TA15/TC4/TC17航空鈦合金材料的發(fā)展與應(yīng)用

近幾年，受全球能源危機(jī)的影響， 我國(guó)在航空航天 的發(fā)展過程中， 對(duì)符合其標(biāo)準(zhǔn)、 高強(qiáng)度、 耐高溫的新型結(jié)構(gòu)材料的需求保日漸緊張， 鈦及鈦合金由于具有良好的金屈性質(zhì)， 促使了這一復(fù)合材料在航空航天的領(lǐng)域 中的廣泛推廣和應(yīng)用， 但是也受到其加工效率和生產(chǎn)成 本的制約。伴隨著鈦合金的開發(fā)和研制， 鈦材料品種的爭(zhēng)奪以及價(jià)格的降低， 使鈦在工業(yè)建造中的應(yīng)用范圍成 倍增加。在航空航天的領(lǐng)域中， 鈦的使用大國(guó)基本集中 在西方國(guó)家， 尤其是率先完成第二次工業(yè)革命的美國(guó)、 英國(guó)等國(guó)家， 他們將50%以上的鈦材料運(yùn)用在航空航天的事業(yè)中。但是相比之下， 亞洲國(guó)家包括我國(guó)在航空航天的領(lǐng)域中鈦的投入量只有10%左右。但是近幾年隨著 亞洲國(guó)家在航空航天領(lǐng)域的飛速發(fā)展， 鈦在航空航天的消費(fèi)益將會(huì)隨之增長(zhǎng)， 因此這種新型的鈦合金屈將會(huì)成為目前乃至今后我國(guó)重點(diǎn)研究的對(duì)象。

1、鈦合金簡(jiǎn)介

新型鈦合金就是將鈦當(dāng)作基礎(chǔ)形式， 以融入其他的合金元素或者是材料所構(gòu)成的復(fù)合金屈稱之為鈦合金。 鈦合金在不同結(jié)構(gòu)和特性上可以分為多種。相比其他復(fù) 合材料來(lái)說，新型鈦合金有瑭密度較低、 韌性強(qiáng)、 抗腐蝕性能高等金屈屈性， 使其成為最理想的航空航天工程結(jié)構(gòu)的材料。

2、鈦合金的發(fā)展

自18世紀(jì)末年開始發(fā)現(xiàn)鈦到現(xiàn)在為止已經(jīng)有200多年的歷史了。但是由于鈦金屈的熔點(diǎn)較高， 并且化學(xué)性 質(zhì)十分活潑， 所以導(dǎo)致塑性良好的純鈦很難制取。鈦錠必須要在真空中進(jìn)行冶煉， 在冶煉的過程中制造工藝復(fù)雜， 從而使得鈦及其合金長(zhǎng)期不能被廣泛地用于工業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)建造。隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展， 對(duì)涉及航空航天發(fā)展所運(yùn)用的材料也有了進(jìn)一步的探索和研 究， 從而推進(jìn)了鈦工業(yè)取得了迅速的發(fā)展， 鈦及鈦合金 的金屈屈性決定了鈦合金主要的應(yīng)用與發(fā)展。概括起來(lái)鈦及鈦合金主要有以下的金屈特性：

1）相對(duì)于其他的復(fù)合材料， 鈦的金屈特征具有密度小、 強(qiáng)度性高等特點(diǎn)。其密度正好在鋁和鐵之間，但是在強(qiáng)度和韌性這一方面， 鈦合金遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁和鋼。

2）鈦合金在使用和加工過程中所面臨的溫度程 度較為廣闊 ， 所以在加工和使用過程中， 當(dāng)溫度降低到-200℃多時(shí)， 它依舊可以保持原有的塑形，而在高 溫加工的狀態(tài)或者是在高溫環(huán)境的使用過程中， 它所承受的高溫可以達(dá)到500℃多， 由此可見， 在耐熱程度上 遠(yuǎn)高于鋁合金和鎂合金。假如， 在使用和加工過程中， 能夠避免或者是防止更高溫度環(huán)境下因?yàn)檠趸l(fā)的 環(huán)境污染問題， 那么它將可能會(huì)得到更進(jìn)一步的發(fā)展。

3）鈦及鈦合金還具有優(yōu)良的抗腐蝕性，特別是 在海水和海洋大氣環(huán)境中抗腐蝕性極高， 從而使得鈦及 鈦合金在艦艇船舶和飛機(jī)上的應(yīng)用具有較大的競(jìng)爭(zhēng)力。

4）鈦具有非常高的化學(xué)性質(zhì)， 在高溫加工的過程中非常容易受到氫、 氧、 氮所引發(fā)的污染問題， 使得它在冶煉和加工的過程中受到約束和限制， 從而讓生產(chǎn)成本變得相對(duì)較高。

5）相對(duì)于其他的復(fù)合材料， 鈦合金的導(dǎo)熱性較差，并且具有相對(duì)較低的抗磨性能。因此導(dǎo)致了在切削加工的工作過程中，避免不了由于工件及刀具的溫度升高所引發(fā)出現(xiàn)的黏刀的現(xiàn)象。

3、鈦合金在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

1）鈦在早期航天事業(yè)發(fā)展的應(yīng)用范圍

應(yīng)用于航空、 航天的鈦合金材料叫做銖合金鑄件， 其應(yīng)用范圍非常廣泛， 在物件接頭， 一些柳件、 鑄件都有。鈦合金在制作飛機(jī)的過程中， 其主要運(yùn)用在發(fā)動(dòng)機(jī) 壓氣機(jī)部件的組成零部件上， 其次是在火箭的研發(fā)以及一些武器結(jié)構(gòu)件。進(jìn)入21世紀(jì)中期，鈦及其鈦合金已經(jīng)在一般的工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。

2）鈦合金在飛機(jī)機(jī)架的革新

鈦合金是航空航天工業(yè)中使用的一種新的重要結(jié)構(gòu) 材料， 比重和使用溫度介于鋁和鋼之間， 但是其比強(qiáng)度 高并具有優(yōu)異的抗海水腐蝕性能和超低溫性能。20世紀(jì) 60年代開始鈦合金的使用部位從后機(jī)身移向中機(jī)身、 部分地代替結(jié)構(gòu)鋼制造隔框、 梁、 襟翼滑軌等重要承力構(gòu)件。 隨著國(guó)防力量的不斷建設(shè)， 鈦合金在軍用飛機(jī)中的用量迅速增加。 在整架飛機(jī)結(jié)構(gòu)總重晝中， 鈦合金的重晝就占據(jù)了20%~25%。隨著時(shí)間的推移， 為了滿足社會(huì)的需求， 民用飛機(jī)也開始大晝使用鈦合金， 比如在波音747客機(jī)上， 鈦用噩的重量達(dá)到了3600于克以上。 對(duì)于那些馬赫數(shù)小于2. 5的飛機(jī)， 鈦的應(yīng)用主要是為了代替鋼的使用晝， 從而減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)的重晝。 又如美國(guó) SR-72系列的高空高速偵察機(jī)， 它的飛行馬赫數(shù)為3.0,飛行的高度更是達(dá)到了26200米， 在它的建造過程中， 鈦合金是重要的結(jié)構(gòu)材料， 鈦合金更是占到了飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的91%, 被稱為 “全鈦“ 飛機(jī)。

3）鈦合金氣壓機(jī)

當(dāng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比從4~6提高到8~10的時(shí)候，壓氣機(jī)出口的溫度也將隨之相應(yīng)地從200℃~300℃增加到500℃~600℃, 那么原來(lái)由鋁來(lái)制造的低壓壓氣機(jī)盤和葉片就必須要改用以鈦合金來(lái)制造或者是用鈦合金替換不銹鋼制造高壓壓氣機(jī)盤和葉片， 從而達(dá)到減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的目的。 從20世紀(jì)70年代開始， 鈦合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的用量一般占結(jié)構(gòu)總重量的20%~30%, 主 要用于制造壓氣機(jī)部件， 如鍛造鈦風(fēng)扇、 壓氣機(jī)盤和葉片、 鑄鈦壓氣機(jī)機(jī)匣、 中介機(jī)匣、 軸承殼體等。 而航天器主要是利用鈦合金的高比強(qiáng)度、 耐腐蝕和耐低溫性能金屈特性， 來(lái)制造各種壓力容器、 燃料貯箱、 緊固件、儀器綁帶、 構(gòu)架和火箭殼體。 人造地球衛(wèi)星、 登月艙、載人飛船和航天飛機(jī)也都使用鈦合金板材焊接件。

4）鈦合金旋壓件的應(yīng)用

在航空航天的領(lǐng)域中， 將鈦合金投入到航天飛行器系統(tǒng)的使用， 不僅是因?yàn)殁伜辖鹁哂休^強(qiáng)的組織特性和良好的物理性能， 更重要的是具備輕晝及精密化的特征。 新型鈦合金旋壓件的質(zhì)量可靠性需要進(jìn)行多次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析。 由于鈦合金板材的成形方面極其復(fù)雜， 所以使得航天703將TC4作為鈦合金板材的基礎(chǔ)， 采取普旋和強(qiáng)力旋壓相結(jié)合的方法制造出新型鈦合金的半圓球體 同時(shí)將TC3和TC4作為鈦合金板材的配料， 以熱旋壓作為技術(shù)手段制造出兩種新型鈦合金半球體。

5）在燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

在航空航天領(lǐng)域中， 鈦合金還有一大主要的應(yīng)用領(lǐng)域，那就是在飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的應(yīng)用。 目前為止，我國(guó)的現(xiàn)代飛機(jī)所用的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量其中有1/3就是由鈦合金所組成的。 但是， 根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)早在20世紀(jì)40~50年代， 一些在工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家， 比如美國(guó)和英國(guó)， 這兩個(gè)國(guó)家在早期生產(chǎn)飛機(jī)的過程中就應(yīng)用了鈦合金技術(shù)來(lái)改進(jìn)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)部件。 最早的鈦合金發(fā)動(dòng)機(jī)部件就是壓縮機(jī)葉片， 隨后鈦合金壓 縮盤也緊跟著迅速發(fā)展。 現(xiàn)如今， 大多數(shù)噴氣式的發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的風(fēng)扇葉片都是新型鈦合金制成的。

6）高溫鈦合金的應(yīng)用

由于高溫的鈦合金有著較強(qiáng)的熱強(qiáng)性和高比強(qiáng)度的特性， 促使了它在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的廣泛應(yīng)用。高溫鈦合金在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上主要運(yùn)用在發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇、 葉片、 精密的儀表或者是導(dǎo)航儀。 運(yùn)用鈦合金來(lái)替代原有的銖基高溫合金， 促使壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)重噩降低30%~35%。多年以來(lái)， 為了滿足高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的需求， 就形成了一套健全的鈦合金體系。

4、航空航天工業(yè)中鈦合金的加工難點(diǎn)

目前 ， 航空航天事業(yè)的不斷發(fā)展， 為了達(dá)到減輕飛機(jī)重量這一目的， 促使了在航空航天發(fā)展過程中對(duì)符合其標(biāo)準(zhǔn)的材料需求越來(lái)越嚴(yán)峻， 鈦以及鈦合金與普通材 料對(duì)比之下， 鈦合金這種復(fù)合材料重量更輕、 強(qiáng)度和韌性更高。 但在加工的過程中， 特別是在切削加工過程中，它們各自面臨老不同的加工難題和困擾。在切削加工的工作過程中， 制造商一定要盡可能達(dá)到最高的質(zhì)量水平。 即使存在對(duì)領(lǐng)部構(gòu)件成本的堪憂， 但在很多情況下 如何生產(chǎn)出高質(zhì)量的零部構(gòu)件是優(yōu)先考慮的事項(xiàng)，其次才是如何提高生產(chǎn)率。

5、結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)的科學(xué)技術(shù)手段已經(jīng)基本滿足了小型鈦合金的旋壓工藝技術(shù)的要求。 但是由于鈦合金是一種新型的金屈， 尤其是它本身化學(xué)活性很高， 非常容易受到氫、 氧、 氮的污染影響， 從而導(dǎo)致對(duì)其難以冶煉和加工 使得生產(chǎn)成本變得相對(duì)較高。 在鈦合金的應(yīng)用過程中 它還有一些其他的優(yōu)良性能并未得到充分的驗(yàn)證，導(dǎo)致了在它使用的過程中具有一定的局限性。 雖然在航空航天發(fā)展的過程中面臨著使用高性能復(fù)合材料的挑戰(zhàn) 但是隨耆航空航天產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展， 新型的鈦合金技術(shù)將會(huì)步入一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期， 它的旋壓成形技術(shù)將會(huì)在航空航天以及其他的領(lǐng)域中具有更加廣闊的發(fā)展空間和運(yùn)用范圍。