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钛合金在航空领域的发展与利用

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钛合金拥有比强度高、耐蚀性好和耐高温的显著

特点,在20世纪50年代起头,首吓咨于航空航天技术

的火急必要,钛工业得到了迅速的发展, 目前,钛合

金已经宽泛利用于航空、航天、兵器、化工、汽车、

体育、医疗等领域。凭据钛合金的机能特点与用处,

钛合金大体可分为三种重要类别:结构合金、耐蚀合

金以及生物合金。航空领域中,结构资料要保障飞机

机体和发起机零件在复杂前提下拥有优良的工作能力,

在.250~600℃之间,钛的比强度居于常用金属资料之

首,与密度更轻的铝合金相比,尤其拥有更好的高温

强度,因而钛合金作为结构资料,很合用于航空发起

机部件以及其它航空构架的结构资料,航空资料已成

为钛合金最重要的利用之一。近年来,随着航空技术

的发展,军用及民用飞机不休换代,航空钛合金的发

展出现两个特点:高用量和高机能。如美国F22战斗机

迪胙用量达~142% ,V2500发起机迪胙用量达到3 1%,

民用飞机用量也在不休增长,预计到2020年,民用飞

机迪胙市场将达到2.8万吨,对于高机能钛合金,新型

飞机逐步钻营轻量化,要求钛材拥有更高的强度,先

进航空发起机必要更高的推沉比,也要求钛材拥有更

好的高温强度和阻燃性D芄凰,钛合金的利用与发

展已成为航空技术发展的沉要成分之一。

1 钛合金在航空领域的利用近况

1.1 钛合金在飞机机身构架中的利用

钛合金在机身构架中重要用于防火壁、蒙皮、隔

框、大梁、舱门、起落架、翼肋、紧固件、导管、拉

杆等部件。钛合金在使用初期,钛合金重要利用于受

力不大的结构件,如飞机支座、接头、框架、隔热板、

减速板等,其中不乏铸件,其中最早利用迪胙合金铸

件之一是襟翼滑轨。经过早期的这些相对单一的非关

键性结构件在飞机上的利用证明:钛合金在飞机上应

用是靠得住的。从20世纪80年代起头,随着钛合金部件

成型技术和自身质量的大幅提升,不少受力结构件也

起头选用钛合金,如波音飞机上吊装CF6.80发起机的

装置吊架,是受力前提极度严格的结构 ”。近年来,

美国、俄罗斯等蓬勃国度对飞机机身上钛合金的用量

不休增长。在军用飞机领域,钛合金的用量发展长短

常迅速的,俄罗斯的伊尔76运输机迪胙用量达到12%,

法国幻影2000和俄罗斯CY一27CK战斗机迪胙用量别离

达到23%和180//0[2]。表1为美国重要军用飞机上钛合金

的用量引,其中F.22和F.35战斗机、B1和B2轰炸机迪胙

合金用量达到了20%以上。民用飞机迪胙用量也在不

断扩大,目前国表主流民航机中机体用钛材量占机身

总沉达到6%以上。表2为美国及欧洲民航飞机迪胙用

量【 ,其中美国波音787飞机在研造过程中,为了达到

大幅减沉以达到降低20%的油耗,投人3亿美元研发经

费,大量选取钛合金代替铝合金,最终整个飞机机体

钛合金用量达到11%,在民用飞机领域已达到了很高

的比沉。俄罗斯在研造的新一代客机MS-21迪胙合

金用量达到了25% ,打算在2016年向市场推出,将成

为世界上钛合金用量最高的民用飞机。

为了降低成本,钛合金铸件的利用领域也在不休

扩大。在20世纪90年代中期,美国研造的高机能第四

代歼击机F.22上已选取了大量迪胙合金铸件,总沉达

到600 kg,其中有些是极度沉要的关键件,如机身壁

肋铸件和方向舵传动装置支架。军用运输机C一17的吊

挂头准为钛合金整体薄壁精铸件,最薄壁厚1.25 mm,

最大壁厚差近9 mm[4]。美国波音757、767、777及787

也都选取了大量迪胙合金铸件,其中波音777使用了两

种典型迪胙合金铸件,一件是Apu风导管,另一件是

长度达到3 048 mm的状态复杂的隔热屏。欧盟国度造

造的A330/A340空中客车上也选用了大量钛合金铸件,

其中典型的是内着陆襟翼系统上的耳轴和飞机支持

架_5],A380客机迪胙合金刹车扭力管由英国Doncasters

公司选取离心熔模精铸铸造技术研造,初次取代了锻

件[6】。我国在军用飞机上钛合金的利用起步较晚,我国

在20世纪80年代研发的歼八战斗机钛合金的用量仅为

2%,沉量为93 ,歼十战斗机钛合金的用量提高到

3%,但与国表第三代、第四代军用飞机迪胙用量相

比,依然存在很大差距。近年来,我国加大了钛合金

在军用航空领域的利用,预计我国新一代高机能战斗

机迪胙用量将达到25%~30%l 3_。在民用飞机领域,我

国商用支线客机ARJ21迪胙合金用量为4.8% ,我国自

主研发的C919大型客机迪胙合金用量达到了9.3%,超

过了美国波音777飞机,2014年9月,C919客机首架机

在中国商飞公司新落成的总装造作中心正式起头机体

对接,这标志取C919大型客机研造项目全面进入结构

总装攻坚阶段,项见识争年底实现首架机机体结构对

接,2015年底实现首飞。

1.2 钛合金在航空发起机中的利用

喷气发起机是飞机的心脏,其部件接受着高温、

高压环境的考验,要求合金在650℃ 以下有着优良的

抗高温强度、抗蠕变性和抗氧化性。因铝合金使用温

度过低,钢的密度太大,所以钛合金成为了最佳选择。

目前,钛合金以其优异的个性在飞机上的利用日趋扩

大,在喷气发起机中可用于压气盘、静叶片、动叶片、

机壳、点火室表壳、排气机构表壳、中心体、喷气管、

机匣等_1_。其中,叶片、机匣等部件目前已选取钛合金

铸件,Rolls—Royce(Trent900)和GE/Pratt&Whitney

Engine Alliance(GP7200)两家公司出产的A380空中

客车新型发起机的电扇直径为3 m左右,并选取中空钛

电扇叶片。随着航空发起机对推沉比和刚度要求的提

高,要求一些关键钛合金结构件做成大型复杂薄壁的

整体精铸件,因而目前大型复杂薄壁钛合金整体结构

精铸技术已得到了充分发展。表3为欧美国度一些航空

发起机迪胙用量 D芄豢闯,国表先进航空发起机的

钛用量通常在25%以上。我国早期研造的航空发起机

钛用量很低,1978年研造的涡喷13系列发起机迪胙用

量达到13%,2002年设计的昆仑涡喷发起机迪胙用量

达到150//0[7],预计我国新一代航空涡扇发起机迪胙用量

将达30%以上。

2 航空用高机能钛合金的发展示状

2.1 高强度钛合金

高强度钛合金是为了满足机身减沉和高负载部件

的使用而提出的,在飞机上用于机身的承力隔梁、起

落架的扭力臂、支柱等。目前高强度钛合金的钻研主

要以p钛合金为主,也蕴含 +p两相合金,合金化的主

要特点是参与较多的B不变元素,如v、Cr、Mn、Fe等

元素,严格节造N、H、0等气体元素含量,并在高温

下的固溶时效处置得到不变的B相组织。目前,拥有代

表性的高强度钛合金重要有Ti1023、Ti153、21S、

Ti6—22.22S和BT22等,合金时效后的抗拉强度达到

1 000 MPa以上。美国研造的Ti一1023(Ti.IOV一2Fe.3A1)

是目前利用最为宽泛的高强韧近13钛合金,已成功利用

于C.17大型运输机的起落架、波音777客机的起落架以

及大型客机A380的主起落架支柱闻。Ti153(Ti.15V一

3Cr.3A1.3Sn)拥有优良的冷变形性,已利用于波音777

上的节造系统管路和灭火罐,代替了低强度通常钛合

金[9]。[321S (Ti.15Mo一3A1.2.7Nb.0.2Si)除了拥有较高

的强度表,还拥有优良的抗蠕变机能,被用于波音777

飞机的引擎P&W4084、GE90和Trent800中的喷嘴、蒙

皮和各类纵梁结构[ 。Ti6.22—22S (Ti一6A1—2Sn一2Zr一

2Mo.2Cr一0.2Si)是美国RMI公司研造的c~+13型合金,

拥有优良的强韧性匹配,热处置后拥有深淬透性(断

面直径达100 mm)和极好的超塑性成型能力,用于

F22战斗机下部龙骨的翼弦 。俄罗斯研造的BT22

(Ti.5V.5Mo一1Cr.1Fe.5A1)退火状态下为c~+13结构,该

合金塑性和焊接机能优异,已用于IL一86和IL一96—300的

机身、机翼、起落架等高负载航空部件,为了进一步

提高强度,研发人员对BT22进行了改进,在其中参与

sn、zr等元素, 即BT22M合金,其室温强度达到

1 200 MPa以上,用于出产飞机发起机盘和叶片?]。

我国上世纪60年代起头自主开发了TB6、TB10、

TC21等高强度钛合金,其中TC21和TB10最为典型,

TC21强度达到l 100 MPa,韧性好,拥有优异的高危险

容限机能和委顿机能,是目前我国综合力学机能最佳

的高强度钛合金,合用于造作飞机大型整体框梁类沉

要承力构件_l2],TB10比强度高,断裂韧度好,淬透性

高,已在我国航空领域获得了现实利用。

2.2 高温钛合金

高温钛合金是现代航空发起机的沉要资料,重要

用于飞机发起机的压气机盘、机匣和叶片等部件,以

减轻发起机沉量,满足发起机更高的工作温度,提高

推沉比。通例钛合金工作温度较低,通常幼于500℃,

目前,美、英等国已研造出了使用温度550~600℃的

高温钛合金,如美国Ti6242S、Til100,英国IMI829、

IMI834,俄罗斯BT 1 8Y、BT36等。Ti6242S (Ti一6A1.

2Sn.4Zr.2Mo一0.1si)是美国早期研造的一种高温钛合

金,属于近0【型结构,强度达N93o MPa,最高使用温

度为540℃『l ,研发人员通过对Ti6242S的合金元素含

量进行调整,研造出了Til 100(Ti.6A1—2.75Sn.4Zr一0.4

Mo一0.45Si),使其使用温度提高到600℃ ,该合金已应

用于T55.712发起机的高压压气机轮盘和低压涡轮叶片

等部件[ 。IM1834 (Ti一5.8A1—4Sn.3.5Zr.0.7Nb一0.5Mo一

0.35Si)是IMI829的改进型,合金中Nb的参与在保障

热不变性的基础上,最大限度提高了合金的强度,室

温强度达到1 070 MPa[ j,该合金焊接机能优异,已应

用于波音777飞机的Trent 700发起机上。BT36 (Ti.6.

2A1.2Sn.3.6Zr一0.7Mo.0.1Y.5.OW一0.15Si)是俄罗斯在上

世纪90年代研造的一种沉要的高温合金,使用温度达

N6oo~650℃f14],合金中参与Y达到细化晶粒改善塑性

的成效,参与w提高了合金的热强性。美国惠普公司

最近研造出的Ti.1270高温钛合金,试验过程中使用温

度可达700℃ ,打算用于x.33演示机及结合战斗机。

我国研造了Ti.55、Ti一60、Ti一600、Ti一5331lS及

7715等高温合金。Ti一53311s使用温度在550。C左右,

其成分与IMI829类似,但Mo含量更高,高温瞬时强度

大,高温下拥有优良的承载能力,在航空领域已获得

利用 ]。Ti60 (Ti一5.8A1—4.8Sn一2Zr一1Mo.0.35Si。0.85Nd)

属于Ti55的改型,其使用温度达~16oo℃ ,室温强度达

到1 100 MPa,合金元素Nd改善了合金的热不变性。

Ti600合金的600℃强度达~1J74o MPa以上,同时维持

优良的伸长率和断面收缩率 6]。

由于未来航空发起机推沉比将达到l0以上,因而

要求资料的使用温度更高。近年来,钛铝合金起头受

到关注,重要以Ti3A1和TiA1为基础,最高使用温度达

~lJ8oo℃以上,抗氧化能力强,抗蠕变机能好,且质

量更轻。以Ti3Al为基的Ti一2 1 Nb一1 4A1和Ti.24A1—1 4Nb

3V.0.5Mo在美国已起头批量出产 ]。但目前研造迪胙

铝合金塑性较差,使其在航空发起机上的利用受到了

限度。

2.3 阻燃钛合金

用于航空发起机的某些钛合金部件工作温度较高,

易产生点火,因而,美、俄等国从上世纪70年代起头,

发展了阻燃钛合金的钻研。美国研造出了AlloyC

(Ti一35V.15Cr)阻燃钛合金,属于B型合金,该合金具

有优良的高温强度和抗氧化能力,但在高温(出格足

482℃ 以上时)工作时,合金易产生脆化,该合金已

利用于Fll9发起机的高压压气机机匣、导向叶片和矢

量尾喷管 。俄罗斯研造出Ti.Cu.A1系BTT一1、BTT.3

阻燃钛合金,BTT一1合金拥有优良的热加工性,被用

于发起机压气机机匣和叶片 ,BTT.3合金与BTT—l相

比,塑性更高,阻燃性更好,可用于造备越发复杂的

发起机零件,但这两种合金的整体力学机能和铸造性

能较差,至今未能工程化。

我国对于阻燃钛合金的钻研起步较晚,西北有色

钻研院研造出了Ti.40(Ti一25V.15Cr.0.4Si)阻燃钛合金,

该合金V含量较低,拥有优良的机械机能,阻燃机能

与AlloyC机能相当,在500℃可持久使用,该合金已进

入工业规模的钻研阶段。北京航空资料钻研院~AlloyC

合金为基础,进一步优化si和C的含量,研发出TF550

合金,该合金在550℃拥有很好的蠕变和悠久机能。

3 我国航空用钛合金的发展趋向

3.1 持续发展高机能航空钛合金资料的钻研与利用

现有钛合金的强度仍不能齐全满足航空领域的应

用,其强韧性仍不如超高强韧合金钢(1 500 MPa以

上),必要研造抗拉强度大于1 350 MPa并且韧性优良

的高强钛合金。持续扩大高温钛合金的使用温度,使

其达到650℃ 以上,通过多元素合金化提高合金的高

温机能,持续探索稀土元素对于高温机能的影响。对

于阻燃钛合金,我国发展相对缓慢,必要造订评价钛

合金阻燃机能的统一尺度。

3.2 积极拓宽航空钛合金精密铸件的利用领域

与钛合金锻件相比,钛合金精密铸件可极大降低

产品的出产周期和出产成本,并合用于批量出产。我

国钛合金精密铸造技术近年来发展较快,已宽泛利用

于航天、军工等领域,但由于航空钛合金铸件的内部

质量和表表质量要求很高,关键航空钛合金部件还很

难选取钛合金铸件,并且目前航空钛合金铸件的制品

率还不是很高,因而仍必要提升我国航空钛合金部件

的精密铸造技术,如造型技术、熔炼成形工艺等。

3.3 发展低成本航空钛合金的研造

航空钛合金产品的研造与出产目前已经成熟化、

贸易化,低成本航空钛合金将受到极大关注,除了对

出产过程进行节造、提高制品率之表,还必要对资料

自身进行改进,如在合金化方面,用便宜的Fe元素替

代昂贵的V、Mo等元素l 2 J_,在保障强度和韧性的同时,

降低金属资料成本,在铸造成形方面,能够通过研造

低成本高不变性的氧化物铸型资料,降低铸造的成本。

通过降低成本,钛产品在航空领域的利用将得到进一

步推广。

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