低溫環(huán)境下使用的結(jié)構(gòu)件除要求保持一定的強(qiáng)度，還要求具有良好的塑韌性、較低的熱導(dǎo)率和優(yōu)良的加工性能。目前常用的低溫結(jié)構(gòu)材料主要包括不銹鋼、鋁合金、鎳基合金和鈦合金等。與不銹鋼、鋁合金等低溫結(jié)構(gòu)材料相比，鈦和某些鈦合金還具有足夠的低溫韌性、高的比強(qiáng)度且在低溫下熱傳導(dǎo)率低、膨脹系數(shù)小、無(wú)磁性的特點(diǎn)。近年來(lái)隨著各國(guó)探索太空的競(jìng)爭(zhēng)，迫切需要能適應(yīng)太空低溫服役環(huán)境的材料，因此鈦合金在宇航、超導(dǎo)等領(lǐng)域成為一種倍受關(guān)注的工程材料，其中一些新研發(fā)的低溫鈦合金因其重要的戰(zhàn)略價(jià)值而受到世界各國(guó)的普遍重視。

鈦和鈦合金隨著溫度的降低，強(qiáng)度性能大幅度提高，高循環(huán)次數(shù)疲勞壽命特性有所提高，但和一般金屬材料相似，其延伸率、沖擊韌性和斷裂韌性都有下降趨勢(shì)。如何降低鈦合金低溫脆性，主要從以下幾個(gè)方面加以考慮。一、采用α和近α鈦合金。由于β鈦合金的塑-脆轉(zhuǎn)變溫度較高，隨著使用溫度的降低，其塑韌性急劇降低，一般不適合在低溫環(huán)境下使用。α和近α鈦合金的塑-脆轉(zhuǎn)變溫度普遍較低，即使在液氮（77K）和液氫（20K）溫度下仍然具有較好的塑韌性，可以滿足低溫環(huán)境中的應(yīng)用要求。目前國(guó)際上比較成熟的低溫鈦合金基本上都屬于α和近α鈦合金。二、降低間隙元素含量。因?yàn)镺、C、N等間隙元素含量的增加會(huì)顯著降低鈦合金在低溫環(huán)境下的斷裂韌性、延展性與沖擊韌性，因此低溫鈦合金的成分必須為超低間隙級(jí)。例如，在美國(guó)，為降低鈦合金的低溫脆性，在現(xiàn)有合金中降低間隙元素含量，開(kāi)發(fā)了超低間隙元素含量的低溫鈦合金Ti-6Al-4VELI（ELI指低間隙原子、高純度）和低溫鈦合金Ti-5AI-2.5SnELI等。在阿波羅計(jì)劃中，Ti-5AI-2.5SnELI已成功應(yīng)用于核動(dòng)力火箭的液氫貯箱；一些導(dǎo)管和高壓氣瓶材料也大量使用了Ti-5AI-2.5SnELI。日本在Ti-5AI-2.5SnELI基礎(chǔ)上研發(fā)了Ti-3Al-5Sn-1Mo-0.2Si，有更好的斷裂韌性與屈服強(qiáng)度的匹配，而高周疲勞強(qiáng)度更優(yōu)，隨著溫度的降低，合金的疲勞強(qiáng)度增加，當(dāng)溫度為77K，循環(huán)次數(shù)為105次時(shí)，該合金最大疲勞強(qiáng)度達(dá)1300MPa，而Ti-5AI-2.5SnELI僅有1100MPa。三、降低鋁含量。據(jù)研究，適當(dāng)減少鋁含量有利于減小鈦合金的低溫脆性。例如。前蘇聯(lián)為解決低溫脆性問(wèn)題，大力發(fā)展了低鋁的近α鈦合金，如Ti-4Al-2.5Sn、Ti-4Al-1.4V等，最近，俄羅斯又推出Ti-Al-Zr-Nb系。另外，前蘇聯(lián)也開(kāi)發(fā)了不含鋁的低溫鈦合金，如Ti-25Zr-1.5Mo系列，該合金低溫時(shí)具有高的強(qiáng)度和塑性與滿意的沖擊韌性相匹配，對(duì)氧含量敏感性也較小。這些低溫鈦合金已在航天火箭技術(shù)裝備中獲得了大量應(yīng)用，如制造液體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒倉(cāng)和“和平-1”號(hào)軌道對(duì)接件。中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所近期開(kāi)發(fā)了一種低溫鈦合金CT77，該合金的塑-脆轉(zhuǎn)變溫度為77K。該合金不但具有優(yōu)異的冷成形和熱成形性能，還具有良好的焊接性能，焊接系數(shù)大于0.9。