鈦合金在航空領域的應用及其先進連接技術的相關探討

余紹偉 羅杰 張明蕾 李靜

摘要：近年來在航空裝備制造的過程中，對新型材料和連接技術提出了很高要求，尤其是新型的鈦合金材料，具有航空領域的應用優勢，連接技術較為先進，可有效提升結構性能，減輕結構的重量，連接技術已經從原來的輔助制造轉變成為飛行制造的關鍵技術。因此，在實際工作中應該重視鈦合金在航空領域中的應用，積極采用先進的連接技術，全面提升鈦合金在航空領域中的應用效果。

關鍵詞：鈦合金;航空領域;應用;先進連接技術

0 ?引言

鈦合金屬于國家防高新技術武器裝備中較為重要的金屬結構材料，被全球很多國家應用在軍事領域中，可有效提升軍事領域中制備工作水平。我國在航空領域中也開始應用鈦合金材料，不僅可以生產出質量較高、強度高并且重量輕的結構，還能起到航空領域發展的推動作用。因此，在實際工作中應該重視鈦合金在航空領域中的應用，積極引進鈦合金材料，并合理應用其先進連接技術。

1 ?鈦合金在航空領域中的應用

1.1 飛機體中的應用分析

鈦合金屬于近年來應用在航空領域中的新型輕質材料，其應用的水平已經成為衡量飛機選材先進程度的主要標準。一般情況下，在航空領域的飛機體中應用鈦合金，可減輕飛機體的重量，并延長使用壽命。目前我國在民用飛機中已經開始采用鈦合金，例如：波音787的飛機機體上面就有15%的材料屬于鈦合金，可有效減輕機體的重量，并延長其使用壽命。從實際情況來講，飛機機體制造的過程中，鈦合金的應用范圍很廣，可以用來制作機身結構、液壓管道結構、起落架結構等等，可有效提升制作水平。

1.2 發動機中的應用

航空領域中發動機對飛機性能與可靠性會產生直接影響，也會直接反映出國家的科技水平與國防實力。目前在航空發動機中，鈦合金主要用來制作葉片、機匣等零部件，此類零部件可以在高溫的環境之下應用，強度較高，并且具有一定的高溫蠕變抗力，持久強度較為良好，可有效增強發動機的整體穩定性。近年來在航空發動機推重比逐漸提升的情況下，高壓壓氣機的出口溫度會逐漸提升，使得葉片的工作溫度增加，而經過固溶強化之后的鈦合金材料，可以承受的溫度較高，能夠有效應對高溫環境下的問題。

2 ?鈦合金在航空領域中的先進連接技術

2.1 激光焊接技術

在航空領域中飛機薄壁類型的鈦合金構件，可以采用激光焊接技術，有效提升焊接加固的工作效果。在實際工作中可以采用二氧化碳激光焊接技術措施，確定了2.5mm的激光焊接工藝參數，在可以穿透焊的情況下，二氧化碳激光焊接下的焊縫，具有釘形與近似于X形的兩種截面外貌，其焊縫的形成和焊接熱輸入與激光功率密度等存在直接聯系。在焊接熱輸入與激光功率密度逐漸增加的情況下，焊縫截面會從釘形向著X型逐漸轉變。在使用同樣工藝規范的過程中，YAG方面的激光焊縫對稱程度要比二氧化碳激光焊縫對稱程度高很多。從鈦合金激光焊接的咬邊缺陷方面來講，A-TIG活性劑應用在二氧化碳的激光焊接工作中，能夠有效預防或是改善咬邊的缺陷問題，降低深熔焊過程中的激光功率密度，并改善焊接熱輸入的閾值。在采用活性劑的過程中，可以增加鈦合金的激光能量吸收度，并降低熔池表面的張力，有助于改善相關表面張力流的方向。在采用脈沖激光技術的工作中，可為鈦合金的焊接提供很多新的工藝措施，通過脈沖激光焊接技術，可通過脈沖量控制鈦合金的焊接質量，有效改善目前的工作現狀，增強焊接的工作效果[1]。

采用鈦合金的激光焊接技術措施，焊接頭屬于非均勻體，組織與性能均有梯度變化，接頭塑性損傷和均勻材料塑性損傷都存在一定差異。在鈦合金激光焊接頭塑性損傷研究中，可以發現鈦合金的激光焊接操作中，激光熔深的焊接接頭的塑性損傷，主要的過程就是微孔洞的產生、增加與聚合。微孔洞在其中的接頭區域中呈現出不均勻的分布狀態，體積的分布會沿著焊接接頭從焊縫到母材具有非線性的分布特點。焊接接頭的微孔洞損傷規律與主要的載荷大小存在直接聯系，在載荷很小的時候，焊縫的損傷會比熱影響區域的損傷大很多，在載荷數值不斷增加的情況下，焊縫的損傷會比熱影響區中孔洞積分數值的增長速度小很多，在載荷增加到某種程度的情況下，熱影響區域的損傷程度最高[2]。

2.2 電子束焊接技術

對于電子束的焊接技術而言，主要是高能束流加工工藝，在上個世紀六十年代初期，就應用在原子能工業領域與飛機制造領域中，可進行貴重金屬的焊接處理。近年來在我國航空領域技術快速發展的過程中，已經開始采用電子束焊接技術，尤其在鈦合金零件制造中，電子束焊接技術的應用，可有效提升焊接工作效果。一般情況下，鈦合金在高溫狀態之下，會吸收氧氣與氮氣，使得接頭呈現出脆化的狀態，而使用真空電子束技術，能夠形成較為優質的焊縫，并且真空電子束焊接的過程中，具有獨特的鈦合金焊接優勢。美國在戰斗機的機身上，已經采用電子束焊接技術進行鈦合金的焊接，焊縫的長度在87mm，厚度為20mm，可見電子束焊接技術的應用，能夠延長焊縫長度，減少厚度。因此，在連接工作中應該積極采用電子束的焊接技術，提升鈦合金的焊接工作質量[3]。

2.3 摩擦焊接技術

航空領域中鈦合金材料的應用，摩擦焊接技術主要分為有線性摩擦焊接與攪拌摩擦焊接兩種，屬于新型的固相連接措施，在焊接期間不會出現變形現象，焊接頭的拉伸強度較高，可改善目前的鈦合金焊接現狀，如圖1所示，屬于鈦合金摩擦焊接的原理，在實際焊接的工作中，通過線性摩擦焊接的方式，可使得異種鈦合金材料相互連接，滿足當前航空發動機的雙性能葉盤連接需求，提升焊接工作的效果[4]。

2.4 復合焊接技術

航空鈦合金生產制造的領域中，復合焊接技術屬于新型焊接方式，目前主要采用激光與電弧兩種焊接技術進行復合焊接處理，可形成一定的協同效應，全面增加焊縫的寬度與深度，實現同軸復合的良好工作目的，具有一定的焊接應用水平。在航空領域中采用鈦合金復合焊接技術措施，與單一的激光焊接相比，可增加激光的功率，加快焊接操作的速度，焊接之后焊縫的截面外貌良好，咬邊較小。主要是其中的激光焊接技術與電弧技術相互協同，共同發揮出技術的積極作用。與此同時，還可以將TIG作為主要的焊接基礎，使用復合激光熱源的相關焊接措施，能夠提升接頭的成形質量與性能，從根本上增強焊接操作的質量。在研究中還可以發現，航空領域中采用激光-TIG電弧復合焊接技術，焊頭抗彎曲的強度會比TIG焊接焊頭高很多，可改善單一焊接技術應用的不足[5]。

3 ?結語

近年來在航空領域中已經開始采用鈦合金材料，主要應用在飛機機體與發動機方面，可減輕零件的重量，并提升制造的質量。為在航空領域中高質量采用鈦合金材料，應該積極的應用先進連接技術，通過激光焊接技術、復合焊接技術、摩擦焊接技術的應用，提升焊縫的質量與強度，打破傳統工作的局限性，優化各方面的焊接工作模式與體系，不斷增強目前的焊接操作效果與水平，將先進連接技術的作用和優勢發揮出來，使鈦合金在航空領域中得到良好應用。

參考文獻：

[1]李亞江，劉坤.鈦合金在航空領域的應用及其先進連接技術[J].航空制造技術，2015，11（16）：34-37.

[2]姜沄青.論先進鈦合金材料在航空航天領域中應用[J].科技展望，2016，55（35）：91-92.

[3]何丹琪，石顥.鈦合金在航空航天領域中的應用探討[J].中國高新技術企業，2016，22（18）：50-51.

[4]米磊.鈦合金在航空領域的發展與應用[J].城市建設理論研究（電子版），2015，55（18）：303-388.

[5]何蕾.鈦合金在航空領域的市場展望[J].金屬世界，2015，46（5）：56-198.

作者簡介：余紹偉（1986-），男，云南紅河州人，本科，高級工程師，現任貴州航天精工制造有限公司研究所副所長，重點研究方向為自鎖螺母設計及工藝技術。