淺談鈦合金焊接結構在先進飛機中的應用及發展

毛艷蕾 趙國慶 陳澤龍

91206部隊 山東 青島 266108

1 鈦合金的焊接技術

1.1 鈦合金的特點

在近20年的飛機制造業發展中，鈦合金結構的應用中，全面提高了飛機結構的質量，主要依托鈦合金本身具備的特殊性能。對鈦合金這種特殊材料來說，其具備以下特點：①首先，鈦合金的密度很小，室溫狀態下，鈦元素的密度僅為4.5g/cm3，相當于鋼材料的60%，并且鈦合金的屈服極限與抗拉強度都要比鋼材料與鋁材料高很多。②其次，鈦合金具有超強的韌性，及時在500℃的高溫環境下，鈦合金已然能夠展現出良好的耐腐蝕能力，同時熱傳導率也比較低，彈性模量也很低，僅為鋼材料的55%。③再次，鈦合金還具有良好的抗裂紋生長能力以及抗腐蝕了，材料強度也比較大，能夠展現出良好的耐熱性和持久強度。④最后，鈦合金還具有超高的熔點，最高溫度可以達到1668℃，同時線性膨脹系數較小，鈦元素本身為同素異構特性，在常溫狀態下呈密排六方結構，當溫度超過882.5℃時，呈現體心立方結構[1]。

1.2 鈦合金焊接技術存在的問題

鈦合金作為一種特殊的合金材料，其具有十分活潑的金屬性質，同時又是高熔點材料。在一般情況下，鈦合金的多晶體材料能夠展現出良好組織與性能，并且憑借其優越的物理特性和化學特性，使得鈦合金在焊接過程中具有特殊的工藝特點。鈦合金是的力學性能對組織的要求很大，在焊接過程中需要經過復雜的化學過程，包括加熱、熔化、反應、冷卻和固相等環節，并且每個環節都要對溫度和成分進行合理把控，對條件的要求比較苛刻，同時在焊接過程中也會出現熱收縮、膨脹、參與變形的問題，不但改變了材料本身的性質，同時也會產生有害氣體，甚至造成接頭硬化、裂紋和殘余應力的問題，導致鈦合金材料性能改變，所以，鈦合金焊接技術過程十分復雜，主要的問題也包括以下幾點：①首先，鈦合金材料很容易出現氧化現象，當溫度達到300℃、500℃、600℃時，會不斷吸收氫、氧、氮，然后引發氧化反應，特別是在鈦合金的高溫狀態下，對氫、氧、氮元素極具親和力，能夠加快氧化反應，降低接頭的塑性。②其次，鈦合金的熔點在室溫達到熔點的溫度變化中，實現了同素異構的轉變，當溫度低于882.5℃時，鈦合金又以密排六方結構存在，當溫度升高至882.5℃時時，鈦合金呈體心立方結構存在。由此可見，在高溫焊接環境下，鈦合金的結構常數發生了改變，影響了體積變化，從而熱影響鈦合金的性能。③最后，鈦合金是一種頁數的鑄態組織，具有輸送、粗晶、氣孔和偏析等缺陷，尤其是當溫度超過300℃焊接時，會吸收大量雜質，從而產生較高的靜壓力。

2 國外飛機上鈦合金焊接結構的應用

目前最優秀的飛機國外高度重視它的制造水平，用以滿足長距離作戰需求，戰機注重新材料和新結構的運用，從而人更好地發揮出他的高機動型與高速飛行，同時也滿足隱身能力，飛機主要采用多種不同型號的鈦合金結構，包括Ti-6-4ELI、Ti-6-222、Ti-10-2-3、Ti-15-3、Ti-3-2.5等六種鈦合金。此外，針對鈦合金材料的經歷、可塑性、疲勞特性、焊接性能、隱身性能和機械加工特點進行測試研究，從而實現各個因素的平衡。Ti-6-4ELI鈦合金材料具有良好的韌性，在退火狀態下應用，能夠表現出卓越的損傷容限與加工特性，在飛機中應用大量的Ti-6-4ELI鈦合金結構，能夠發揮出良好的性能效果。國外一直沒有停止先進飛機的鈦合金材料研究，并高度重視鈦合金結構的工藝水平，在50-70年代初期，國外就在鈦合金制造領域取得了巨大的成果，并不斷的應用到飛機制造領域中，針對不同的機體結構需求，從非承力構件到重要承力構件，從板材擴大到型材，最終實現大型鍛件，在壁板、翼肋環節中實現了鈦合金結構的應用，并結合不同部位的特點，實現了良好的焊接結構。國外在航天工業發展中實現了先進的焊接技術，并一直處于世界領先行業，近年來實現了飛速發展，認為鈦合金焊接結構是先進飛機在不可缺少的重要結構，全面研究鈦合金焊接結構的應用價值，積極探索鈦合金焊接植被技術手段，促進新型飛機的性能水平提升[2]。

3 鈦合金焊接結構在我國現今飛機中的應用

隨著我國經濟水平的不斷提升，在航空航天事業上取得了較大的突破，近年來，我國不斷發展航空工業，并在飛機的制造中廣泛應用鈦合金材料結構，并對一些鈦合金緊固件實現了全面發展，我國戰機飛機中，鈦合金結構材料的運用能夠實現良好的疲勞性、損傷容限、耐腐蝕性，同時建造成本也在可接受范圍內，實現了結構整體化與輕量化性能的發展。在我國的飛機中選擇了6個鈦合金牌號，其中包括低強高塑性、中強中韌性、中強高韌性、高強高韌性和系統用材等，并憑借著鈦合金自身的結構特點，廣泛應用在機身、機翼、吊掛和接頭處，發揮出了綜合力學性能優勢，推動了我國航空航天領域的發展。

4 鈦合金焊接結構的應用發展

隨著鈦合金的不斷研究與開發，逐步成為輕型結構的重要材料，目前，鈦合金焊接結構的應用越來越廣泛，特別是在航空航天領域中，占據了重要的地位，同時對鈦合金的結構和性能進行了全面優化，促進了先進飛機的應用和發展。在現階段的大型軍用飛機中，對尺寸和速度提出了更好的要求，同時還要具備高機動性，因此，鈦合金焊接結構的研究，解決了航空制造的關鍵問題，也體現出了明顯的焊接優勢，焊接技術也由原來的非戶主制造變成了飛機制造的關鍵技術，促進了新型飛機的設計與發展。