鈦合金在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用探討

何丹琪 石顥

摘要：近幾年，我國不斷增強(qiáng)空中軍事力量的建設(shè)，加大對外太空的探索步伐，促使了一種新金屬的快速發(fā)展，那就是鈦合金的研發(fā)應(yīng)用和推廣。在航空航天的領(lǐng)域中，對其所需要的建設(shè)和組成材料有著嚴(yán)格的要求標(biāo)準(zhǔn)，往往要求這些材料具有較高的強(qiáng)度性、耐高溫性和抗腐蝕性。文章對鈦合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：航空航天；鈦合金；飛機(jī)機(jī)架；鈦合金氣壓機(jī)；鈦合金旋壓件；燃?xì)獍l(fā)動機(jī) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TG146 文章編號：1009-2374（2016）27-0050-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.27.023

近幾年，受全球能源危機(jī)的影響，我國在航空航天的發(fā)展過程中，對符合其標(biāo)準(zhǔn)、高強(qiáng)度、耐高溫的新型結(jié)構(gòu)材料的需求量日漸緊張，鈦及其鈦合金由于具有良好的金屬性質(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，鈦材料品種的爭奪以及價格的降低，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，鈦的使用大國基本集中在西方國家，尤其是率先完成第二次工業(yè)革命的美國、英國等國家，他們將50%以上的鈦材料運用在航空航天的事業(yè)中。但是相比之下，亞洲國家包括我國在航空航天的領(lǐng)域中鈦的投入量只有10%左右。但是近幾年隨著亞洲國家在航空航天領(lǐng)域的飛速發(fā)展，鈦在航空航天的消費量將會隨之增長，因此這種新型的鈦合金金屬將會成為目前乃至今后我國重點研究的對象。

1 鈦合金簡介

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)合金屬稱之為鈦合金。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)合材料來說，新型鈦合金有著密度較低、韌性強(qiáng)、抗腐蝕性能高等金屬屬性，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。但是由于鈦金屬的熔點較高，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，對涉及航空航天發(fā)展所運用的材料也有了進(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，鈦及鈦合金的金屬屬性決定了鈦合金主要的應(yīng)用與發(fā)展。概括起來，鈦及鈦合金主要有以下的金屬特性：

第一，相對于其他的復(fù)合材料，鈦的金屬特征具有密度小、強(qiáng)度性高等特點。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。

第二，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，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)境下因為氧化所引發(fā)的環(huán)境污染問題，那么它將可能會得到更進(jìn)一步的發(fā)展。

第三，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)用具有較大的競爭力。

第四，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)成本變得相對較高。

第五，相對于其他的復(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

3.1 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鈦合金鑄件，其應(yīng)用范圍非常廣泛，在物件接頭，一些鉚件、鑄件都有。鈦合金在制作飛機(jī)的過程中，其主要運用在發(fā)動機(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。

3.2 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)總重量中，鈦合金的重量就占據(jù)了20%～25%。隨著時間的推移，為了滿足社會的需求，民用飛機(jī)也開始大量使用鈦合金，比如在波音747客機(jī)上，鈦用量的重量達(dá)到了3600千克以上。對于那些馬赫數(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量，從而減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)的重量。又如美國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)。

3.3 鈦合金氣壓機(jī)

當(dāng)航空發(fā)動機(jī)的推重比從4～6提高到8～10的時候，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℃，那么原來由鋁來制造的低壓壓氣機(jī)盤和葉片就必須要改用以鈦合金來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屬特性，來制造各種壓力容器、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。

3.4 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，不僅是因為鈦合金具有較強(qiáng)的組織特性和良好的物理性能，更重要的是具備輕量及精密化的特征。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。

3.5 在燃?xì)獍l(fā)動機(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)動機(jī)制造中的應(yīng)用。目前為止，我國的現(xiàn)代飛機(jī)所用的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(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)的國家，比如美國和英國，這兩個國家在早期生產(chǎn)飛機(jī)的過程中就應(yīng)用了鈦合金技術(shù)來改進(jìn)噴氣式發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)部件。最早的鈦合金發(fā)動機(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?，F(xiàn)如今，大多數(shù)噴氣式的發(fā)動機(jī)所使用的風(fēng)扇葉片都是新型鈦合金制成的。

3.6 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)動機(jī)上的廣泛應(yīng)用。高溫鈦合金在飛機(jī)發(fā)動機(jī)上主要運用在發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇、葉片、精密的儀表或者是導(dǎo)航儀。運用鈦合金來替代原有的鎳基高溫合金，促使壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)重量降低30%～35%。多年以來，為了滿足高性能發(fā)動機(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

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)展過程中對符合其標(biāo)準(zhǔn)的材料需求越來越嚴(yán)峻，鈦以及鈦合金與普通材料對比之下，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，它們各自面臨著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，其次才是如何提高生產(chǎn)率。

5 結(jié)語

目前，我國的科學(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屬，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)致對其難以冶煉和加工，使得生產(chǎn)成本變得相對較高。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)，但是隨著航空航天產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，新型的鈦合金技術(shù)將會步入一個新的發(fā)展時期，它的旋壓成形技術(shù)將會在航空航天以及其他的領(lǐng)域中具有更加廣闊的發(fā)展空間和運用范圍。

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（責(zé)任編輯：蔣建華）