航空发动机被称为飞机的心脏，是影响飞机使用性能、可靠性和经济性的决定因素。先进航空发动机朝着高涡轮前温度、高推重比、高增压比方向发展，其中高推重比需要通过提高部件的工作应力、减轻部件的重量来实现，减重是提高发动机推重比的最有效手段，因此先进航空发动机对兼具轻质、耐热、耐蚀特性的材料提出了愈加迫切的需求。
钛合金材料具有密度低（约4.5g/cm3）、强度高（室温抗拉强度600~1300MPa）、工作温度范围宽（最高长时使用温度能达到600℃，低温下没有明显的韧脆转变问题）、耐腐蚀好等近乎完美的综合性能优势，极其适应航空发动机的结构设计及使用要求，因此被广泛用于航空发动机各类结构。所用的钛合金零件主要包含两类：一类为风扇和压气机系统的叶片、盘、叶盘、盘轴、轴颈、隔环、机匣等，多数为关键件或重要件，一般采用锻件加工而成；一类为进气、压气机、涡轮支承、传动装置、燃滑油等系统的弯管、支架、支板、肋条、衬套、安装边、轴承座、各类接头等，多数为一般件，其中部分采用小锻件加工而成，部分采用棒材、板材、管材直接加工而成。从国内外航空发动机钛合金的应用经验可知，钛合金使用温度的提高，可以替代高压压气机更多级数的镍基高温合金转子，减重效果显著。除了直接的减重外，压气机转子重量的降低还可以减小对轴和轴承的负荷，可实现二次减重，或者提高轴和轴承的使用可靠性，发动机性能有明显提高，甚至达到“换代”的标准。
受限于蠕变和氧化因素，与镍基高温合金相比，钛合金的耐热能力有限，传统钛合金材料在航空发动机上的长时使用温度认为应不超过600℃。作为广义钛合金材料的Ti-Al系金属间化合物和SiCf/Ti复合材料在600~800℃具有优异的热强性、低密度、高刚性等性能，可以作为推重比10以上的军用发动机和先进民用发动机应用的潜在材料，可用于低压涡轮叶片、风扇和高压压气机整体叶环，但高昂的制造成本、复杂和较差的制造工艺等限制了其在发动机中的应用。目前，在全球各发动机型号上使用的钛合金几乎还是固溶强化型的传统钛合金材料。
我国航空发动机用钛合金材料体系及标准体系的现状及存在问题
我国航空发动机的发展经历了一个曲折且漫长的过程。20世纪50年代至90年代，基于当时的历史条件，我国航空发动机以仿制国外型号为主，早期仿制苏联（俄罗斯）的型号，后期仿制英国、美国、法国的型号。随发动机型号引进带来的结果之一是我国仿制了各个国家的一大批材料，同时引入了各国的技术标准。20世纪90年代后，我国开始自行研制发动机，除少量材料为我国新研外，工程使用的多数材料仍继承前几代发动机的选材，部分采用国外同期新研材料。
钛合金材料是我国航空发动机主干材料的典型，目前在役的钛合金材料绝大部分是引进的，如仿苏联（俄罗斯）的TC1、TC2、TA15、TA16、TA21、TC6、TC8、TC8-1、TC8M-1、TC11、TC25、TC25G，仿制美国的TA7、TA11、TA18、TA19、TC4、TC17、TC19，仿制英国的TA13、TA14，这些材料中的大部分构成了我国航空发动机钛合金主干材料体系。根据对国内钛合金材料在航空发动机系统长期工程应用结果的反馈可知，我国航空发动机钛合金材料体系存在的问题主要体现在：
⑴材料牌号多，同性能水平材料重复；
⑵批量少，性能数据不完整，性能分散性大；
⑶新研材料多（基于专利、成果等因素），老材料改进改型少；
⑷工程化应用研究基础薄弱，技术共享不足；
⑸材料标准和锻件标准的层级多且杂乱。
这些问题造成的结果是：
⑴单个牌号、单个品种的产量和用量少，研发与生产力量较为分散；
⑵材料质量的稳定性和一致性控制能力不足，冶金质量问题频发；
⑶生产成本高，供应链复杂。这些问题在很大程度上影响了我国航空发动机水平和质量的提升。
我国航空发动机钛合金材料标准和锻件标准的层级较多，主要有国家标准（简称“国标”）、国家军用标准（简称“国军标”）、航空行业标准（简称“航标”）、发动机型号标准和企业标准。近年来，中国航空发动机集团有限公司着手建立航空发动机行业的集团标准，面向航空发动机产品的科研与生产，形成了一套适用于航空发动机产品的检验、验收标准体系。以在航空发动机系统应用最广泛的TC4钛合金为例，仅棒材一项，行业以上标准有国标GB/T2965-2023《钛及钛合金棒材》，国军标GJB2218A-2018《航空用钛及钛合金棒材和锻坯规范》、GJB8368-2015《航空用钛合金大规格棒材规范》、GJB494A-2008《航空发动机压气机叶片用钛合金棒材规范》。针对不同的零件如叶片、盘、轴和不同的制造工艺，每个发动机型号编制了大量专用的TC4钛合金棒材型号标准。另外，各层级的标准经常修订，造成同一编号的标准有多个版本。
反观美国航空发动机钛合金材料，主要集中于Ti-6Al-4V、Ti-6242S、Ti-6246、Ti-17、Ti-834，针对不同的用途和性能要求，主要通过制造工艺和具体工艺参数的调整和优化来获得所需的力学性能和功能功效，充分体现了“一材多用”的理念。钛合金材料标准层级较少，航空应用主要是采用宇航材料规范（AMS标准）和发动机公司的企业标准。
钛合金材料统标统型的必要性分析
近年来我国航空发动机行业快速发展，钛合金产品存在牌号数量多、品种多、规格繁杂、标准繁复等问题，在采购材料和锻件过程中，出厂检验和入厂复验的工作量和管理成本居高不下，理化检测往往成为型号研制进度的主要短板，严重制约着航空发动机行业的低成本可持续良性发展，因此迫切需要通过通用材料和零件的统标统型以解决上述问题。
材料统标统型工作涵盖两个方面，即统标和统型。统标是指将同一牌号同一品种的半成品材料或锻件所用标准进行统一，根据设计性能要求，明确标准选用的原则，整合优化标准，合理确定最优标准选项。统型是指将各发动机型号用性能要求和功能相近的不同材料统一，要求优先选用技术成熟度高、生产量大、应用面广、成本低的材料。
通过统标统型工作，确定选用合适的标准，减少材料牌号数量和品种，以起到提升管理能力与效率、实现资源共享共用、缩短研制生产周期、压降生产和管理成本、有效控制采购和库存、降低质量风险等作用。从长远角度看，统标统型对新研型号的设计选材与应用评价具有很好的指导作用，还有利于促进科学合理构建我国航空发动机材料体系、标准体系和航空发动机的正向设计研发与良性发展。
钛合金材料统标统型实践
以我国航空发动机用钛合金材料为研究对象，笔者全面梳理了钛合金及其材料标准、锻件标准的使用现状以及在材料采购、验收和使用中存在的问题，提出材料统标统型需求，制定统标统型方案，开展现行标准对比分析和材料替代可行性分析。
使用现状和存在问题调研
主要收集和整理所用钛合金材料的牌号、品种、规格、标准和生产单位以及具体的零件名称、零件图号、单件定额、单台发动机用零件数量等信息。
对调研信息进行整合分析：首先，确定了各项钛合金零件的属性，可以简单分为锻件和非锻件两类；其次，梳理具体牌号、材料品种、材料标准、材料生产单位，以材料牌号和品种规格为主线，对相关信息和数据进行量化处理和分析，掌握了具体生产和应用、相应材料的型号共用等情况；再次，对每个材料牌号的成分和性能特点、主要应用对象、材料标准和具体生产使用存在问题逐项分析，按材料牌号和品种规格，提出统标统型建议。
钛合金统标工作具体实施
以TA15钛合金采购时用到的材料标准为例说明统标工作的具体实施。TA15板材标准有GB/T3621-2007、GJB2505A-2008、GJB2505A-2018以及企业标准和发动机型号标准各一份，TA15棒材标准有GJB2218A-2008以及企业标准一份，TA15管材标准有型号标准一份，已编制TA15棒材、板材和管材的航发集团标准，但未贯彻。以TA15板材标准为例，开展了TA15板材现行集团标准、国标、国军标、型号标准与企业标准的对比分析，对相关技术内容和质量保证规定逐项对比，具体内容：适用范围、熔炼方法、成形方法、交货状态、化学成分、力学性能、弯曲性能、低倍组织、显微组织、超声检测、尺寸和外形、表面污染层、外观质量、检验分类、组批规则、检验项目、判定与复验规则、检验方法等。厘清各项标准的技术差异要点，提出标准技术等效性意见和替代建议，对标准条款提出修订完善建议。统标的原则一般是采用航发集团标准替代目前使用的国标、国军标、型号标准和企业标准，一些常用的国标和国军标应采用新版代替旧版，如TA15板材标准，应采用GJB2505A-2018代替GJB2505A-2008。
钛合金统型工作具体实施
因某些钛合金材料性能低下及品种、规格、用量少等原因，在能满足相关零件服役性能要求的前提下，可以采用性能更优、成本更低和供应量大面广的材料及品种规格替代，如薄板类可以用TC1替代TA1、TA7、TC2等，棒材类可以用TA15替代TA1、TA7、TC6等，管材类可以用TA18代替TA1、TA16、TA21、TC2等。
以拟被替代的TA7钛合金为例来分析材料特点和应用情况。TA7名义成分为Ti-5Al-2.5Sn，是一种中等强度的α型单相钛合金，具有优异的可焊性和较高的热强性，最高长时使用温度不超过500℃，但其工艺塑性较低，不能通过热处理强化，通常以普通退火状态使用。目前TA7钛合金应用于发动机风扇系统的整流罩密封衬套，中介机匣系统的肋条、堵盖、支板，附件传动装置系统的轴承衬套、轴承支架等零件。TA7存在的问题主要有：
⑴锻造时变形抗力大，易萌生表面裂纹和内部孔洞，不适于制造薄板；
⑵室温强度较低，如GB/T3621-2022要求室温抗拉强度为735～930MPa，实测均值为830MPa，低于大部分常用的钛合金材料如TA15和TC11；
⑶用量少，如在某型号上仅使用了一个零件；
⑷同一标准不同版本并存并用，如GB/T3621-1994和GB/T3621-2007并用。鉴于TA7较低的强度和较差的锻造工艺性，建议发动机上使用的TA7相关零件建议采用其他钛合金材料如TA15替代，不推荐TA7用于新研型号。为了说明TA15棒材替代TA7棒材的可行性，首先开展了TA7典型零件即密封衬套使用工况如工作温度、工作应力的分析，接着对TA15棒材和TA7棒材的关键性能指标、实测力学性能、物理性能、零件加工工艺性、采购成本、采供能力进行逐项对比分析。
结果表明：TA15棒材的综合力学性能优于TA7棒材，TA15棒材的力学性能和物理性能可以满足密封衬套零件的服役要求，国内的生产加工能力能满足TA15密封衬套零件的加工要求，TA15棒材的采购成本低于TA7棒材。综上认为，可以用TA15棒材替代TA7棒材生产发动机密封衬套零件。
结论与展望
通过统标统型工作能起到的作用：
⑴提高材料性能的稳定性，通过统一标准和减少材料牌号，可以增加单个牌号和品种的产量，提高成分、组织、性能的一致性和稳定性控制能力，从而间接提高发动机钛合金零件的使用可靠性；
⑵降低生产和采购成本，通过采购统一型号的钛合金材料和规模化生产，可以大幅降低成本、缩短供应链、减少库存，从而总体实现降本增效的目的；
⑶优化设计和制造工艺，统标统型为设计和制造提供统一的材料和标准，有助于减少内耗、提高生产效率；
⑷增强整个产业链的竞争力，促进上下游企业间的协同合作。航空发动机材料统标统型工作是一项繁杂而艰巨的任务，通过加强材料的优选和集中采购、标准体系的完善等措施，有望逐步实现航空发动机材料的统标统型，推动我国钛合金产业和航空发动机产业的科学有序发展。
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