泛应用到航空航天、舰船制造、生物医用、石油化工等领域。而高温钛合金作为现代航空发动机的关键材料， 被用作航空发动机的叶片、机盘、机匣等部件以减轻发动机的重量，提高飞机的推重比。高温钛合金代表了钛合金的发展前缘，世界几个重要国家如美国、英国、俄罗斯、中国等都对高温钛合金做了大量的研究工作，也都各自建立了钛合金体系。本文对这几个主要国家的高温钛合金的发展及研究现状进行综合分析和探讨，并对我国高温钛合金的研发和应用提供思路。

高温钛合金由于优异的综合性能成为了航空发动机的关键材料，其发展一直备受世界关注。从自高温钛合金出现到现在， 各国科学家已经研究了六十多年， 其各方面的性能不断地被提高：使用温度从 300 ℃被 提 升 到 600 ℃， 抗 拉 强 度 也 从 300～400MPa 被提高到 1100MPa， 从＊初的 α+β 两相合金到高温性能更优异的近 α 型合金（近 α 型合金具有较高的高温强度和接近 α+β 两相合金的室温拉伸性能）。如今成功应用到发动机中的高温钛合金有：IMI834、IMI829、BT18Y、BT36、Ti110 等，＊高使用温度为 600℃。目前为止， 国际上还没有超过 600 ℃成熟的航空发动机用高温钛合金的报道。究其主要原因是由于高温钛合金的蠕变抗力和抗高温氧化性能随温度的升高而急剧降低，这两方面成为制约高温钛合金发展的主要障碍。表 1 列出了部分国家高温钛合金的使用温度及化学成分。 

几种典型 600℃高温钛合金的性能特点及力学性能比较如表 2、3 所示。随着高温钛合金性能的提升，并不断满足航空发动机性能的需求，使得高温钛合金的用量越来越大。 

钛合金在飞机上的用量在一定程度上也反映了一个国家航空工业的发展水平， 表 4 给出了钛合金在一些飞机结构中所占的比例。

表 1 一些高温钛合金的化学成分及使用温度

表2 国内外 5 种 600 ℃高温钛合金及其基本特点

表 3 国内外 5 种 600 ℃高温钛合金力学性能对比

表4 一些飞机结构用钛合金所占比例(质量分数，%)

20 世纪 50 年代， 美国研制出了第一种实用高温钛合金 Ti-6Al-4V，使用温度 300～350℃，该合金具有 α+β 双相组织， 同时具有高的热强性、韧性、塑性、焊接性、 耐腐蚀性等优异的综合性能，被广泛应用在航空航天工业， 至今仍是世界上实用量＊大的钛合金。随后各国相继研制出：使用温度为 350～480℃ 的合金，如 Ti6242、BT321、IMI679 等合金，也是以溶强化为主的合金；使用温度为 480～540℃合金，如 Ti6242S、IMI685、IMI829、BT9 等合金，这类合金主要是加入了 Si 元素，确立了合金体系 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 系列，合金相组成由 α、β、微量硅化物组成；使用温度为 540～600℃合金，如 IMI834、Ti-1100、BT18Y、 BT36 等， 这类合金中长程有序的 α2 强化相得到应 用，合金由 α、β、微量硅化物、α2 相组成。

2.1 美国高温钛合金的发展

随着 Ti-6Al-4V 的研制成功， 美国成为世界上第一个研制出高温钛合金的国家。然而随其航空工业的发展，Ti64 的耐热性、冷加工性、疲劳强度等方面已无法满足需求。随后，美国开发了含 Mo 分别为 6%和 2%的 Ti6246、Ti6242 合金， 将高温钛合金的使用温度从 300℃提高到 450℃，具有更高的瞬时强度和抗高温蠕变强度。20 世纪 70年代，美国活性金属公司通过在 Ti6242 合金中添加 Si 元素开发了 Ti6242S 合金， 显著提高了 Ti6242 的蠕变性能，将高温钛合金的使用温度突破 500℃达到 520℃，使其具有更好的高温使用性能和焊接性能，被主要应用在航空发动机部件及飞机机体热端零件上。20 世80 年代初， 美国再次对 Ti6242S 合金中的 Sn、 Mo、Si 元素进行调整， 同时控制杂质元素 O 的质量 分数低于 0.07%和 Fe 的质量分数低于 0.02%， 研发出了近 α 型 Ti1100 高温钛合金，使其使用温度达到了 600℃。该合金同时具有较低的韧性和较大的疲劳裂纹扩展速率， 被用来制造发动机的高压压气机轮盘和低压涡轮叶片等零件。

美国钛合金的研制思路主要是将多元合金化和组织调控相结合， 通过调整合金元素种类和含量以及热处理制度来获得高温钛合金高温下的疲劳强度和蠕变强度的＊佳匹配。 

近几年有报道， 美国麦道公司采用快速凝固 / 粉末冶金技术， 成功的研制出一种使用温度达到 650℃以上的高温钛合金，并且在 760℃下其强度与目前常温下使用的钛合金强度基本一致。

2.2 英国高温钛合金的发展

在钛合金研制与开发上， 英国学者初期就认识 到了 Si 元素对合金的蠕变性能起到的重要作用，因此可以看到英国的高温钛合金几乎都含有 Si 元素， 英国的设计思路是通过 α 相的固溶强化作用提升合金蠕变性能， 因此侧重于寻找提高蠕变强度的近 α 型钛合金。在 1955年左右， 英国成功研制出了 IMI550 合金， 相比较与同时期美国研制出的 Ti-64 合金，IMI550 合金具有更高的抗拉强度和使用温度 （约 425℃）。IM I550 合金奠定了英国高温钛合金发展的基础。随后，英国在 IM I550 合金的基础上，又添加 了 1% 、0.5% 的 Mo研 制 出 了 IMI679 合 金 、 IMI685 合金， 同时IMI679 合金含有11%的 Sn，使用温度提高到 450℃， 抗高温蠕变强度优于美国的 Ti-64 合金，而 IMI685 合金可在 520℃下使用，并具有较高的蠕变性能、加工性能以及焊接性能。 

20 世纪 70～80 年代， 随着航空工业对疲劳强度要求的提高， 英国开发了以改善疲劳强度为主的 IMI 829 和 IMI 834 合金，这两种合金都属于 Ti-AlSn-Zr-Mo-Nb-Si 系列，IMI 834 合金还含有 0.06%C， 这样的成分设计使得合金的氧化性能以 及蠕变性能均得到了大幅度提升；同时还能对合金的宏观 组织与微观组织进行有效细化。IMI 834 合金也成为国际上出现的＊＊使用温度可达 600℃的高温钛合金。

2.3 苏联(含俄罗斯)高温钛合金的发展

苏联对高温钛合金的研究起步较早，研究也较为成熟，形成了一套完整的钛合金体系。BT321 合金是苏联在 1957 年研制成功的，奠定了苏联高温钛合金研制的基础， 该合金也是苏联早期＊成熟和应用＊广泛的合金。BT321 合金中除了常用的Al、Mo，Si 元素外，还有 Cr 和 Fe 元素，这两种元素有效地增强 了 α、β 相的热强性，其工作温度 400～450℃。

为了进一步提高钛合金的使用温度，1958 年苏 联成功研制出了同属 α+β 型马氏体的 BT8、BT9 合金。BT8 属于 Ti-Al-Mo-Si 系合金，其在 500℃下具 有较好的热稳定性，BT9 在 BT8 基础上增加了 Sn， 提高了合金的持久强度和蠕变强度， BT9 的热强性优于 BT8，但热稳定性不如 BT8。20 世纪 60～70 年 代，苏联又研制和开发了BT18、BT18Y、BT25、BT25Y 合金，进一步提高了高温钛合金的热强性能。

1992 年，俄罗斯在 BT18Y 的基础上用 5%的高熔点 W 代替 1%Nb 开发出了一 种使用温度达到 600℃的八元高温钛合金 BT36， 而 W 的加入对合金的室温强度、蠕变、持久性有明显的改善，提高了合金的热稳定性。

2.4 国内高温钛合金的研究现状 

我国高温钛合金的研制工作起步较晚， 始于北京有色金属研究总院， 随着钛合金应用不断深入， 中国科学院金属研究所、北京航空材料研究院、洛阳船舶材料研究所等科研单位和企业也都相继加入高温钛合金研究中。随着研究的深入，我国高温钛合金的使用温度从＊初使用温度在 300～400 ℃的 TC4 到使用温度为 600℃的 Ti60、Ti600。从＊初以仿制俄罗斯和英国高温钛合金的研制工艺， 到后来经过不断的探索逐步形成了以添加稀土元素为特色的近 α 型高温钛合金体系， 典型的如 Ti55、Ti60、 Ti600。

Ti55 合金是在 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 系合金中添加了稀土元素 Nd，而 Nd 元素在熔炼过程中能够与基体中的氧结合， 既降低了基体中的氧含量又形成了与基体非共格的第二相颗粒，从而净化了基体，提高了合金的热稳定性；Ti60 合金是中科院金属研究所和宝钛集团在 Ti55 基础上适当增加了 Al、Sn、Si 的含量，并降低 Nb、Zr 的含量，这样的成分设计使合金的使用温度达到了 600℃；随后，西北有色金属研究院又研制出 Ti600 合金，此合金是以美国的 Ti1100 合金为基础， 添加约了 0.1%Y。该合金在 600～650℃下， 具有良好的蠕变性能和力学性能。

相较于国外 600℃高温钛合金，Ti60、Ti600 均具有更高的的屈服强度和抗拉强度，但目前，我国 600℃ 及其以上高温钛合金还处于研究阶段， 在国内航空发动机上还没有得到应用。

高温钛合金在航空、 航天领域上的重要意义已经得到世界各国共识， 中国在高温钛合金的研制方面与西方发达国家相比还有很大的差距， 差距不仅体现在与西方发达国家的研究水平上， 更多的是体现在我国工业化生产水平与国外的差距。通过对国内外高温钛合金现状的综述，笔者提出了几点建议， 希望这些建议能为我国高温钛合金的研究发展提供一些借鉴。 

1） 高温钛合金的设计朝多元方向发展，成分的优化越来越重要，合金化也越来越合理。 

2） 适量的 Si 明显提高合金强度和高温抗蠕变性能。 

3） 一些稀土元素在钛合金中可以脱氧， 并可与基体形成高熔点化合物，提高合金的抗氧化性。但稀土元素在高温钛合金中的作用和机理需要更深入的研究。 

4） 可以寻找新的添加元素，其在 α-Ti 中要有较大溶解度并能起到较强的强化作用， 同时新元素与钛形成 Ti3X 倾向要小，避免带来组织不稳定。 

5） 需加强对高温钛合金特殊加工工艺的研究。