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探讨新型钛合金技术在航空航天领域中的应用

发布时间:2016-09-12

来源:中国腐蚀与防护网

近几年,受全球能源危机的影响,我国在航空航天的发展过程中,对符合其标准、高强度、耐高温的新型结构材料的需求量日渐紧张,钛及其钛合金由于具有良好的金属性质,促使了这一复合材料在航空航天的领域中的广泛推广和应用,但是也受到其加工效率和生产成本的制约。伴随着钛合金的开发和研制,钛材料品种的争夺以及价格的降低,使钛在工业建造中的应用范围成倍增加。在航空航天的领域中,钛的使用大国基本集中在西方国家,尤其是率先完成第二次工业革命的美国、英国等国家,他们将50%以上的钛材料运用在航空航天的事业中。但是相比之下,亚洲国家包括我国在航空航天的领域中钛的投入量只有10%左右。但是近几年随着亚洲国家在航空航天领域的飞速发展,钛在航空航天的消费量将会随之增长,因此这种新型的钛合金金属将会成为目前乃至今后我国重点研究的对象。

1 钛合金简介

新型钛合金就是将钛当作基础形式,以融入其他的合金元素或者是材料所构成的复合金属称之为钛合金。钛合金在不同结构和特性上可以分为多种。相比其他复合材料来说,新型钛合金有着密度较低、韧性强、抗腐蚀性能高等金属属性,使其成为最理想的航空航天工程结构的材料。

2 钛合金的发展

自18世纪末年开始发现钛到现在为止已经有200多年的历史了。但是由于钛金属的熔点较高,并且化学性质十分活泼,所以导致塑性良好的纯钛很难制取。钛锭必须要在真空中进行冶炼,在冶炼的过程中制造工艺复杂,从而使得钛及其合金长期不能被广泛地用于工业生产和工业建造。随着科学技术和经济的不断发展,对涉及航空航天发展所运用的材料也有了进一步的探索和研究,从而推进了钛工业取得了迅速的发展,钛及钛合金的金属属性决定了钛合金主要的应用与发展。概括起来,钛及钛合金主要有以下的金属特性:

第一,相对于其他的复合材料,钛的金属特征具有密度小、强度性高等特点。其密度正好在铝和铁之间,但是在强度和韧性这一方面,钛合金远远高于铝和钢。

第二,钛合金在使用和加工过程中所面临的温度程度较为广阔,所以在加工和使用过程中,当温度降低到-200℃多时,它依旧可以保持原有的塑形,而在高温加工的状态或者是在高温环境的使用过程中,它所承受的高温可以达到500℃多,由此可见,在耐热程度上远高于铝合金和镁合金。假如,在使用和加工过程中,能够避免或者是防止更高温度环境下因为氧化所引发的环境污染问题,那么它将可能会得到更进一步的发展。

第三,钛及钛合金还具有优良的抗腐蚀性,特别是在海水和海洋大气环境中抗腐蚀性极高,从而使得钛及钛合金在舰艇船舶和飞机上的应用具有较大的竞争力。

第四,钛具有非常高的化学性质,在高温加工的过程中非常容易受到氢、氧、氮所引发的污染问题,使得它在冶炼和加工的过程中受到约束和限制,从而让生产成本变得相对较高。

第五,相对于其他的复合材料,钛合金的导热性较差,并且具有相对较低的抗磨性能。因此导致了在切削加工的工作过程中,避免不了由于工件及刀具的温度升高所引发出现的黏刀的现象。

3 钛合金在航空航天领域中的应用

3.1 钛在早期航天事业发展的应用范围

应用于航空、航天的钛合金材料叫做钛合金铸件,其应用范围非常广泛,在物件接头,一些铆件、铸件都有。钛合金在制作飞机的过程中,其主要运用在发动机压气机部件的组成零部件上,其次是在火箭的研发以及一些武器结构件。进入21世纪中期,钛及其钛合金已经在一般的工业领域中广泛应用。

3.2 钛合金在飞机机架的革新

钛合金是航空航天工业中使用的一种新的重要结构材料,比重和使用温度介于铝和钢之间,但是其比强度高并具有优异的抗海水腐蚀性能和超低温性能。20世纪60年代开始钛合金的使用部位从后机身移向中机身、部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。随着国防力量的不断建设,钛合金在军用飞机中的用量迅速增加。在整架飞机结构总重量中,钛合金的重量就占据了20%~25%。随着时间的推移,为了满足社会的需求,民用飞机也开始大量使用钛合金,比如在波音747客机上,钛用量的重量达到了3600千克以上。对于那些马赫数小于2.5的飞机,钛的应用主要是为了代替钢的使用量,从而减轻飞机结构的重量。又如美国SR-72系列的高空高速侦察机,它的飞行马赫数为3.0,飞行的高度更是达到了26200米,在它的建造过程中,钛合金是重要的结构材料,钛合金更是占到了飞机结构重量的91%,被称为“全钛”飞机。

3.3 钛合金气压机

当航空发动机的推重比从4~6提高到8~10的时候,压气机出口的温度也将随之相应地从200℃~300℃增加到500℃~600℃,那么原来由铝来制造的低压压气机盘和叶片就必须要改用以钛合金来制造或者是用钛合金替换不锈钢制造高压压气机盘和叶片,从而达到减轻飞机结构重量的目的。从20世纪70年代开始,钛合金在航空发动机中的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。而航天器主要是利用钛合金的高比强度、耐腐蚀和耐低温性能金属特性,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。 

3.4 钛合金旋压件的应用

在航空航天的领域中,将钛合金投入到航天飞行器系统的使用,不仅是因为钛合金具有较强的组织特性和良好的物理性能,更重要的是具备轻量及精密化的特征。新型钛合金旋压件的质量可靠性需要进行多次试验的数据分析。由于钛合金板材的成形方面极其复杂,所以使得航天703将TC4作为钛合金板材的基础,采取普旋和强力旋压相结合的方法制造出新型钛合金的半圆球体,同时将TC3和TC4作为钛合金板材的配料,以热旋压作为技术手段制造出两种新型钛合金半球体。

3.5 在燃气发动机中的应用

在航空航天领域中,钛合金还有一大主要的应用领域,那就是在飞机的发动机制造中的应用。目前为止,我国的现代飞机所用的燃气涡轮发动机的结构质量其中有1/3就是由钛合金所组成的。但是,根据相关数据发现早在20世纪40~50年代,一些在工业发达的国家,比如美国和英国,这两个国家在早期生产飞机的过程中就应用了钛合金技术来改进喷气式发动机的结构部件。最早的钛合金发动机部件就是压缩机叶片,随后钛合金压缩盘也紧跟着迅速发展。现如今,大多数喷气式的发动机所使用的风扇叶片都是新型钛合金制成的。

3.6 高温钛合金的应用

由于高温的钛合金有着较强的热强性和高比强度的特性,促使了它在航空发动机上的广泛应用。高温钛合金在飞机发动机上主要运用在发动机的风扇、叶片、精密的仪表或者是导航仪。运用钛合金来替代原有的镍基高温合金,促使压气机的结构重量降低30%~35%。多年以来,为了满足高性能发动机的需求,就形成了一套健全的钛合金体系。

4 航空航天工业中钛合金的加工难点

目前,航空航天事业的不断发展,为了达到减轻飞机重量这一目的,促使了在航空航天发展过程中对符合其标准的材料需求越来越严峻,钛以及钛合金与普通材料对比之下,钛合金这种复合材料重量更轻、强度和韧性更高。但在加工的过程中,特别是在切削加工过程中,它们各自面临着不同的加工难题和困扰。在切削加工的工作过程中,制造商一定要尽可能达到最高的质量水平。即使存在对领部构件成本的堪忧,但在很多情况下,如何生产出高质量的零部构件是优先考虑的事项,其次才是如何提高生产率。

5 结语

目前,我国的科学技术手段已经基本满足了小型钛合金的旋压工艺技术的要求。但是由于钛合金是一种新型的金属,尤其是它本身化学活性很高,非常容易受到氢、氧、氮的污染影响,从而导致对其难以冶炼和加工,使得生产成本变得相对较高。在钛合金的应用过程中,它还有一些其他的优良性能并未得到充分的验证,导致了在它使用的过程中具有一定的局限性。虽然在航空航天发展的过程中面临着使用高性能复合材料的挑战,但是随着航空航天产业的快速发展,新型的钛合金技术将会步入一个新的发展时期,它的旋压成形技术将会在航空航天以及其他的领域中具有更加广阔的发展空间和运用范围。


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