淺談鈦合金焊接結(jié)構(gòu)在先進(jìn)飛機(jī)中的應(yīng)用及發(fā)展

毛艷蕾 趙國(guó)慶 陳澤龍

91206部隊(duì) 山東 青島 266108

1 鈦合金的焊接技術(shù)

1.1 鈦合金的特點(diǎn)

在近20年的飛機(jī)制造業(yè)發(fā)展中，鈦合金結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中，全面提高了飛機(jī)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，主要依托鈦合金本身具備的特殊性能。對(duì)鈦合金這種特殊材料來(lái)說(shuō)，其具備以下特點(diǎn)：①首先，鈦合金的密度很小，室溫狀態(tài)下，鈦元素的密度僅為4.5g/cm3，相當(dāng)于鋼材料的60%，并且鈦合金的屈服極限與抗拉強(qiáng)度都要比鋼材料與鋁材料高很多。②其次，鈦合金具有超強(qiáng)的韌性，及時(shí)在500℃的高溫環(huán)境下，鈦合金已然能夠展現(xiàn)出良好的耐腐蝕能力，同時(shí)熱傳導(dǎo)率也比較低，彈性模量也很低，僅為鋼材料的55%。③再次，鈦合金還具有良好的抗裂紋生長(zhǎng)能力以及抗腐蝕了，材料強(qiáng)度也比較大，能夠展現(xiàn)出良好的耐熱性和持久強(qiáng)度。④最后，鈦合金還具有超高的熔點(diǎn)，最高溫度可以達(dá)到1668℃，同時(shí)線性膨脹系數(shù)較小，鈦元素本身為同素異構(gòu)特性，在常溫狀態(tài)下呈密排六方結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度超過(guò)882.5℃時(shí)，呈現(xiàn)體心立方結(jié)構(gòu)[1]。

1.2 鈦合金焊接技術(shù)存在的問(wèn)題

鈦合金作為一種特殊的合金材料，其具有十分活潑的金屬性質(zhì)，同時(shí)又是高熔點(diǎn)材料。在一般情況下，鈦合金的多晶體材料能夠展現(xiàn)出良好組織與性能，并且憑借其優(yōu)越的物理特性和化學(xué)特性，使得鈦合金在焊接過(guò)程中具有特殊的工藝特點(diǎn)。鈦合金是的力學(xué)性能對(duì)組織的要求很大，在焊接過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的化學(xué)過(guò)程，包括加熱、熔化、反應(yīng)、冷卻和固相等環(huán)節(jié)，并且每個(gè)環(huán)節(jié)都要對(duì)溫度和成分進(jìn)行合理把控，對(duì)條件的要求比較苛刻，同時(shí)在焊接過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)熱收縮、膨脹、參與變形的問(wèn)題，不但改變了材料本身的性質(zhì)，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生有害氣體，甚至造成接頭硬化、裂紋和殘余應(yīng)力的問(wèn)題，導(dǎo)致鈦合金材料性能改變，所以，鈦合金焊接技術(shù)過(guò)程十分復(fù)雜，主要的問(wèn)題也包括以下幾點(diǎn)：①首先，鈦合金材料很容易出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，當(dāng)溫度達(dá)到300℃、500℃、600℃時(shí)，會(huì)不斷吸收氫、氧、氮，然后引發(fā)氧化反應(yīng)，特別是在鈦合金的高溫狀態(tài)下，對(duì)氫、氧、氮元素極具親和力，能夠加快氧化反應(yīng)，降低接頭的塑性。②其次，鈦合金的熔點(diǎn)在室溫達(dá)到熔點(diǎn)的溫度變化中，實(shí)現(xiàn)了同素異構(gòu)的轉(zhuǎn)變，當(dāng)溫度低于882.5℃時(shí)，鈦合金又以密排六方結(jié)構(gòu)存在，當(dāng)溫度升高至882.5℃時(shí)時(shí)，鈦合金呈體心立方結(jié)構(gòu)存在。由此可見(jiàn)，在高溫焊接環(huán)境下，鈦合金的結(jié)構(gòu)常數(shù)發(fā)生了改變，影響了體積變化，從而熱影響鈦合金的性能。③最后，鈦合金是一種頁(yè)數(shù)的鑄態(tài)組織，具有輸送、粗晶、氣孔和偏析等缺陷，尤其是當(dāng)溫度超過(guò)300℃焊接時(shí)，會(huì)吸收大量雜質(zhì)，從而產(chǎn)生較高的靜壓力。

2 國(guó)外飛機(jī)上鈦合金焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

目前最優(yōu)秀的飛機(jī)國(guó)外高度重視它的制造水平，用以滿足長(zhǎng)距離作戰(zhàn)需求，戰(zhàn)機(jī)注重新材料和新結(jié)構(gòu)的運(yùn)用，從而人更好地發(fā)揮出他的高機(jī)動(dòng)型與高速飛行，同時(shí)也滿足隱身能力，飛機(jī)主要采用多種不同型號(hào)的鈦合金結(jié)構(gòu)，包括Ti-6-4ELI、Ti-6-222、Ti-10-2-3、Ti-15-3、Ti-3-2.5等六種鈦合金。此外，針對(duì)鈦合金材料的經(jīng)歷、可塑性、疲勞特性、焊接性能、隱身性能和機(jī)械加工特點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試研究，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)因素的平衡。Ti-6-4ELI鈦合金材料具有良好的韌性，在退火狀態(tài)下應(yīng)用，能夠表現(xiàn)出卓越的損傷容限與加工特性，在飛機(jī)中應(yīng)用大量的Ti-6-4ELI鈦合金結(jié)構(gòu)，能夠發(fā)揮出良好的性能效果。國(guó)外一直沒(méi)有停止先進(jìn)飛機(jī)的鈦合金材料研究，并高度重視鈦合金結(jié)構(gòu)的工藝水平，在50-70年代初期，國(guó)外就在鈦合金制造領(lǐng)域取得了巨大的成果，并不斷的應(yīng)用到飛機(jī)制造領(lǐng)域中，針對(duì)不同的機(jī)體結(jié)構(gòu)需求，從非承力構(gòu)件到重要承力構(gòu)件，從板材擴(kuò)大到型材，最終實(shí)現(xiàn)大型鍛件，在壁板、翼肋環(huán)節(jié)中實(shí)現(xiàn)了鈦合金結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，并結(jié)合不同部位的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了良好的焊接結(jié)構(gòu)。國(guó)外在航天工業(yè)發(fā)展中實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)的焊接技術(shù)，并一直處于世界領(lǐng)先行業(yè)，近年來(lái)實(shí)現(xiàn)了飛速發(fā)展，認(rèn)為鈦合金焊接結(jié)構(gòu)是先進(jìn)飛機(jī)在不可缺少的重要結(jié)構(gòu)，全面研究鈦合金焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用價(jià)值，積極探索鈦合金焊接植被技術(shù)手段，促進(jìn)新型飛機(jī)的性能水平提升[2]。

3 鈦合金焊接結(jié)構(gòu)在我國(guó)現(xiàn)今飛機(jī)中的應(yīng)用

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，在航空航天事業(yè)上取得了較大的突破，近年來(lái)，我國(guó)不斷發(fā)展航空工業(yè)，并在飛機(jī)的制造中廣泛應(yīng)用鈦合金材料結(jié)構(gòu)，并對(duì)一些鈦合金緊固件實(shí)現(xiàn)了全面發(fā)展，我國(guó)戰(zhàn)機(jī)飛機(jī)中，鈦合金結(jié)構(gòu)材料的運(yùn)用能夠?qū)崿F(xiàn)良好的疲勞性、損傷容限、耐腐蝕性，同時(shí)建造成本也在可接受范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)整體化與輕量化性能的發(fā)展。在我國(guó)的飛機(jī)中選擇了6個(gè)鈦合金牌號(hào)，其中包括低強(qiáng)高塑性、中強(qiáng)中韌性、中強(qiáng)高韌性、高強(qiáng)高韌性和系統(tǒng)用材等，并憑借著鈦合金自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在機(jī)身、機(jī)翼、吊掛和接頭處，發(fā)揮出了綜合力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)了我國(guó)航空航天領(lǐng)域的發(fā)展。

4 鈦合金焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用發(fā)展

隨著鈦合金的不斷研究與開(kāi)發(fā)，逐步成為輕型結(jié)構(gòu)的重要材料，目前，鈦合金焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是在航空航天領(lǐng)域中，占據(jù)了重要的地位，同時(shí)對(duì)鈦合金的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了全面優(yōu)化，促進(jìn)了先進(jìn)飛機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展。在現(xiàn)階段的大型軍用飛機(jī)中，對(duì)尺寸和速度提出了更好的要求，同時(shí)還要具備高機(jī)動(dòng)性，因此，鈦合金焊接結(jié)構(gòu)的研究，解決了航空制造的關(guān)鍵問(wèn)題，也體現(xiàn)出了明顯的焊接優(yōu)勢(shì)，焊接技術(shù)也由原來(lái)的非戶主制造變成了飛機(jī)制造的關(guān)鍵技術(shù)，促進(jìn)了新型飛機(jī)的設(shè)計(jì)與發(fā)展。