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钛合金在航空航天领域的发展历程

本文作者:佚名   本文来源:本站原创   添加日期:2015年09月09日
钛的熔点1668±4℃,熔化潜热3.7-5.0千卡/克原子,沸点3260±20℃,汽化潜热102.5-112.5千卡/克原子,临界温度4350℃,临界压力1130大气压。钛的导热性和导电性能较差,近似或略低于不锈钢,钛具有超导性,纯钛的超导临界温度为 0.38-0.4K。在25℃时,钛的热容为0.126卡/克原子·度,热焓1149卡/克原子,熵为7.33卡/克原子·度,金属钛是顺磁性物质,导磁率为1.00004。 钛具有可塑性,高纯钛的延伸率可达50-60%,断面收缩率可达70-80%,但强度低,不宜作结构材料。钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、导热率低、无毒无磁、可焊接、生物相容性好、表面可装饰性强等特性,是一种轻质高强度耐蚀结构材料,在武器装备中具有广泛应用前景,并已经广泛应用于航空、航天、化工、石油、电力、医疗、建筑、体育用品等领域。
钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件,其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。60年代中期,钛及其合金已在一般工业中应用,用于制作电解工业的电极,发电站的冷凝器,石油精炼和海水淡化的加热器以及环境污染控制装置等。钛及其合金已成为一种耐蚀结构材料。此外还用于生产贮氢材料和形状记忆合金等。中国于1956年开始钛和钛合金研究;60年代中期开始钛材的工业化生产并研制成TB2合金。钛合金是航空航天工业中使用的一种新的重要结构材料,比重、强度和使用温度介于铝和钢之间,但比强度高并具有优异的抗海水腐蚀性能和超低温性能。1950年美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。60年代开始钛合金的使用部位从后机身移向中机身、部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。钛合金在军用飞机中的用量迅速增加,达到飞机结构重量的20%~25%。
70年代起,民用机开始大量使用钛合金,如波音747客机用钛量达3640公斤以上。马赫数小于 2.5的飞机用钛主要是为了代替钢,以减轻结构重量。又如,美国SR-71 高空高速侦察机(飞行马赫数为3,飞行高度26212米),钛占飞机结构重量的93%,号称“全钛”飞机。当航空发动机的推重比从4~6提高到8~10,压气机出口温度相应地从200~300°C增加到500~600°C时,原来用铝制造的低压压气机盘和叶片就必须改用钛合金,或用钛合金代替不锈钢制造高压压气机盘和叶片,以减轻结构重量。70年代,钛合金在航空发动机中的用量一般占结构总重量的20%~30%,主要用于制造压气机部件,如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、铸钛压气机机匣、中介机匣、轴承壳体等。航天器主要利用钛合金的高比强度,耐腐蚀和耐低温性能来制造各种压力容器、燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架和火箭壳体。人造地球卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机 也都使用钛合金板材焊接件。
作为飞机机体结构和飞机发动机的主要结构材料之一,钛合金的应用水平是衡量飞机选材先进程度的重要标志之一,是影响飞机战术性能的一个重要方面。在国外第三代战斗机上,钛合金用量占机体结构重量比为20%~25%,在第四代战斗机F-22(EMD)上已高达41%,其应用呈大幅度上升趋势。航空发动机的用钛量也在逐步增加,国外先进航空发动机的钛用量已达30%左右,例如V2500发动机的钛用量就高达31%,第四代发动机F119的钛合金用量为40%。在民用飞机方面,钛合金用量也在逐步增长,A380用钛占总重量的10%,单机用钛材约60吨。空中客车的钛用量已从第三代A320的4.5%增至第四代A340的6%,而即将问世的A350客机的钛用量进一步提高至15%。
世界各国国防系统和民航系统日新月异的发展,要求飞机及其发动机通过减轻结构重量等有效途径不断改善使用性能,提高安全可靠性和降低全寿命成本。60年来,钛合金通过持续的合金创新、工艺创新和工程应用,永不止步地一再挖掘出钛潜在的能力,其比强度、耐热性、抗蚀性等方面的优越性日益充分地发挥出来,成本较高的问题则逐渐得到不同程度的解决,使用可靠性也随设计应用经验的日积月累而不断提高。钛合金的发展态势恰恰适应了航空工业不断提升的需求,甚至在某些方面以超前的姿态促进了飞机及其发动机的发展。
飞机结构钛合金按抗拉强度这一特征要素可分为低强度钛合金、中强度钛合金、高强度钛合金、超高强度钛合金。低强度结构钛合金 抗拉强度<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,其共同的特点是低合金化、高塑性和高韧性,并具有高可焊性、可成型性和优良的耐海水腐蚀性等,主要用来制造各种钣金件、蒙皮、管材零件等。根据低强度结构钛合金在各应用领域的应用情况分析,确定低强度结构钛合金主干牌号有TA17(板材)、TC2(板材)、TA18(管材)、Ti31(板材、锻件、钛管)、Ti70(板材)、ZTi60(铸件)等。中强度结构钛合金 700MPa≤抗拉强度<1000MPa,主要有TC4、TC4-DT、TC6、TA15、Ti75(730MPa)、Ti80(880MPa)等,其主要特点是具有良好的综合性能,既有较高的强度,又有足够的塑性以及优良的焊接性能,多用于制造承力构件与厚板。经分析,中强度结构钛合金主干牌号有TA7(板材、锻件)、TC4(钛板、锻件、丝材)、TA15(厚板、锻件)、Ti75(锻件)、Ti80(板材、锻件)。高强度结构钛合金 1000MPa≤抗拉强度<1250MPa,主要有TB5、TB6、TB8、TC16、TC18、TC21等,主要用于制造强度要求高、代替钢可达到高减重效果的承力结构件、钣金零件和紧固件等。经综合分析,高强度结构钛合金主干牌号确定为TC21(锻件)、TC16(丝材)、TB6(锻件)。
 
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