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鈦合金在航空航天領域的發展歷程

來源:鈦棒,鈦板,鈦管,鈦絲,鈦設備,鈦合金,鈦材 發布時間:2015-9-8 12:57:20

的熔點1668±4℃,熔化潛熱3.7-5.0千卡/克原子,沸點3260±20℃,汽化潛熱102.5-112.5千卡/克原子,臨界溫度4350℃,臨界壓力1130大氣壓。鈦的導熱性和導電性能較差,近似或略低于不銹鋼,鈦具有超導性,純鈦的超導臨界溫度為 0.38-0.4K。在25℃時,鈦的熱容為0.126卡/克原子·度,熱焓1149卡/克原子,熵為7.33卡/克原子·度,金屬鈦是順磁性物質,導磁率為1.00004。 鈦具有可塑性,高純鈦的延伸率可達50-60%,斷面收縮率可達70-80%,但強度低,不宜作結構材料。鈦合金具有密度低、比強度高、耐蝕性好、導熱率低、無毒無磁、可焊接、生物相容性好、表面可裝飾性強等特性,是一種輕質高強度耐蝕結構材料,在武器裝備中具有廣泛應用前景,并已經廣泛應用于航空、航天、化工、石油、電力、醫療、建筑、體育用品等領域。

鈦合金主要用于制作飛機發動機壓氣機部件,其次為火箭、導彈和高速飛機的結構件。60年代中期,鈦及其合金已在一般工業中應用,用于制作電解工業的電極,發電站的冷凝器,石油精煉和海水淡化的加熱器以及環境污染控制裝置等。鈦及其合金已成為一種耐蝕結構材料。此外還用于生產貯氫材料和形狀記憶合金等。中國于1956年開始鈦和鈦合金研究;60年代中期開始鈦材的工業化生產并研制成TB2合金。鈦合金是航空航天工業中使用的一種新的重要結構材料,比重、強度和使用溫度介于鋁和鋼之間,但比強度高并具有優異的抗海水腐蝕性能和超低溫性能。1950年美國首次在F-84戰斗轟炸機上用作后機身隔熱板、導風罩、機尾罩等非承力構件。60年代開始鈦合金的使用部位從后機身移向中機身、部分地代替結構鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構件。鈦合金在軍用飛機中的用量迅速增加,達到飛機結構重量的20%~25%。

70年代起,民用機開始大量使用鈦合金,如波音747客機用鈦量達3640公斤以上。馬赫數小于 2.5的飛機用鈦主要是為了代替鋼,以減輕結構重量。又如,美國SR-71 高空高速偵察機(飛行馬赫數為3,飛行高度26212米),鈦占飛機結構重量的93%,號稱“全鈦”飛機。當航空發動機的推重比從4~6提高到8~10,壓氣機出口溫度相應地從200~300°C增加到500~600°C時,原來用鋁制造的低壓壓氣機盤和葉片就必須改用鈦合金,或用鈦合金代替不銹鋼制造高壓壓氣機盤和葉片,以減輕結構重量。70年代,鈦合金在航空發動機中的用量一般占結構總重量的20%~30%,主要用于制造壓氣機部件,如鍛造鈦風扇、壓氣機盤和葉片、鑄鈦壓氣機機匣、中介機匣、軸承殼體等。航天器主要利用鈦合金的高比強度,耐腐蝕和耐低溫性能來制造各種壓力容器、燃料貯箱、緊固件、儀器綁帶、構架和火箭殼體。人造地球衛星、登月艙、載人飛船和航天飛機 也都使用鈦合金板材焊接件。

作為飛機機體結構和飛機發動機的主要結構材料之一,鈦合金的應用水平是衡量飛機選材先進程度的重要標志之一,是影響飛機戰術性能的一個重要方面。在國外第三代戰斗機上,鈦合金用量占機體結構重量比為20%~25%,在第四代戰斗機F-22(EMD)上已高達41%,其應用呈大幅度上升趨勢。航空發動機的用鈦量也在逐步增加,國外先進航空發動機的鈦用量已達30%左右,例如V2500發動機的鈦用量就高達31%,第四代發動機F119的鈦合金用量為40%。在民用飛機方面,鈦合金用量也在逐步增長,A380用鈦占總重量的10%,單機用鈦材約60噸。空中客車的鈦用量已從第三代A320的4.5%增至第四代A340的6%,而即將問世的A350客機的鈦用量進一步提高至15%。

世界各國國防系統和民航系統日新月異的發展,要求飛機及其發動機通過減輕結構重量等有效途徑不斷改善使用性能,提高安全可靠性和降低全壽命成本。60年來,鈦合金通過持續的合金創新、工藝創新和工程應用,永不止步地一再挖掘出鈦潛在的能力,其比強度、耐熱性、抗蝕性等方面的優越性日益充分地發揮出來,成本較高的問題則逐漸得到不同程度的解決,使用可靠性也隨設計應用經驗的日積月累而不斷提高。鈦合金的發展態勢恰恰適應了航空工業不斷提升的需求,甚至在某些方面以超前的姿態促進了飛機及其發動機的發展。

飛機結構鈦合金按抗拉強度這一特征要素可分為低強度鈦合金、中強度鈦合金、高強度鈦合金、超高強度鈦合金。低強度結構鈦合金 抗拉強度<700MPa,如TA1(370MPa)、TA2(440MPa)、TA3(540MPa)、TA16(480~667MPa)、TA17(638~882MPa)、TA18(620MPa)、TA21、TC1(590MPa)、TC2、Ti31(637MPa)、ZTA5(480MPa)、TA5(TA5-A)(585MPa)、Ti70(700MPa)、ZTi60(590MPa)等合金,其共同的特點是低合金化、高塑性和高韌性,并具有高可焊性、可成型性和優良的耐海水腐蝕性等,主要用來制造各種鈑金件、蒙皮、管材零件等。根據低強度結構鈦合金在各應用領域的應用情況分析,確定低強度結構鈦合金主干牌號有TA17(板材)、TC2(板材)、TA18(管材)、Ti31(板材、鍛件、鈦管)、Ti70(板材)、ZTi60(鑄件)等。中強度結構鈦合金 700MPa≤抗拉強度<1000MPa,主要有TC4、TC4-DT、TC6、TA15、Ti75(730MPa)、Ti80(880MPa)等,其主要特點是具有良好的綜合性能,既有較高的強度,又有足夠的塑性以及優良的焊接性能,多用于制造承力構件與厚板。經分析,中強度結構鈦合金主干牌號有TA7(板材、鍛件)、TC4(鈦板、鍛件、絲材)、TA15(厚板、鍛件)、Ti75(鍛件)、Ti80(板材、鍛件)。高強度結構鈦合金 1000MPa≤抗拉強度<1250MPa,主要有TB5、TB6、TB8、TC16、TC18、TC21等,主要用于制造強度要求高、代替鋼可達到高減重效果的承力結構件、鈑金零件和緊固件等。經綜合分析,高強度結構鈦合金主干牌號確定為TC21(鍛件)、TC16(絲材)、TB6(鍛件)。

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