航空用高強度結構鈦合金的研究及應用

辛志東 聶彥平 路天樂

摘 要：近年來，中國不斷加強航天事業的建設和發展隨著空軍軍事能力的增強和空間探索的加快，對高強度、低密度、耐高溫鈦合金和鈦基復合材料的需求也在增加。高強度結構鈦合金通常是抗拉強度大于1000MPa的合金。目前，飛機上使用的主要高強度鈦合金是Ti-15-3、β-21s、β-1023和α-β BT22型雙相鈦合金。在此基礎上，本文件全面審查和比較了廣泛應用于航空領域的Ti-15-3（TB5）、p21S（TB8）、Ti-1023（TB6）和BT22（TC18）結構鈦合金的研究現狀。

關鍵詞：高強度結構鈦合金;工藝性能;力學性能;應用分析

前言

鈦和鈦合金具有高強度、耐蝕性、低彈性模量、超彈性和形狀記憶等特點，廣泛應用于航空、航天、化學、武器裝備、生物醫學等領域。鈦合金的機械特性和功能特性可通過合金構件設計及熱處理和機械加工的微觀組織優化在更廣的范圍內進行控制。與鋼材料相比，鈦合金具有優良的機械和彈性特性，是緊固件、彈簧等零件的重要結構材料，在航天等領域發揮著重要作用。

一、鈦合金的發展現狀

航空工業使用鈦合金主要包括飛機結構用鈦合金和航空發動機用鈦合金。飛機結構主要使用鈦合金為飛機外殼、門、液壓管路和配件、起落架、皮膚、鉚釘、門、翼梁等。航空發動機主要使用鈦合金進行葉片、車輪、托盤等飛機結構中使用的鈦合金的使用溫度一般不超過350℃，在強度、耐用性、疲勞強度、焊接工藝性能等方面要求較高。例如，美國大型軍用運輸機C-17的穩定軸等關鍵部件使用高強度、高復原力的Ti-62222S鈦合金;航空發動機采用鈦合金，強調相對強度、熱穩定性、耐氧性和耐高溫流動性。例如，F-22戰斗機使用的f19發動機風扇采用寬繩空心鈦合金葉片，既能滿足性能要求，又能進一步提高推力比。飛機設計者優先選用鈦合金的一個主要方面是在保證結構質量的同時大大降低質量例如，對于水力管道，重量比鋼制管道減少多達40%。目前，航空主要采用高溫鈦合金、高強鈦合金、阻燃鈦合金等新型高性能鈦合金。其中高溫鈦合金是現代航空發動機的主要材料之一，是發展的主要方向之一。

二、鈦合金在航空領域的應用現狀

1.鈦合金在飛機機身構架中的應用

鈦合金主要用于機身框架內，用于防火墻、皮膚、框架、大梁、門、起落架、海岸、緊固件、管道、拉桿等。在使用初期，鈦合金主要用于低強度結構構件，如飛機支架、接頭、底盤、隔熱板、減速板等。成型零件很多，其中鈦合金最早的是卷筒軌道。這些相對簡單的非關鍵部件最初在飛機上的應用證明了在飛機上使用鈦合金的可靠性。自1980年代以來，隨著鈦合金材料的形成技術和質量的顯著提高，許多載體已經開始使用鈦合金，如波音飛機上的CF6-80發動機安裝支架，這些支架很難操作。近年來，美國、俄羅斯和其他發達國家增加了飛機機身上鈦合金的使用。在軍用飛機方面，鈦合金的消費量增長很快。特別是近年來隨著航空工業的迅猛發展，碳纖維復合材料已經成為了商用飛機和軍用飛機的主要結構材料，由于鈦合金和碳纖維復合材料良好的匹配性，首先，鈦合金和碳纖維復合材料的化學相容性高，不會發生電偶腐蝕作用，其次，鈦合金和碳纖維復合材料具有相近的熱膨脹系數，當溫度變化較大時，碳纖維復合材料和鈦合金組成的飛機結構不會產生變形不一致的問題。由復合材料和鈦合金搭配的飛機結構，涵括了碳纖維復合材料與鈦合金二者輕質和高強度的優點，它們已經在飛機上得到了大量的應用，而航空產品中碳纖維復合材料和鈦合金用量的多少也已經成為衡量飛機先進性的重要指標之一，最先進的客機波音787復合材料占比達50%，鈦合金量也達到了15%，隨著航空工業的發展，它們的使用量將繼續增大。

2.鈦合金在航空發動機中的應用

噴氣發動機是飛機的心臟，其部件在高溫高壓環境下進行測試，要求合金在650 c以下具有良好的耐高溫、流化和氧化性能。鈦合金是最佳選擇，因為鋁合金的使用溫度 鈦合金由于其優異的特性，越來越多地用于飛機上，可用于壓縮機葉片、靜態葉片、移動葉片、機床托盤、燃燒室托盤、排氣裝置托盤、中央機體、噴嘴、機床托盤等。 在反應引擎里。其中，葉片和機床托盤等零件目前正在鈦合金中。隨著航空發動機推力和剛度要求的提高，以及鈦合金的一些關鍵結構部件必須轉變為整個鈦合金結構的精密鑄造零件，精密成型技術得到了充分發展。

三、工藝性能

1.熔煉工藝

Ti-15-3（TB5）合金的名義成分為Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al。雖然β穩定成分含量較高，但由于缺少折射成分，在真空的獨立弧爐中兩次熔煉過程中可得到均勻成分。為確保技術條件中規定的氧含量不超過0.13%，應選用0-1級海綿鈦、85% v-15% al中間合金和優質Sn-Ti中間合金。β21S（TB8）合金的指定成分為ti-15mb-3Al-2.7Nb-0.2 si，且合金在高熔點含有大量β-晶體mo和nb元素。為了確保成分的一致性，合金元素必須以母合金的形式添加。

2.鍛造及成形性能

Ti-15-3、Ti-1023、p21S和BT22合金的β過渡溫度相對較低：分別為760 c、800 c、815 c和870 c。因此，它們可以在相對較低的溫度下鍛造，并且具有良好的鍛造工藝可塑性。Ti-15-3合金也具有優良的超塑性成形性能，可用作冷軋機或固體溶解處理板。

3.熱處理

Ti-15-3和β21S合金板采用連續固體回收處理，但冷形成后，應在真空爐中對零件進行約束和規定。it-15-3的典型處方系統為520℃，10h，爐冷;β21S具有670℃、8h的典型處方系統，采用窯爐冷卻。Ti-1023合金通過處理固體溶解時間得到增強。固體溶解處理的選擇不得低于28 ～ 56℃的β轉變溫度，隔熱層不得小于30分鐘，水（厚度小于或等于25毫米的鍛件允許用空冷代替水），震波截面厚度應根據性能要求選擇固化處理和處方的具體溫度。當需要較高強度時，應使用較高的固體處理溫度和較低的規定溫度。當您需要更高的可塑性和抗斷裂能力時，您需要選擇較高的實體制程溫度和規定溫度。

4.焊接性能

β21s ti-15-3和beta-21s合金板適用于點焊和點焊。零件的焊接可以排定在制造前置時間之前或之后，以獲得滿意的焊接效能。Ti-1023和BT22合金可以用氬弧焊、電子束和等離子體焊接。

5.綜合評估及潛力分析

Ti-15-3合金具有類似于工業純鈦的冷成形特性。主要用于制造各種高強度鈑金零部件，最高工作溫度為290℃。由于β-21s合金具有較高的抗氧化性和抗熱油腐蝕性，美國計劃用部分點燃f1119發動機alloyc合金（Ti-35V-15Cr公稱成分）的鈦β-21s合金取代β-21s合金，最高工作溫度為550 c。ti-合金但是，冶煉過程并不容易控制，鐵兩極分化造成的斑點可能導致半成品質量不穩定。此外，Ti-1023合金是一種固體溶解時間強化合金，其零件尺寸受料斗的限制，且截面厚度通常不超過100mm。

結束語

綜上所述可知，航空鈦合金的研究和生產已經成熟并商業化，低成本航空鈦合金將受到高度重視。除了控制生產過程和提高成功率之外，材料本身也需要改進。在鑄造領域，可以通過開發低成本、穩定的氧化物鑄造材料來降低鑄造成本。通過降低成本，將鼓勵在航空中使用鈦。

參考文獻：

[1]知壽，王新南，童路，等.航空用損傷容限型鈦合金研究應用[J].中國材料進展，2010，29（5）：14-l7.