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低溫鈦合金材料應用現狀
隨著航天事業的進一步發展及對深空領域的不斷探索，太空飛行器結構件對低溫材料的性能要求進一步提高。
一方面，太空飛行器結構材料在低溫下必須具備足夠的強度和韌性以及優良的熱學性能；另一方面，考慮到太空飛行器結構件形狀的複雜性，材料必須具有良好的可加工性能。
與傳統低溫材料相比，鈦合金低溫下具有更高的屈服強度，為不鏽鋼 3 倍以上，同時其密度只有不鏽鋼的 1/4~1/2。此外，鈦合金還具有熱傳導率低、膨脹係數小、無磁性等一系列優點，因此非常適合作為新型低溫材料應用於航天領域。
目前，低溫鈦合金已經初步應用於液體火箭發動機領域，主要作為氫氧發動機儲氫罐、氫泵葉輪等結構材料，大幅度提高了液體火箭發動機的推重比、工作壽命及可靠性。低溫鈦合金應用的最大問題在於低溫環境下鈦合金伸長率及斷裂韌性大幅度下降，表現出明顯的低溫脆性，因此，如何降低鈦合金的低溫脆性，提高鈦合金低溫條件下的韌塑性成為低溫鈦合金研究的重中之重。
國內外學者為解決這一問題進行了大量研究，發現通過降低 C，H，O 等間隙元素含量、降低鋁元素含量兩種方法可有效提高鈦合金的低溫性能。通過這兩種方法，國內外開發了一系列性能優異的新型低溫鈦合金。
前蘇聯曾致力於低溫鈦合金的研發及應用。通過降低鋁元素的含量，前蘇聯開發了一系列低鋁低溫鈦合金，其中應用比較廣泛的有 OT4 及 BT5-1。OT4 合金曾被用於太空飛行器軌道對接件、液體火箭管道及燃燒室結構件中；BT5-1 合金曾用於液氫容器的製造。為了進一步提高液體火箭發動機脈衝推動比，俄羅斯某研究所進行了適用於-253 ℃極低溫環境的高強度高塑性低溫鈦合金的研發。
美國對於低溫鈦合金的研究重要集中於 α 型鈦合金 TA7 ELI（Extra low interstitial，超低間隙）、以及 α+β 型鈦合金 TC4 ELI。通過降低間隙元素含量，兩種鈦合金極低溫下強度及韌性獲得了顯著提升。TA7 ELI 作為一種近 α 型鈦合金，在 20 K 低溫條件下仍具有良好的韌性、較低的熱導率以及缺口敏感性，目前已經成功用於低溫容器、低溫管道以及液體火箭發動機葉輪等結構。阿波羅計劃中，TC4 ELI 作為液氫容器、液氫導管的主要材料被大量應用並取得了較好的效果。除此之外，美國學者還對低溫鈦合金斷裂機理、氫脆等一系列問題展開了基礎性研究，獲得了 TA7 ELI，TC4 ELI 等多種低溫鈦合金的力學性能及斷裂機理數據，為低溫鈦合金的進一步發展及應用奠定了基礎。
在低溫鈦合金研發領域，相比於美俄等發達國家，中國起步晚、技術相對落後。近年來，隨著航天事業的發展，我國開始進行低溫鈦合金的研究。「九五」期間，我國先後開展了 Ti-2Al-2.5Zr，Ti-3Al-2.5Zr，CT20 等多種低溫鈦合金的研發工作，我國研發的低溫鈦合金性能如圖 3 所示。CT20 合金是我國第一種擁有全部自主產權的低溫鈦合金，可在 20 K 極低溫條件下使用。該合金在低溫下具有良好的力學性能，20 K 低溫下強度大於 1100 MPa，伸長率大於 10%，同時該合金還具有優良的成形性能，可加工成棒材、板材、管材及絲材。目前為止，CT20 合金已成功應用於某太空飛行器低溫管路。與此同時，科研學者探究了間隙元素對 CT20 合金低溫力學性能的影響，為 CT20 鈦合金性能的進一步提高提供了參考。
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