航空航天领域的钛合金应用

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                  目前,航空航天领域为钛合金应用的主要终端市场。1950年美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。60年代中期,钛合金的使用部位从后机身移向中机身,制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件,部分取代原有的结构钢,从而迅速增加钛合金在飞机中的用量占比,达到飞机结构重量的20%~25%。70年代初期开始,民用飞行器开始大量使用钛合金,如波音747客机用钛量达3640公斤以上;飞行速度低于2.5马赫的飞行器广泛以钛代钢,减轻结构重量。美国SR-71高空高速机(飞行马赫数为3,飞行高度26212米),钛占飞机结构重量的93%,号称"全钛"飞机。与此同时,随着航空发动机推重比要求的不断提高(从4~6提高到8~10),压气机出口温度也相应地从200~300°C增加到500~600°C,直接导致原有铝制低压压气机盘和叶片必须改用高温钛合金,并且高压压气机盘和叶片也需以钛合金代替不锈钢,从而减轻结构重量达到要求。

                  70年代,航空发动机中的钛合金用量一般占结构总重量的20%~30%,主要用于制造压气机部件,如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、铸钛压气机机匣、中介机匣、轴承壳体等。航天器主要利用钛合金的高比强度,耐腐蚀和耐低温性能来制造各种压力容器、燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架和火箭壳体。人造地球卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机也都使用钛合金板材焊接件。

                  钛合金主要有以下特点:

                  1. 热强度高,使用温度比铝合金高几百度,在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450~500℃的温度下长期工作这两类钛合金在150℃~500℃范围内仍有很高的比强度,而铝合金在150℃时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达500℃,铝合金则在200℃以下。

                  2. 抗蚀性好,钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作,其抗蚀性远优于不锈钢;对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强;对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。

                  3. 低温性能好,钛合金在低温和超低温下,仍能保持其力学性能。低温性能好,间隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性。因此,钛合金也是一种重要的低温结构材料。

                  4. 化学活性大,钛的化学活性大,与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2%时,会在钛合金中形成硬质TiC;温度较高时,与N作用也会形成TiN钛合金制品

                  5. 硬质表层,在600℃以上时,钛吸收氧形成硬度很高的硬化层;氢含量上升,也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1~0.15 mm,硬化程度为20%~30%。钛的化学亲和性也大,易与摩擦表面产生粘附现象。

                  但是,由于钛合金冷变形塑性抗力大、热变形加工温度、熔融态活性强等特点,如果采用造型铸造、等温锻造等工艺制备结构复杂、综合性能优异的钛合金零部件,不仅会加重零件制备成本,而且会导致材料利用率低、生产周期漫长。因此,有必要寻求一种新型的钛合金加工工艺。


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