钛与钛合金的发展与应用(第四篇)

钛与钛合金的发展与应用.第四篇《应用篇》第一部分、工业纯钛的应用：第一篇提到过，工业纯钛按照国标分为TA1-TA4不同牌号，加工成板、管、棒、丝、带等各种半成品。工业上比较常用的纯钛是TA3，因为它的耐腐蚀性和综合力学性能比较适中，抗腐蚀能力比常用的不锈钢强15倍，使用寿命长10倍。因此广泛用于石油化工设备、滨海发电装置、海水淡化装置和舰艇零部件。如果需要高强度和耐磨性，就需要采用TA4。而对成形性要求高时，就需要采用TA1或者TA2。工业纯钛对核辐射的耐受比不锈钢要高的多，长期使用也不会变脆，因此还可以用于核反应堆的零件。这是钛的工业应用。钛完全无毒，具有良好的生物相容性，可以与骨组织紧密牢固的结合，是理想的生物材料，因此在医疗领域大显身手。高尔夫球杆和网球拍的外框、自行车的骨架也会用到金属钛。近年来，眼镜、珠宝行业，用钛量（主要是纯钛,也有部分钛合金）也在急剧上升。这是钛的生活应用。纯钛应用，在钛工业中占到的比例不到10%。90%以上，都用在了形形色色的钛合金上第二部分、钛合金的应用：中国钛合金的应用领域，主要集中在石油、化工等工业领域，并逐步向航空航天、海洋化工和日常生活扩展。表1：部分钛合金在中国的应用和碳纤维复合材料一样，本文对钛合金重点关注的，仍然是航空航天领域的应用。下面我们就来聊聊这方面的情况。一航空领域重点看两个领域：1高温及阻燃钛合金（用于航空发动机）2承力及强韧钛合金（用于飞机结构）。其实，这二者有很多交叉如发动机支撑结构件，既是耐温合金也是承力合金。咱们试着分别讨论。1航发用高温钛合金表2：发动机钛合金用量*（兵器迷推测为WS-10）数据说话。进步，那是看得见的；差距，那是明摆着的。结合中国的应用情况，我们重点介绍几种钛合金牌号如下：TC4：即钛铝钒合金Ti-6Al-4V及其各种发展型号，中国国标牌号TC-4，属于α+β合金。这是一个大家族，既有结构合金，也有耐温合金。自美国1954年作为结构合金采用以来，占美国钛合金消费量的60%（其他有25%为耐蚀合金，15%为其他结构合金）。TC-4应用历史悠久，性能数据最全、用量最大，在全球钛合金中占有最重要的基础地位。国内应用：在中国，TC4同样是钛合金应用的基础。而它的奠基人，乃至整个中国航发耐温钛合金的奠基人，就是中国钛合金领域当仁不让的大腕，航空报国金奖的得主——曹春晓院士。根据中国航空报、航空材料学报报道：1964年底，航材院钛合金研究室的领导和专业组长曹春晓采用TC4取代钢制成涡喷6发动机的压气机转子叶片和盘。1966年，试车达到244小时，圆满达标。1969年制成装有TC4叶片和盘件的两台涡喷6A型发动机安装在同一架飞机上，完成了我国第一架有发动机用钛合金盘、叶片的飞机试飞任务。1970年开始，涡喷6B型发动机在制造中选用TC4，并进行了小批量生产。之后，五六种航空发动机先后应用了TC4合金压气机叶片、盘。结构件方面：21世纪初，航天材料及工艺研究所进行粉末TC4合金骨架(如下图)的研制，并提供了小批量的试验件进行全面的试验图2TC4合金骨架(图1)TC4工作温度在400℃以下，既是我国结构用钛合金四大牌号（TC1，TC4，TA7M，BT20）之一，又是航空发动机风扇叶片和压气机第1、2级叶片的两种基础钛合金应用牌号(TC4和TC6)之一。TC4占有非常重要的钛合金基础应用地位。仅仅从TC4的价格是整个钛合金市场的基准，其重要性就可见一斑。其应用成就获得1978年全国科学大会奖。官方评论是：“TC4合金产品的组织性能达到了国际及美国宇航材料标准，它的研究成功为我国钛工业的发展和在航空工业中的应用奠定了基础，起到了开路先锋的作用。”TC11继TC4之后，曹春晓再接再厉，开发具有“四高二低”（高温、高强度、高韧性、高刚性、低密度、低裂纹扩展速率）特性的TC11钛合金，即Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si。自研发成功至今，TC11大批量地应用于涡喷13发动机，推广应用到昆仑、涡扇9、涡扇10等发动机。1979年，曹春晓主持TC11合金用于涡喷13第三至第八级压气机盘、转子叶片和第一至第七级静子叶片。TC11钛合金同时还用于歼7减速伞舱梁。1980年代，将歼8-2的涡喷13A发动机2到7级压气机的钢机匣改为TC11铸钛机匣，使发动机的重量减轻了12.9千克。1990年代，TC11钛合金用于涡喷13FI发动机用1-7级转子叶片、盘及静子叶片，WP13FI第1级转子叶片由24片改为19片，其第3级静子内环采用钛合金整体精铸及热等静压式工艺。2000年代，中推核心机的七级轴流式高压压气机带进口导流叶片，前两级盘为TC11钛合金制造2006年，中国航空报报道，“太行”发动机前机匣攻关团队，攻克了阻碍近10年之久的前机匣加工生产“瓶颈”，结束了大型复杂零件多轴联动数控编程依赖对外合作的历史，提高了前机匣的加工效率和质量，节省了大量的科研经费，圆满完成了攻关任务，填补了行业内TC11钛合金机匣类高效数控加工的空白。2005年11月，该项目的工艺、数控编程技术通过了部级鉴定。TC11是我国航空发动机工作温度500℃左右的高温钛合金三大牌号（TC11、TA15和TA7）之一合金，而且是我国目前航空发动机上用量最大的钛合金，也是我国军用工业中用量最大的一种钛合金，同时又是最重要的承力结构合金之一。其成果获1987年度国家科技进步一等奖，官方评论是：“TC11合金，为两种新型歼击机（歼7和歼8）首飞立下了汗马功劳”Ti55曹春晓主持研制的钛合金Ti55,Ti-5Al-4Sn-2Zr-1Mo,工作温度550℃，是我国独创的含稀土元素钕的高温钛合金，该合金在某新型航空发动机压气机盘、叶片和鼓筒上成功应用。该项目为国防科工委“八五”重点预研项目，突破了八大关键技术，于1998年获国家科技进步二等奖。官方评价为“在率先应用含钕新型钛合金以及急冷式β模锻、三重式α+β热处理等关键技术方面具有创新性，标志着我国高温钛合金的应用达到了新水平”。Ti55与Ti633G,Ti53311S一起，成为我国550℃环境应用的三大耐温钛合金之一。Ti60/Ti600中国工作温度600℃耐温钛合金牌号。前者由金属所研制，在Ti55加入1%的铌Nb构成，后者是西北有色院含微量稀土元素Y的合金，在600-650℃有较好性能，抗蠕变性能尤其突出，甚至超过了国外的IMI834。TD2TD2属于金属间化物合金，工作温度为650-700℃。再次由曹春晓主持，研发TD2合金用于涡喷13发动机涡轮导风板和二级涡轮结合环，取代GH4033镍基高温合金。1996年评审验收的一台装有Ti3Al合金（TD2）零件的航空发动机首次试车成功，这是我国金属间化合物结构材料进行试车的首例，也是国际上Ti3Al基合金转子零件进入航空发动机试车阶段的首例。该成就获1999年度国家科技进步二等奖。官方评价为：“TD2合金工艺及性能稳定，拉伸强度、塑性、断裂韧性、冲击韧性等关键性能优于美国同类合金（超α2合金），在均匀化熔铸工艺等实用化关键技术、性能系统研究以及Ti3Al基合金转子零件率先地面台架试车等方面居国际领先地位。”TD3(TiAl24Nb15Mo1.5)与TD2合金相比，TD3具有更好的抗氧化性、断裂韧性、塑性和高温持久性能。近年来，曹春晓与课题组同志一起已用Ti3Al试制了气体涡轮的燃烧器旋流器、压缩机外壳、支撑环、燃烧器，涡轮导风板。并在生产条件下研制出我国迄今为止最大的Ti3Al合金锻件（重70千克，外径770毫米）。在2000年年底的验收中被国防科工委专家组评为A级。TD4(TiAl24Nb13Mo1.5Si0.5)进入21世纪，年逾古稀的曹春晓院士，还在积极研究可在750-850℃下长期工作的金属间化物TiAl合金TD4，已取得重要进展，即将进入应用研究阶段。什么叫高山仰止？什么叫海阔天空？师昌绪、曹春晓、谭树森这样的大师，在兵器迷看来，就是山，就是海，就是星座。Ti6792008年，Ti679钛合金课题组在840℃、870℃、900℃、940℃和980℃五个锻造温度区间进行试验，试验结果发现：该合金的力学性能，随着锻造温度的升高，呈现出“低高低”的变化规律，而940℃临近相变点(α+β到β相变点为953℃)锻造的室温、高温拉伸和蠕变性能最好，用于改进秦岭发动机的大型整体叶盘和阻燃钛合金机匣。TC17TC17(Ti-5Al-2Zr-4Mo-4Cr)用于飞机发动机整体叶盘、紧固件、导向装置。宝山钢铁股份有限公司特殊钢分公司特殊钢技术中心，采用等温锻造工艺成功地试制出钛合金精密锻件——直径为500mm的BT25高压压气机盘及TC17钛合金整体叶盘钛合金整体叶盘，呵呵，看到这样的词，兵器迷的眼睛都放光啊。Ti2AlNb/T633G/Ti650都是铌钛铝合金，耐高温，用于航空发动机。网载：北京科技大学新金属材料国家重点实验室称，经过20年的研究，具有我国独立知识产权的新一代航空航天用发动机材料，高温高性能高铌钛铝合金材料步入产业化阶段，这一技术将使我国航空航天发动机材料居世界领先水平。新型铌钛铝合金的主要用途之一，就是12-15推重比的新一代高推。曹春晓领军的耐温强韧钛合金团队、师昌绪领衔的高温镍基合金团队，为这项中国高端合金的最顶级应用，打造了光彩夺目的试金石。而“步入产业化阶段”的报道，更加令人欣喜，也更加令人关注——我们多少牌号的钛合金，年复一年的躺在实验室的样品柜里，至今无法实现产业化应用啊。二、承力结构钛合金和其他用途钛合金从欧美的情况来看，钛合金与碳纤维复合材料在战斗机结构重量的占比在稳步增加，而铝合金和钢铁的比例在稳步下降。中国虽然有较大的差距，但发展趋势亦大体如此。表3：战斗机钛合金用量*（兵器迷推测为歼-10）有一点需要注意：有的新闻报道中，并未明确飞机承力结构中钛材的用量是钛件重量还是钛材重量，这是有很大区别的。一般形成1公斤结构钛件，需要切削钛材10公斤以上。比如美国B1B每架需要90.4吨钛材，但最后形成的钛结构件远不到10吨。（近净成形工艺的残料率会大幅度降低，不过大规模采用是以后的事）从上表中，我们可以看到中国钛合金的应用差距。虽然没有更新机型的数据，但从上一篇工艺篇的情况看，中国的新一代战机，特别是四代机大量采用钛合金主承力结构，因此钛合金应用比例无疑会大幅度增加。能否达到F22的水平尚无定论，但超过超级大黄蜂还是有基础的。TC4/TC11前面说过，这两者是航发耐温合金，也是极其重要的结构钛合金，不赘述。TC21据钛工业进展报道，由中航工业北京航空材料研究院研究员朱知寿主持研制的高强韧损伤容限型钛合金，目前具有Φ300mm以下大棒材具备稳定批量供应的条件。其综合力学性能比美F-22飞机应用的Ti-6-22-22S（美）和苏-27系列飞机广泛应用的BT20（俄）钛合金更加优异，特别是具有非常优异的电子束焊接性能适合于制造飞机大型整体框梁类重要承力构件。满足了飞机关键承力部件的设计要求，实现了在5个机种上的装机领先应用，提升了我国飞机钛合金用量及应用水平。TC4-DT2011年，依然是中航朱知寿研究员，创建了TC4-DT中等强度高损伤容限型钛合金,已经开始大量应用于我国新一代飞机，满足了飞机大减重、长寿命和安全可靠性设计与使用要求。TC4-DT钛合金是我国结合纯净化熔炼技术和新型的β热处理工艺技术而研发的新型中强度高损伤容限型钛合金，该合金具有很高的韧性、低的疲劳裂纹扩展速率、优异的焊接性能、优良的工艺性能和较低的成本等综合性能，特别适合制造飞机大型整体框梁类重要承力构件。目前，TC4-DT钛合金Φ300mm以下大棒材具备批量供应的能力。TA7该合金热塑性、稳定性、焊接性都很好，耐热温度为400℃，多用于飞机蒙皮，是我国应用最广的α钛合金。TB-8/TiB19/TiB20TB-8,九五期间研制的超高强钛合金，抗拉强度1250MPa,成功研制了195mm大规格棒材和板材、丝材，试制了发动机导风罩，并试飞成功。与TiB-19/TiB20一起，成为中国结构用钛合金的典型牌号。