8钛合金在飞行器制造中的应用(1)

1第4章钛合金在飞行器制造中的应用21791年，英国牧师格累高尔发现了一种新元素。1795年，法国化学家克拉普罗特以日耳曼神话中女神坦的名字为它命名，译成中文就是“钛”。从此，钛便进入了科学家的实验室。钛是一种新金属，由于它具有一系列优异特性，被广泛用于航空、航天、化工、石油、冶金、轻工、电力、海水淡化、舰艇和日常生活器具等工业生产中，它被誉为现代金属。金属钛生产从1948年至今才有半个世纪的历史，它是伴随着航空和航天工业而发展起来的新兴工业。它的发展经受了数次大起大落，这是因为钛与飞机制造业有关的缘故。但总的说来，钛发展的速度是很快的，它超过了任何一种其他有色金属的发展速度。3钛的蕴藏量十分丰富，在地球上钛的储量约占地壳总重的0.61%，在所有元素中占第十位，居于氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢之后，按金属元素计，为第7位；在常用金属中则仅次于铝、铁和镁，占第四位；比铜、镍、铅、锌的总和还多十余倍。但由于它的高温性质特别活泼，很难提纯，因此金属钛直到二十世纪四十年代才生产出来。第二次世界大战后首先在真空炉中成功地用镁还原四氯化钛获得了海绵钛，工业上开始少量应用。冶炼技术一经突破并投入工业生产后，这种新材料迅速受到人们的重视。随着钛材需求量的增加，钛及钛合金的产量一定会有大的增长。钛及钛合金由于具有优良的耐腐蚀性能、较高的强度和比强度以及能耐较高的温度，已作为一种工业材料在飞行器制造行业得到了广泛的应用。41、记忆功能钛-镍合金在一定环境温度下具有单向、双向和全方位的记忆效应，被公认是最佳记忆合金。在工程上做管接头用于战斗机的油压系统；石油联合企业的输油管路系统；直径0.5mm丝做成的直径500mm抛物网状天线用于宇航飞行器上；在医学工程上用于制作鼾症治疗；制成螺钉用于骨折愈合等。上述应用均获得了明显效果。2、超导功能铌-钛合金在温度低于临界温度时，呈现出零电阻的超导功能。3、贮氢功能钛-铁合金具有吸氢的特性，把大量的氢安全的贮存起来，在一定的环境中又把氢释放出来。这在氢气分离、氢气净化、氢气贮存及运输、制造以氢为能源的热泵和蓄电池等方面应用很有前途。51密度小,比强度高金属钛的密度为4.51g/cm3,高于铝而低于钢、铜、镍，但比强度高于铝合金和高强合金钢。2弹性模量低钛的弹性模量在常温时为106.4GPa,为钢的57%。3导热系数小金属钛的导热系数小，是低碳钢的五分之一，铜的二十五分之一。4抗拉强度与其屈服强度接近钛的这一性能说明了其屈强比（屈服强度/抗拉强度）高，表示了金属钛材料在成形时塑性变形差。由于钛的屈服极限与弹性模量的比值大，使钛成型时的回弹能力大。65无磁性、无毒钛是无磁性金属，在很大的磁场中也不会被磁化，无毒且与人体组织及血液有好的相溶性，所以被医疗界采用。6抗阻尼性能强金属钛受到机械振动、电振动后，与钢、铜金属相比，其自身振动衰减时间最长。利用钛的这一性能可作音叉、医学上的超声粉碎机振动元件和高级音响扬声器的振动薄膜等。7耐热性能好新型钛合金可在600℃或更高的温度下长期使用。8耐低温性能好钛合金TA7（Ti-5Al-2.5Sn）,TC4(Ti-6Al-4V)和Ti-2.5Zr-1.5Mo等为代表的低温钛合金,其强度随温度的降低而提高,但塑性变化却不大。在-196~-253℃低温下保持较好的延性及韧性,避免了金属冷脆性,是低温容器,贮箱等设备的理想材料。9吸气性能钛是一种化学性质非常活泼的金属,在高温下可与许多元素和化合物发生反应。钛吸气主要指高温下与碳、氢、氮、氧发生反应。710耐腐蚀性能钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向大。但实际上钛在许多介质中很稳定，如钛在氧化性、中性和弱还原性等介质中是耐腐蚀的。这是因为钛和氧有很大的亲和力，在空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密的、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀。即使由于机械磨损也会很快自愈或重新再生。这表明了钛是具有强烈钝化倾向的金属。介质温度在315℃以下钛的氧化膜始终保持这一特性。为了提高钛的耐蚀性，研究出氧化、电镀、等离子喷涂、离子氮化、离子注入和激光处理等表面处理技术，对钛的氧化膜起到了增强保护性作用，获得了所希望的耐腐蚀效果。针对在硫酸、盐酸、甲胺溶液、高温湿氯气和高温氯化物等生产中对金属材料的需要，开发出钛-钼、钛-钯、钛-钼-镍等一系列耐蚀钛合金。钛铸件使用了钛-32钼合金，对常发生缝隙腐蚀或点蚀的环境使用了钛-0.3钼-0.8镍合金或钛设备的局部使用了钛-0.2钯合金,均获得了很好的使用效果。81.在飞机上的应用钛合金是现代飞机承力结构中最有应用前景的材料。同铝合金及钢相比，它具有更高的比强度。同时，其耐腐蚀性、疲劳抗力均很高。在高温下不可能采用铝合金时，钛合金却能有效地工作。考虑到飞机结构承力部件（壁板、缘条、隔框、梁、接头及起落架等）的特点，制造时要用到厚板、模锻件（锻件）、铸件，以及挤压型材、轧制型材和薄板等半成品。设计此类疲劳危险的结构部件，要求选用高比强度,最大断裂韧性和最小裂纹扩展速率的材料。钛合金可满足要求，方法是对不同半成品采用不同的变形加工和热处理，形成必需的冶金组织；针对钛合金的所有特点，研究制订出钛合金零部件的加工工艺。4.1钛合金在飞行器结构上的应用9结构的重量效率是主要的质量指标之一。改进半成品及决定结构件采用何种连接，对提高结构重量总效率起着十分重要的作用。这不仅取决于设计任务书，还取决于结构材料的工艺性能。对两块壁板的等寿命对接结构分析得知，焊接接头具有最高的重量效益，且电子束焊接优于其它焊接，因此选择钛合金制造飞机结构的主要要求之一是合金本身要有良好的可焊性。而钛合金Ti-6Al-4V就具有良好的可焊性。10从技术和质量上考虑，飞行器制造工业都是金属钛的最大用户，从板、管材到铸件、锻件，消耗钛加工材达60%以上。在1980年前，民用机与军用机都想在机体上采用钛制部件，但因成本问题而受到限制。然而燃料费在美国各主要航空公司的经营成本中所占的比例自1970年以来一直在上升（1970年占12%，1980年占28%，1990年占31%），从而推动了具有高比强度的钛部件在飞机上的广泛应用。因使用钛部件而使初期投资增加的部分，可因节省航运费和维修费而完全抵消。加上定期客机效率的改善，使得波音公司投资数十亿美元，开发了节能效率好的757型和767型客机。11随着燃料成本的连续上升，可以预计到新的民用客机中钛的用量将增加。当前正在为改善结构效率，降低部件成本而积极地开发有力的新合金和新的加工方法。这样一来预计钛合金的用量将进一步增加。对飞机制造厂来说，把燃料消耗降低到最小限度，对提高民用机的经济性，提高战斗机的留空时间具有重要的作用。从机体断面的形状、新机翼技术、恰当地选择发动机等基本设计方面，应尽可能以提高燃料效率为目标。因为重量是节省燃料的主要因素，飞机制造厂家必须尽全力谋求轻量化。使用改良铝、复合材料，再和钛复合使用，具有可靠性的轻量化就成为可能了。12据估计，歼击机铝合金原材料成本约占飞机总成本的1%。如果歼击机完全用钛合金制造，则原材料成本占总成本的3.5%。如果钛成本降低一半，则歼击机总成本总共也只能减少1%。因而，飞机的成本主要不取决于原材料成本，而是取决于生产费用。根据这一分析，可以认为在飞机制造中应用钛不存在成本障碍，或即使存在也影响很小，因而可以预计钛将来在飞机制造中会得到比现在更为广泛的应用。2.在宇宙飞船和航天飞机上的应用（略）3.在宇宙火箭上应用（略）13飞机上钛材的应用情况机种型号钛结构总重(%)战斗机F86F101F111A鹞式F14F15F221.02.98.05.024.426.539.0轰炸机B52AB52GB70B10.83.58.020.1运输机波音707波音727波音737波音747波音777L-1011C-5A协和0.51.82.75.58.54.56.02.0直升机CH-53A1014航空发动机上钛材的应用情况发动机型号装备的飞机型号钛结构重量(%)J37埃汶斯贝512JT-3CJ93JT-3DRB-211JT-9DM53TF89B52、F100、F101、F102彗星-4三叉戟DC-8XB-70DC-8L-1011波音747幻影F1、C8C5A234671520253032151617184.2航空用钛合金的分类与一般性能1.钛及合金的分类牌号名义成分合金类型工作温度（C）TA7Ti-5A-2.5Snα500TC1Ti-2Al-1.5Mn近α350TC3Ti-5Al-4Vα+ß400TC4Ti-6Al-4Vα+ß400TC6Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Siα+ß450TC11Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Siα+ß500TB2Ti-5Mo-5V-8Cr-3Alß300Ti-22Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Alß30047121Ti-7Mo-10V-2Fe-1Zr-4Alß300ZTC4Ti-6Al-4Vα+ß350ZT3Ti-5Al-5Mo-2Sn-0.3Si-0.02Ceα+ß500按照合金在平衡和亚稳定状态的相组成，钛合金可分为α、近α、α+ß、近ß、ß等五类；但习惯上将钛合金分为α、α+ß和ß三大类。若按照使用性能特点，则可分为结构钛合金、耐热（热强）钛合金和耐蚀钛合金和功能钛合金等类。我国钛合金国标牌号中，TA系列代表α型钛合金；TB系列代表ß型钛合金；TC系列代表α+ß型钛合金。19钛有两种同素异构晶型。低于882.5℃为低温α晶型，呈密排六方晶格；在882.5℃到熔点（1668℃±10℃）为稳定的高温β晶型，呈体心立方晶格。钛可以与多种元素形成合金，合金元素的加入对钛的物理和机械性能产生很大的影响，并引起多晶型转变温度的变化。加入钛中的各元素的总量影响着相变温度的变化程度。合金元素使钛的晶体结构畸变并引起强化；相变行为的能力随元素的不同的而不同。钛与间隙元素（即处于钛晶格内间隙位置）氧、氮、碳以及金属元素铝、锡等构成的合金具有稳定的α相类型，称为α稳定元素，能够提高纯钛的相变温度。钛与过渡元素如钒、铌、钽、钼及锰、镁、铁、铬等构成的合金则具有β相或α+β相类型，称为β稳定元素，它们不同程度地降低纯钛的相变温度。20α型钛合金主要以α稳定元素为合金元素，在室温下具有α单相组织，不能通过热处理使之强化，通常只进行退火处理；组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在500℃～600℃的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，室温强度不高。β型钛合金中则含有相当数量的β稳定元素，它们当中有的能无限地溶于β钛中（如钼、铌、钒、钽等），有的则只是有限地固溶于β钛中（如铬、铁、锰等）。工业用β合金均系在β相区内加热后淬火，将β相保持下来，在室温时得到稳定的β单相组织。经固溶处理（淬火）后再进行时效而使合金强化；未热处理即具有较高的强度，淬火、时效后合金得到进一步强化，室温强度可达1372～1666MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。21α+β合金退火后由α相加β相组成，也能够通过固溶加时效强化，但强化效果不如β型钛合金。双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50％～100％；高温强度高，可在400℃～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金。22航空航天用钛合金主要有α型钛合金、钛铝化合物为基的高温钛合金和铸造钛合金等。非航空航天用钛合金方面则主要应用于化工装置、有色冶金、发电站冷凝器、海水淡化设备和汽车零件、人工关节等领域。234.2航空用钛合金的分类与一般性能2.工业纯钛的主要物理性能工业纯钛的主要物理性能项目数值原子序数22原子量47.9密度(克/厘米3)4.507±0.005原子直径(A)2.93熔点(℃)1668±10熔化潜热（千卡/克分子）5沸点(℃)3535汽化潜热(千卡/克分子）112.5±0.3%同素异