钛元素分布比较广泛,其含量超过地壳质量的0.4%,全球探明储量约34 亿吨,在所有元素中含量居第10 位(氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢、钛)。
美国科学家在1910 年采用“钠法”(钠还原TiCl4)最早获得金属钛,但是钛工业并没有随着钛的发现立即得以发展。
直到第二次世界大战后的1948 年,卢森堡科学家发明的“镁法”(镁还原TiCl4)在美国用于生产之后钛工业才开始起步。
钛比钢密度小40%,而钛的强度和钢的相当,这可以提高结构效率。同时,钛的耐热性、耐蚀性、弹性、抗弹性和成形加工性良好。由于钛具备上述特性,从一出现钛合金就应用于航空工业。1953 年,美国道格拉斯公司出产的DC-T 机发动机防火壁和短舱上首次使用钛材,开始钛合金应用于航空的历史。
航天飞机是最主要的、应用范围最广的航空器。钛是飞机的主要结构材料,也是航空发动机风扇、压气机轮盘和叶片等重要构件的首选材料,被誉为“太空金属”。飞机越先进,钛用量越多,如美国 F22 第四代机用钛含量为41%(质量分数),其F119 发动机用钛含量为39%,是目前用钛含量最高的飞机。钛合金研究起源于航空,航空工业的发展也促进了钛合金的发展。航空用钛合金的研究一直是钛合金领域中最重要、最活跃的一个分支,但其发展也极其艰辛,如人们花费十几年的精力克服航空发动机用钛合金的“热障”问题。
本文从合金基体相组成角度对钛合金进行归类。以飞机为航空器的代表,着重介绍钛合金在航空发动机、飞机机身、航空紧固件等方面的应用研究情况。最后,分析航空用钛合金发展过程中存在的问题。
钛合金的分类
美、英、俄、法、日等国钛合金的分类多为厂家自定,名目繁多。某些公司直接采用元素的化学符号和数字代替所加合金元素及其含量命名,如Ti-6Al-4V(相当于我国的TC4),各国牌号对照及化学成分如表1 所列 。按相组成钛合金可分为:密排六方结构(HCP)的 型钛合金(包括近 型合金)—即国内牌号TA、两相混合的+ 型钛合金—即国内牌号 TC 和体心立方结构(BCC)的 型钛合金(包括近型合金)—即国内牌号为 TB 。
20 世纪50 年代,军用飞机进入超音速时代,原有的铝、钢结构已经不能满足新的需求,钛合金恰恰在这个时候进入了工业性发展阶段。钛合金因密度小、比强度高、耐蚀、耐高温、无磁、可焊、使用温度范围宽(269~600℃)等优异性能,而且能够进行各种零件成形、焊接和机械加工,在航空领域很快得到广泛应用。20 世纪50 年代初期的军用飞机上开始使用工业纯钛制造后机身的隔热板、机尾罩、减速板等受力较小的结构件。20 世纪60 年代,钛合金进一步应用到飞机襟翼滑轧、承力隔框、中翼盒形梁、起落架梁等主要受力结构件中。到20 世纪70 年代,钛合金在飞机结构上的应用,又从战斗机扩大到军用大型轰炸机和运输机,而且在民用飞机上也开始大量采用钛合金结构。
进入20 世纪80 年代后,民用飞机用钛逐步增加,并已超过军用飞机用钛。飞机越先进,钛用量越多。表3~5 所列分别为美国第3 代、第4 代战斗机及先进轰炸机、运输机用钛材的质量分数 、一般飞机使用的钛合金种类和空客飞机钛合金和复合材料的用量。由表5 可知,空客A380 飞机上的钛材使用量已达10%,钛材已经成为现代飞机不可缺少的结构材料。根据用途不同,可将航空用钛合金分为飞机发动机用钛合金、飞机机身用钛合金和航空紧固件用钛合金。近年来,人们对航空用钛合金在上述 3 个方面的应用进行了深入研究。
航空发动机用钛合金
发动机是飞机的心脏。发动机的风扇、高压压气机盘件和叶片等转动部件,不仅要承受很大的应力,而且要有一定的耐热性。这样的工况条件对铝来说温度太高;对钢来说密度太大。钛是最佳的选择,钛在300~650℃温度下具有良好的抗高温强度、抗蠕变性和抗氧化性能。同时,发动机的一个重要性能指标是推重比,即发动机产生的推力与其质量之比。最早发动机的推重比为2~3,现在能够达到10。推重比越高,发动机性能越好。使用钛合金替代原镍基高温合金可使发动机的质量降低,大大提高飞机发动机的推重比。钛在飞机发动机上的用量越来越多。在国外先进航空发动机中,高温钛合金用量已占发动机总质量的25%~40%,如第3 代发动机F100 的钛合金用量为25%,第4 代发动机F119 的钛合金用量为40% 。
机机身用钛合金
飞机发动机要求所用合金热强度、比强度好,而机身则要求合金在中等温度下具备强度好、耐腐蚀、质轻等优良特性。钛合金能很好的达到这些要求,采用钛合金做机身材料有以下5 方面优势:
1)替代钢和镍基高温合金可大大降低飞机质量。高推重比让钛合金能够替代强度稍好的钢而用于飞机零部件中。
2)能够满足飞机强度要求。
与铝合金相比,60% 左右质量的钛合金即可达到相同的强度。在使用温度超过 130℃时,钛合金能取代铝合金,因为这一温度是传统铝合金的极限适用温度。
3)耐腐蚀性良好。大部分飞机支撑机构在厨房、厕所下面,很容易产生腐蚀,钛合金不需要表面防腐涂层或者镀膜。
4)与聚合物复合材料电化学相容性好。
5)空间的限制,替代钢和铝合金。因空间限制而使用钛合金的典型例子是波音747 的钛合金起落架梁。这种梁是最大的钛合金锻件,尽管其他合金(比如7075 铝合金)成本更低,但承载需要质量时,铝合金起落架体积超出机翼范围而不符合要求。钢的强度足可以承载质量,但它会使飞机质量大大增加。
航空紧固件用钛合金
不论军民用飞机还是航天器上,除了金属构件还有很多碳纤维复合材料。
钛与碳纤维复合材料的电极电位相近,钛合金又成为复合材料惟一的连接材料。因此,随着先进军民用飞机钛合金和复合材料用量的不断增加,对钛合金紧固件的需求日益加大。钛合金用作航空紧固件,至少具备以下4 点优势:1)减重效果好。俄罗斯的一架伊尔-96 飞机用紧固件14.2 万件,可减少质量近600kg。我国航空航天系统钛合金紧固件的使用也有明显的减重效果。飞机和航天器减少质量后,可以提高推力、增加射程、节省燃料、减少发射费用等。
2)钛合金优异的耐腐蚀性能,尤其是它正电位与碳纤维复合材料匹配,可以有效防止紧固件发生电偶腐蚀。3)在飞机结构中,紧固件部位因温度较高,不能采用铝合金,只能使用钛合金。4)钛具有良好弹性和无磁,对于防止紧固螺栓的松动和防磁场干扰至关重要。
存在的问题与前景展望
钛是一种性能优异而又储量丰富的金属,有“现代金属”的美称,经过半个世纪的发展,钛合金制备技术和应用研究都取得了很大进展,在航空领域中尤其得到广泛的应用。但存在的一些问题也逐渐暴露出来,航空用钛合金进一步发展面临着不小的挑战,主要表现在以下3 个方面:
(1) 用量方面。不论是军民用飞机或航空器中,钛合金用量高低直接反应出一个国家的航空水平。目前航空发动机钛用量都较低,要进一步提高至 50%左右,其难度仍相当大。
(2) 性能方面。与其他航空结构材料一样,高性能是要求具有良好的性能匹配,即必须综合考虑其力学性能、物理性能、化学性能、工艺性能和缺陷的可控性。现有的钛合金在600℃以上,蠕变抗力和高温抗氧化性的急剧下降是限制钛合金扩大应用的两大主要障碍。
本文作者认为,在整个航空钛合金技术发展和应用过程中,新的制造技术将会是开发和研究的重点,如超塑成形等近净型加工、粉末冶金成型法等。
(3) 成本方面。目前人们在降低成本航空钛合金方面虽然取得了一些成就,但仍有许多领域有待研究和开发。以阻燃钛合金为例,美国发明的Alloy-C 虽然具有优良的阻燃特性和高温力学性能,但由于它需要添加大量昂贵的V 和较差的可锻性而导致价格很高,因此只有在F119 发动机中正式应用。
由于管理和技术落后等原因,国内钛合金产品价格在国际上竞争力差,在国内不利于进一步扩大应用。因此,首先必须认真研讨降低钛产品成本的途径,确定近、中、长期发展规划。其次,我国应建立自己的钛合金体系,确保每一用途有多种合金备选,逐步摆脱航空关键材料对国外的长期依赖,形成主干材料或通用材料,从根本上为实现低成本制造奠定基础。最后,用价格较低的元素取代贵的合金元素,通过工艺途径降低钛合金零部件的成本,是今后钛合金研究工作中的重要课题。
综上所述,钛合金推重比大、韧性高、强度和可焊接性好,是一种综合性能优良的航空材料。在过去几十年中,航空用钛合金的合金化理论、综合强韧化技术和热处理工艺均得到了很大发展。目前,钛合金的研究主要集中在高温下热稳定性、蠕变抗力和低成本的钛合金设计及制造工艺等方面。随着研究的深入,将以航空高端应用带动钛合金低成本加工的技术进步,从而在根本上突破制约航空用钛合金用量和应用水平提升的成本瓶颈。全钛制造的飞机也许在不远的将来即会成为现实。
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