《航空钛合金材料设计及应用》为“航空材料科学与工程丛书”之一。作者以钛合金的集成计算设计为载体，横跨电子-原子尺度、微观-介观尺度和宏观尺度，系统介绍了合金材料成分和组织预测以及制备和服役行为的仿真计算方法，强调了集成计算对于钛合金的合金材料高效设计和性能突破的重要意义，并展望了航空钛合金新材料设计的发展趋势。《航空钛合金材料设计及应用》共6章，第1章概述了航空钛合金及其设计方法的发展，第2章介绍了目前学界和工业界常用的多尺度计算方法与工具，第3章介绍了航空钛合金的成分和组织设计，第4章聚焦航空钛合金的热加工工艺仿真，第5章围绕航空钛合金的使用性能预测展开，第6章则给出了具体的航空钛合金集成计算设计与应用案例。

目录
总序
前言
第1章 航空钛合金材料发展概述 1
1.1 航空钛合金的分类 1
1.1.1 基于相组成的钛合金分类 1
1.1.2 基于应用特性的航空钛合金分类 6
1.2 航空钛合金发展历程 7
1.2.1 国外航空钛合金的发展与应用 7
1.2.2 国内航空钛合金的发展与应用 20
1.3 先进航空钛合金研究与设计方法展望 31
1.3.1 钛合金在航空领域的发展趋势 31
1.3.2 集成计算技术在研制过程中的应用 34
1.3.3 航空钛合金材料设计的发展趋势 36
1.4 本章小结 37
参考文献 37
第2章 常用多尺度计算方法与工具 40
2.1 **性原理 40
2.2 分子动力学 41
2.2.1 分子动力学的基本原理 41
2.2.2 原子间相互作用势 42
2.2.3 分子动力学模拟基本算法 44
2.2.4 模拟的边界条件 45
2.3 计算热力学 46
2.3.1 计算热力学的历史与发展 46
2.3.2 计算热力学的理论基础 47
2.3.3 计算热力学方法 48
2.3.4 计算热力学在材料科学中的应用 51
2.4 相场模拟 53
2.4.1 基本思想与方法特点 53
2.4.2 序参量、守恒变量与自由能泛函 54
2.4.3 相场动力学方程与多物理耦合 56
2.4.4 数值实现与建模流程 58
2.4.5 相场方法在钛合金中的典型应用 59
2.4.6 与其他计算方法/工具的耦合与参数来源 60
2.5 晶体塑性模型 61
2.5.1 晶体塑性理论概述 61
2.5.2 单晶与多晶塑性本构模型 63
2.5.3 晶体塑性有限元数值实现 66
2.5.4 晶体塑性的典型应用场合 66
2.6 宏观唯象本构模型 66
2.6.1 基本组成与通用形式 67
2.6.2 热加工常用流动应力表达 68
2.6.3 组织效应与软化行为的宏观等效 69
2.6.4 参数标定、工程实现与适用性 70
2.7 本章小结 71
参考文献 71
第3章 航空钛合金的成分和组织设计 73
3.1 合金蠕变的基本理论概述 73
3.1.1 蠕变的基本特征 73
3.1.2 蠕变的分类和机制 76
3.2 钛合金强韧化与蠕变机制的**性原理计算 78
3.2.1 合金元素对合金强化作用的计算评估 78
3.2.2 不同合金元素对扩散及蠕变行为影响的**性原理计算 82
3.2.3 合金原子在典型有序钛基化合物中的占位行为 85
3.3 高温钛合金热力学计算与模型合金成分设计 88
3.3.1 背景与需求 88
3.3.2 不同合金元素对钛合金α/β相变的影响 88
3.3.3 合金元素对钛合金中纳米析出相的影响 90
3.3.4 合金凝固相关元素偏析的热力学计算 94
3.4 钛合金形变与相变机制的分子动力学模拟 96
3.4.1 钛合金中晶界和相界的构建、能量及力学行为模拟 96
3.4.2 钛中β/β晶界的结构、能量和力学响应 96
3.4.3 钛合金中位错诱导相变形核机理及强韧性关联 98
3.5 纳米析出相对力学行为影响的原子机制模拟 100
3.6 本章小结 107
参考文献 108
第4章 航空钛合金的热加工工艺仿真 111
4.1 钛合金铸造工艺仿真 111
4.1.1 钛合金铸造工艺仿真概述 111
4.1.2 钛合金铸造工艺数值模拟技术 112
4.1.3 钛合金铸造工艺数值模拟模型 114
4.1.4 钛合金铸造工艺数值模拟缺陷判据 116
4.1.5 钛合金铸造工艺仿真应用案例 116
4.2 钛合金锻造与热处理工艺仿真 130
4.2.1 锻造工艺数值模拟概述 130
4.2.2 热处理工艺数值模拟概述 136
4.2.3 锻造-热处理的集成模拟 138
4.2.4 钛合金锻造与热处理仿真应用案例 140
4.3 本章小结 172
参考文献 172
第5章 航空钛合金的使用性能预测 175
5.1 钛合金使用性能预测的晶体塑性模型 175
5.1.1 耦合物理机理的晶体塑性本构模型 176
5.1.2 初始微观组织建模 184
5.2 钛合金力学行为的多尺度实验验证与参数确定 186
5.2.1 钛合金微柱压缩的晶体塑性模拟与实验验证 186
5.2.2 钛合金单晶纳米压痕晶体塑性模拟与实验验证 189
5.2.3 力学性能预测模型在不同钛合金中的实验验证 190
5.3 基于晶体塑性的钛合金使用性能预测 196
5.3.1 钛合金拉伸强度性能预测 196
5.3.2 钛合金蠕变性能预测 200
5.4 基于人工智能模型的性能预测 202
5.4.1 数据驱动的性能预测 203
5.4.2 人工智能与物理模型的结合 204
5.4.3 应用前景与挑战 207
5.5 本章小结 208
参考文献 208
第6章 钛合金的集成计算设计与应用 210
6.1 高温钛合金设计的跨尺度集成计算框架 210
6.2 基于跨尺度计算的多组元高温钛合金设计 212
6.3 基于跨尺度计算的工艺和微观组织设计 218
6.4 多组元高温钛合金设计的实验验证 224
6.5 本章小结 229
参考文献 229
关键词索引 230

第1章 航空钛合金材料发展概述
　　现代航空飞行器性能的每一次重大突破，都离不开材料科学的有力支撑。与结构钢、不锈钢及铝合金相比，钛合金在比强度上具有明显优势，其工程应用也率先在航空发动机和飞机结构件上得以实现。70余年来，航空钛合金得到了迅猛发展，从早期在部分次要结构件上的试探性应用，到如今在飞机主承力结构件、发动机转动件中的广泛使用，航空钛合金的应用历程不仅反映了飞机制造技术的进步，也见证了材料科学与航空工业的深度融合。航空钛合金的发展在推动航空技术的飞速进步中起到了举足轻重的作用，为飞机的安全性、可靠性、经济性以及环保性提供了全方位的保障。
　　钛合金成分体系复杂，工艺研制流程长，以经验试错为主的传统方法在研制新型航空钛合金时，周期长、成本高、缺少全链条集成，无法满足航空装备飞速发展的需求。近年来，以集成计算为主导的材料数字化研发范式，通过集成多尺度的材料计算方法、先进的实验工具以及数据分析方法，以面向工程应用的航空装备设计需求为切入点，充分融合理论、计算、实验、制造等要素，可显著缩短材料从研制到应用的周期，降低研发成本，已经成为航空钛合金研发的一个重要发展趋势。
　　1.1 航空钛合金的分类
　　1.1.1 基于相组成的钛合金分类
　　钛具有同素异构特性，在882℃发生α/β相的同素异构转变，由较低温度下的密排六方晶体结构（α相）转变为较高温度下的体心立方晶体结构（β相）。加入其他合金化元素会改变钛的α/β相转变温度。根据对钛α/β相转变温度的不同作用，可将钛的合金化元素分为α相稳定元素、β相稳定元素和中性元素三类。通过相图可以更直观地看到这些合金元素对相转变温度的影响，见图1.1。
　　α相稳定元素主要包括Al、O、N等，可以提高钛的α/β相转变温度，稳定α相。Al元素是钛合金中*常用的α相稳定元素，Al原子固溶在α-Ti晶格中，形成固溶体，起到提高合金强度和热稳定性的作用，当Al含量在一定范围内增加时，钛合金的高温强度和蠕变性能会得到明显改善。同时，添加Al元素还具有降低合金密度的作用，在保证合金强度的前提下，减轻合金的质量，对减重要求苛刻的航空领域应用具有重要意义。少量的O元素和N元素同样对提高钛合金的强度作用明显，这是因为间隙固溶的O原子和N原子会与Ti原子形成强烈的化学键，阻碍位错的运动，从而产生显著的间隙固溶强化效果。但是，O含量和N含量过高会导致合金的塑性和韧性大幅下降，使合金变得脆硬，加工难度增大。
　　β相稳定元素包括同晶型元素V、Mo、W、Nb、Ta，以及共晶型元素Cr、Fe、Cu、Mn、Ni、Co等，添加这些元素能促使α/β相转变温度下降，稳定β相。V、Mo元素是钛合金中*常用的同晶型β相稳定元素，能够显著扩大β相区，降低α/β相转变温度，从而提高钛合金的淬透性，使钛合金在热处理过程中更容易获得所需的β相组织。通过控制固溶后的冷却工艺，可以调控钛合金的组织结构和性能。加入Mo元素还能提高钛合金的高温强度和热稳定性，在高温环境下，Mo原子能够阻碍位错的运动和晶界的迁移，增强合金的抗蠕变性能。W、Nb、Ta元素由于密度大、成本高、合金化难度大等问题，应用相对较少，仅用于对性能要求更高的航空部件。在共晶型β相稳定元素中，Fe、Cr元素是比较常见的合金化元素，使用这些元素，需要严格控制其含量及制备工艺，避免产生脆性的金属间化合物或形成偏析。
　　中性元素包括Sn和Zr，对α/β相转变温度没有明显影响。少量添加Sn、Zr元素可以稳定α相，并对合金提供一定的强度。
　　根据不同元素对α相和β相稳定性的作用，分别以Al元素和Mo元素为基准进行折算并求和，即构建钛合金的Al当量（[Al]eq）和Mo当量（[Mo]eq）公式，见式（1.1）和式（1.2）。Al当量和Mo当量在合金设计中有着不同的作用。
　　（1.1）
　　（1.2）
　　从Ti-Al合金的二元相图（图1.2）可见，Al含量的提高，会产生Ti3Al相，从而引起材料脆性，因此一般要求钛合金的Al含量控制在9%（原子百分比）以内，避免合金的室温塑性急剧下降，影响合金的使用性和可靠性。
　　Mo当量是钛合金按照组织类型进行分类的重要依据。按照组织类型对钛合金进行分类可以将钛合金分为α型、近α型、α+β型、近β型和β型五种类型。各种类型钛合金以Mo当量作为分类界限，图1.3给出了β同晶型相图的二元相截面示意图，可以更直观地看到五种钛合金类型。
　　α型钛合金不含有β相稳定化元素，Mo当量为零，不含β相。因此，α型钛合金不能进行热处理强化，其优点是组织稳定、耐腐蚀、易焊接；缺点是强度偏低、加工成形性能较差。典型代表合金是Ti-5Al-2.5Sn钛合金。
　　近α型钛合金的Mo当量为0%～2.5%。合金主要靠α相稳定元素固溶强化，含有少量的β相，以改善加工成形性能，并使合金有一定的热处理强化效果。按照合金Al含量的多少，可将近α型钛合金分为低Al含量和高Al含量两类。低Al含量近α型钛合金的加工成形性、可焊性与工业纯钛相近，适用于制造具有复杂形状的板材冲压件和焊接件。高Al含量近α型钛合金具有高蠕变抗力和持久性能，适用于制造高温环境下使用的发动机结构件，如航空发动机高温段压气机盘、叶片和机匣等。典型代表合金包括Ti-8Al-1Mo-1V（Ti-811）、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si（Ti-6242S）、Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V（BT20）和Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si-0.06C（IMI834）等钛合金。
　　α+β型钛合金的Mo当量为2.5%～10%。钛合金从β相区急剧冷却时发生马氏体相变，转变为α'相或α''相，因此该型合金又称为马氏体α+β型钛合金。这类合金可以进行热处理强化，根据对性能的不同要求，既可以在退火状态下使用，也可以经固溶时效热处理后使用。α+β型钛合金具有良好的热加工工艺性能和综合力学性能，是飞机和发动机结构件应用*广泛的一类钛合金材料。*具代表性的材料是Ti-6Al-4V钛合金。
　　近β型钛合金（也称近亚稳定β型钛合金）的Mo当量为10%～15%，钛合金从β相区急剧冷却不会发生马氏体转变。该型钛合金具有高的强度（＞1000MPa）、高的弹性模量、优良的淬透性，并且在大气和海水环境介质中有良好的断裂韧性，适用于制造飞机及发动机大型结构件等。代表合金包括Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr（Ti-17）、Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe（BT22）和Ti-10V-2Fe-3Al（Ti-10-2-3）等钛合金。而Ti-17合金的Mo当量处于边界位置，通常也将Ti-17称为富β型α+β钛合金。
　　β型钛合金的Mo当量在15%以上。更为细分的说法是，Mo当量为15%～30%，称为亚稳β型钛合金；Mo当量超过30%，称为稳定β型钛合金。现有的β型钛合金基本上都属于亚稳β型钛合金，如Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn（Ti-15-3）、Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.25Si（Beta 21S）、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr（Beta C）等钛合金，此类钛合金具有比其他类型钛合金更低和更宽的锻造温度范围，更优良的淬透性，适合制造大型承力结构件、高强度弹簧、紧固件等。稳定β型钛合金非常少，Ti-35V-15Cr（Alloy C）阻燃钛合金属于稳定β型钛合金，Alloy C合金在铸造组织状态下的锻造变形非常困难，容易开裂，与亚稳β型钛合金的差异比较大。
　　随着钛合金材料技术的发展，航空钛合金的类别更为丰富，Ti-Al系金属间化合物（简称Ti-Al系合金）和钛基复合材料也被纳入航空钛合金的范畴。形成了由传统的固溶强化型钛合金、有序强化型Ti-Al系合金以及复合强化型钛基复合材料构成的更为广义的航空钛合金。
　　在Ti-Al合金的二元相图（图1.2）中有三个金属间化合物相，分别是Ti3Al、TiAl和TiAl3，其中TiAl3化合物的脆性问题一直没有得到有效解决，因此目前研究较少。对Ti-Al系合金的研究主要集中于Ti3Al合金、由Ti3Al合金衍生出的Ti2AlNb合金、TiAl合金三大类，使用温度覆盖650～850℃。其中，Ti3Al、Ti2AlNb合金使用温度为650～750℃，TiAl合金使用温度为750～850℃。
　　Ti3Al和Ti2AlNb合金通常由α2-Ti3Al相（α2相）、O-Ti2AlNb相（O相）及有序β相(B2相)中的两相或三相构成；TiAl合金主要由基体γ-TiAl相(γ相)和α2-Ti3Al相（α2相）构成。Ti-Al系合金与传统钛合金的相结构特点见表1.1。图1.4为钛合金α相和β相及Ti-Al系合金中α2相、B2相、O相、γ晶体结构示意图。
　　1.1.2 基于应用特性的航空钛合金分类
　　航空钛合金主要分为飞机结构用钛合金和发动机用钛合金两大类。
　　飞机结构用钛合金主要用于制造飞机的框、梁，起落架、管路系统、紧固件，以及直升机旋翼系统结构件等。应用于飞机结构件一般对材料的承载能力、刚度和韧性有要求，对耐温能力要求较低，大多选用工艺性能较好的α+β型钛合金、近β型和β型钛合金。飞机结构用钛合金一般按照强度级别划分，抗拉强度小于700MPa的属于低强度高塑性钛合金，如Ti-3Al-2.5V，Ti-2Al-2.5Zr、Ti-45Nb等，低强度高塑性钛合金有较好的冷加工性能，主要用于制造管材、紧固件、钣金件等。抗拉强度在700～1000MPa范围的属于中等强度钛合金，如Ti-6Al-4V和Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V。抗拉强度大于1000MPa的属于高强钛合金，超过1100MPa属于超高强钛合金，如Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe等，高强钛合金以较高Mo当量的近β型和β型钛合金居多。飞机结构用钛合金中还有一类，是应先进飞机长寿命和损伤容限/耐久性设计发展需求而研制的钛合金，称为损伤容限型钛合金，主要有Ti-6Al-4V ELI和Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-2Mo-Si（Ti-6-22-22S）合金。
　　发动机用钛合金主要作为风扇和压气机机匣、盘/整体叶盘、叶片、筒体、承力环、安装边、安装座等结构件。相比于飞机结构件，其使用环境更为复杂和苛