航空用高強度結(jié)構(gòu)鈦合金的研究及應用

辛志東 聶彥平 路天樂

摘 要：近年來，中國不斷加強航天事業(yè)的建設和發(fā)展隨著空軍軍事能力的增強和空間探索的加快，對高強度、低密度、耐高溫鈦合金和鈦基復合材料的需求也在增加。高強度結(jié)構(gòu)鈦合金通常是抗拉強度大于1000MPa的合金。目前，飛機上使用的主要高強度鈦合金是Ti-15-3、β-21s、β-1023和α-β BT22型雙相鈦合金。在此基礎(chǔ)上，本文件全面審查和比較了廣泛應用于航空領(lǐng)域的Ti-15-3（TB5）、p21S（TB8）、Ti-1023（TB6）和BT22（TC18）結(jié)構(gòu)鈦合金的研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：高強度結(jié)構(gòu)鈦合金;工藝性能;力學性能;應用分析

前言

鈦和鈦合金具有高強度、耐蝕性、低彈性模量、超彈性和形狀記憶等特點，廣泛應用于航空、航天、化學、武器裝備、生物醫(yī)學等領(lǐng)域。鈦合金的機械特性和功能特性可通過合金構(gòu)件設計及熱處理和機械加工的微觀組織優(yōu)化在更廣的范圍內(nèi)進行控制。與鋼材料相比，鈦合金具有優(yōu)良的機械和彈性特性，是緊固件、彈簧等零件的重要結(jié)構(gòu)材料，在航天等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

一、鈦合金的發(fā)展現(xiàn)狀

航空工業(yè)使用鈦合金主要包括飛機結(jié)構(gòu)用鈦合金和航空發(fā)動機用鈦合金。飛機結(jié)構(gòu)主要使用鈦合金為飛機外殼、門、液壓管路和配件、起落架、皮膚、鉚釘、門、翼梁等。航空發(fā)動機主要使用鈦合金進行葉片、車輪、托盤等飛機結(jié)構(gòu)中使用的鈦合金的使用溫度一般不超過350℃，在強度、耐用性、疲勞強度、焊接工藝性能等方面要求較高。例如，美國大型軍用運輸機C-17的穩(wěn)定軸等關(guān)鍵部件使用高強度、高復原力的Ti-62222S鈦合金;航空發(fā)動機采用鈦合金，強調(diào)相對強度、熱穩(wěn)定性、耐氧性和耐高溫流動性。例如，F(xiàn)-22戰(zhàn)斗機使用的f19發(fā)動機風扇采用寬繩空心鈦合金葉片，既能滿足性能要求，又能進一步提高推力比。飛機設計者優(yōu)先選用鈦合金的一個主要方面是在保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量的同時大大降低質(zhì)量例如，對于水力管道，重量比鋼制管道減少多達40%。目前，航空主要采用高溫鈦合金、高強鈦合金、阻燃鈦合金等新型高性能鈦合金。其中高溫鈦合金是現(xiàn)代航空發(fā)動機的主要材料之一，是發(fā)展的主要方向之一。

二、鈦合金在航空領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀

1.鈦合金在飛機機身構(gòu)架中的應用

鈦合金主要用于機身框架內(nèi)，用于防火墻、皮膚、框架、大梁、門、起落架、海岸、緊固件、管道、拉桿等。在使用初期，鈦合金主要用于低強度結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如飛機支架、接頭、底盤、隔熱板、減速板等。成型零件很多，其中鈦合金最早的是卷筒軌道。這些相對簡單的非關(guān)鍵部件最初在飛機上的應用證明了在飛機上使用鈦合金的可靠性。自1980年代以來，隨著鈦合金材料的形成技術(shù)和質(zhì)量的顯著提高，許多載體已經(jīng)開始使用鈦合金，如波音飛機上的CF6-80發(fā)動機安裝支架，這些支架很難操作。近年來，美國、俄羅斯和其他發(fā)達國家增加了飛機機身上鈦合金的使用。在軍用飛機方面，鈦合金的消費量增長很快。特別是近年來隨著航空工業(yè)的迅猛發(fā)展，碳纖維復合材料已經(jīng)成為了商用飛機和軍用飛機的主要結(jié)構(gòu)材料，由于鈦合金和碳纖維復合材料良好的匹配性，首先，鈦合金和碳纖維復合材料的化學相容性高，不會發(fā)生電偶腐蝕作用，其次，鈦合金和碳纖維復合材料具有相近的熱膨脹系數(shù)，當溫度變化較大時，碳纖維復合材料和鈦合金組成的飛機結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生變形不一致的問題。由復合材料和鈦合金搭配的飛機結(jié)構(gòu)，涵括了碳纖維復合材料與鈦合金二者輕質(zhì)和高強度的優(yōu)點，它們已經(jīng)在飛機上得到了大量的應用，而航空產(chǎn)品中碳纖維復合材料和鈦合金用量的多少也已經(jīng)成為衡量飛機先進性的重要指標之一，最先進的客機波音787復合材料占比達50%，鈦合金量也達到了15%，隨著航空工業(yè)的發(fā)展，它們的使用量將繼續(xù)增大。

2.鈦合金在航空發(fā)動機中的應用

噴氣發(fā)動機是飛機的心臟，其部件在高溫高壓環(huán)境下進行測試，要求合金在650 c以下具有良好的耐高溫、流化和氧化性能。鈦合金是最佳選擇，因為鋁合金的使用溫度 鈦合金由于其優(yōu)異的特性，越來越多地用于飛機上，可用于壓縮機葉片、靜態(tài)葉片、移動葉片、機床托盤、燃燒室托盤、排氣裝置托盤、中央機體、噴嘴、機床托盤等。 在反應引擎里。其中，葉片和機床托盤等零件目前正在鈦合金中。隨著航空發(fā)動機推力和剛度要求的提高，以及鈦合金的一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件必須轉(zhuǎn)變?yōu)檎麄€鈦合金結(jié)構(gòu)的精密鑄造零件，精密成型技術(shù)得到了充分發(fā)展。

三、工藝性能

1.熔煉工藝

Ti-15-3（TB5）合金的名義成分為Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al。雖然β穩(wěn)定成分含量較高，但由于缺少折射成分，在真空的獨立弧爐中兩次熔煉過程中可得到均勻成分。為確保技術(shù)條件中規(guī)定的氧含量不超過0.13%，應選用0-1級海綿鈦、85% v-15% al中間合金和優(yōu)質(zhì)Sn-Ti中間合金。β21S（TB8）合金的指定成分為ti-15mb-3Al-2.7Nb-0.2 si，且合金在高熔點含有大量β-晶體mo和nb元素。為了確保成分的一致性，合金元素必須以母合金的形式添加。

2.鍛造及成形性能

Ti-15-3、Ti-1023、p21S和BT22合金的β過渡溫度相對較低：分別為760 c、800 c、815 c和870 c。因此，它們可以在相對較低的溫度下鍛造，并且具有良好的鍛造工藝可塑性。Ti-15-3合金也具有優(yōu)良的超塑性成形性能，可用作冷軋機或固體溶解處理板。

3.熱處理

Ti-15-3和β21S合金板采用連續(xù)固體回收處理，但冷形成后，應在真空爐中對零件進行約束和規(guī)定。it-15-3的典型處方系統(tǒng)為520℃，10h，爐冷;β21S具有670℃、8h的典型處方系統(tǒng)，采用窯爐冷卻。Ti-1023合金通過處理固體溶解時間得到增強。固體溶解處理的選擇不得低于28 ～ 56℃的β轉(zhuǎn)變溫度，隔熱層不得小于30分鐘，水（厚度小于或等于25毫米的鍛件允許用空冷代替水），震波截面厚度應根據(jù)性能要求選擇固化處理和處方的具體溫度。當需要較高強度時，應使用較高的固體處理溫度和較低的規(guī)定溫度。當您需要更高的可塑性和抗斷裂能力時，您需要選擇較高的實體制程溫度和規(guī)定溫度。

4.焊接性能

β21s ti-15-3和beta-21s合金板適用于點焊和點焊。零件的焊接可以排定在制造前置時間之前或之后，以獲得滿意的焊接效能。Ti-1023和BT22合金可以用氬弧焊、電子束和等離子體焊接。

5.綜合評估及潛力分析

Ti-15-3合金具有類似于工業(yè)純鈦的冷成形特性。主要用于制造各種高強度鈑金零部件，最高工作溫度為290℃。由于β-21s合金具有較高的抗氧化性和抗熱油腐蝕性，美國計劃用部分點燃f1119發(fā)動機alloyc合金（Ti-35V-15Cr公稱成分）的鈦β-21s合金取代β-21s合金，最高工作溫度為550 c。ti-合金但是，冶煉過程并不容易控制，鐵兩極分化造成的斑點可能導致半成品質(zhì)量不穩(wěn)定。此外，Ti-1023合金是一種固體溶解時間強化合金，其零件尺寸受料斗的限制，且截面厚度通常不超過100mm。

結(jié)束語

綜上所述可知，航空鈦合金的研究和生產(chǎn)已經(jīng)成熟并商業(yè)化，低成本航空鈦合金將受到高度重視。除了控制生產(chǎn)過程和提高成功率之外，材料本身也需要改進。在鑄造領(lǐng)域，可以通過開發(fā)低成本、穩(wěn)定的氧化物鑄造材料來降低鑄造成本。通過降低成本，將鼓勵在航空中使用鈦。

參考文獻：

[1]知壽，王新南，童路，等.航空用損傷容限型鈦合金研究應用[J].中國材料進展，2010，29（5）：14-l7.