航空用途損傷容限鈦合金的研究進(jìn)展

葛晨 陜西寶鈦集團(tuán)

一、概述

1903年萊特兄弟（Wright brothers）發(fā)明飛機(jī)后，飛機(jī)工業(yè)正式誕生。此后，飛機(jī)工業(yè)技術(shù)飛速發(fā)展，相對(duì)應(yīng)的制造技術(shù)也極大提升。但是因?yàn)閼?zhàn)爭(zhēng)時(shí)期大多數(shù)飛機(jī)被敵機(jī)擊毀，飛機(jī)使用壽命還沒(méi)有在這一時(shí)期引起人們的注意。

1954年，英國(guó)航空公司“彗星1號(hào)”客機(jī)的連續(xù)失事發(fā)生后，英國(guó)運(yùn)輸和民航部對(duì)試驗(yàn)機(jī)體的客艙和駕駛艙進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。最終通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)，“彗星1號(hào)”的主體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度偏低。首次，飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞隱患進(jìn)入了人們的視線，從而使得航空業(yè)以斷裂力學(xué)為理論依據(jù)從而引出損傷容限概念。

二、損傷容限基本概念

損傷容限指的是，在規(guī)定的（未經(jīng)修復(fù)）使用時(shí)間內(nèi)，材料結(jié)構(gòu)抵抗由裂紋、缺陷及損傷而導(dǎo)致破壞的能力。損傷容限首先承認(rèn)材料在使用前就帶有原始缺陷，在使用中不可避免的會(huì)受到來(lái)自外來(lái)物的損傷。但是，必須把這些缺陷和損傷在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的增長(zhǎng)控制在一定的范圍內(nèi)，使得裂紋及缺陷不會(huì)發(fā)生快速擴(kuò)展。在此期間內(nèi)，結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足規(guī)定的剩余強(qiáng)度要求，以保證機(jī)體結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)固性。這就要求材料具有較高的斷裂韌性KIC，較低的裂紋擴(kuò)展速率da/dN和較高的裂紋擴(kuò)展門檻值△Kth。1974年，美國(guó)空軍頒布了針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)的新標(biāo)準(zhǔn)《美國(guó)空軍飛機(jī)損傷容限要求MIL-A-83444》。至此開(kāi)始，美國(guó)開(kāi)始以損傷容限的理論為依據(jù)進(jìn)行飛機(jī)的設(shè)計(jì)及改進(jìn)。

三、國(guó)外航空用途損傷容限鈦合金的發(fā)展

鈦合金作為輕金屬合金材料，具有高比強(qiáng)度、抗腐蝕、高溫性能穩(wěn)定的特性，并且與復(fù)合材料具有很強(qiáng)的兼容性，在飛機(jī)上可以減輕重量，適用于受幾何約束區(qū)域的高載荷結(jié)構(gòu)，并且減少涂層要求，甚至在部分高溫區(qū)域代替鋁合金。因此，鈦合金廣泛應(yīng)用于飛機(jī)非承重部位及發(fā)動(dòng)機(jī)短艙低溫部件。鈦合金在飛機(jī)上的用量也成為衡量飛機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一。以空客飛機(jī)為例，1972年研制的A300含鈦量為5%，2006年研制的A380的含鈦量已經(jīng)上升到10%。

因此，作為飛機(jī)構(gòu)件的主要材料，就要求鈦合金滿足損傷容限的設(shè)計(jì)要求。目前主流的提高鈦合金損傷容限性能的方法有：降低合金中間隙元素（O，N，C等）的含量；再結(jié)晶退火；β退火。

鈦合金的顯微組織具有多樣性，不同顯微組織結(jié)構(gòu)具有差異性較大的性能。因此，通過(guò)調(diào)整化學(xué)成分及熱處理工藝是提高鈦合金損傷容限性能的主要方式。目前，國(guó)外典型的損傷容限鈦合金有Ti-6-22-22S和Ti-6Al-4V ELI。表1為損傷容限鈦合金在國(guó)外飛機(jī)上的部分應(yīng)用：

（一）Ti-6-22-22S

該材料于70年代由美國(guó)軍方研發(fā)，最早使用于發(fā)動(dòng)機(jī)中。后加入損傷容限的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)工藝改進(jìn)提高了損傷容限性能，從而成功用于F-22和C-17等軍用飛機(jī)上。但是由于該材料沒(méi)有從根本上改善其強(qiáng)度及焊接性能等綜合能力，導(dǎo)致其無(wú)法大量使用。例如：在F-22飛機(jī)上，Ti-6-22-22S的占比僅僅為2.7%。目前的研究表明，在高強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度超過(guò)1000MPa）的要求下，同時(shí)獲得高韌性、低裂紋擴(kuò)展速率、且擁有優(yōu)異的綜合性能幾乎是不可能。即在獲得高強(qiáng)度、高可焊的同時(shí)很難同時(shí)獲得高損傷容限性能。

（二）超低間隙Ti-6Al-4V合金（Ti-6Al-4V ELI）

在多種航空用鈦合金中，Ti-6Al-4V合金的研究較其他類合金較為成熟，其在航空的用量超過(guò)鈦合金總用量的50%。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在允許波動(dòng)范圍調(diào)整Ti-6Al-4V合金元素占比得到的Ti-6Al-4V ELI合金，具有良好的損傷容限性能。

Ti-6Al-4V ELI合金的H，O，F(xiàn)e元素的最高允許值較Ti-6Al-4V合金值有所降低。該合金的斷裂韌性高于93MPa·m1/2（T-L），而強(qiáng)度高于841Mpa。Y.V.R.K.Prasad等研究了含氧量為0.18%的Ti-6Al-4V合金和含氧量為0.13%的Ti-6Al-4V ELI合金的鍛造成型特點(diǎn)。研究表明：1.在750-1100°C和10-3-100s-1應(yīng)變速率范圍內(nèi)，Ti-6Al-4V ELI合金發(fā)生超塑變形的溫度范圍更窄，應(yīng)變速率更低，延性峰寬更窄，加工過(guò)程中需要更加小的溫度控制范圍；2.在β轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)的變形機(jī)理為1100°C下的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，Ti-6Al-4V 合金的變形速率（10-2s-1）比Ti-6Al-4V ELI合金的變形速率（10-3s-1）高；3.與Ti-6Al-4V合金不同，因?yàn)樵谳^低的變形速率下可能會(huì)形成邊緣裂紋和孔洞，Ti-6Al-4V ELI合金應(yīng)避免在β轉(zhuǎn)變溫度附近發(fā)生變形。

四、結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)航空用鈦合金經(jīng)過(guò)近40年的研發(fā)，目前也已成功研制TC4-DT，TC21，TA15 ELI等多種損傷容限類鈦合金。但是因?yàn)椴牧先蕴幱诳蒲须A段，后期仍需更多工程應(yīng)用研究，所以還未成功應(yīng)用于航空用途。與此同時(shí)，國(guó)外對(duì)損傷容限類鈦合金的研究比較成熟，國(guó)外飛機(jī)上已大量使用損傷容限類鈦合金。

隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和要求也會(huì)更加適用人們的使用要求。飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷容限以及其耐久性的設(shè)計(jì)要求對(duì)于飛機(jī)的安全性、可靠性有著很大程度的提升。正因如此，加強(qiáng)對(duì)損傷容限類鈦合金的研究可以讓我國(guó)鈦合金材料在國(guó)際及國(guó)內(nèi)航空領(lǐng)域有著更好的應(yīng)用。