航空用高强度结构钛合金的研究及应用

辛志东 聂彦平 路天乐

摘 要：近年来，中国不断加强航天事业的建设和发展随着空军军事能力的增强和空间探索的加快，对高强度、低密度、耐高温钛合金和钛基复合材料的需求也在增加。高强度结构钛合金通常是抗拉强度大于1000MPa的合金。目前，飞机上使用的主要高强度钛合金是Ti-15-3、β-21s、β-1023和α-β BT22型双相钛合金。在此基础上，本文件全面审查和比较了广泛应用于航空领域的Ti-15-3（TB5）、p21S（TB8）、Ti-1023（TB6）和BT22（TC18）结构钛合金的研究现状。

关键词：高强度结构钛合金;工艺性能;力学性能;应用分析

前言

钛和钛合金具有高强度、耐蚀性、低弹性模量、超弹性和形状记忆等特点，广泛应用于航空、航天、化学、武器装备、生物医学等领域。钛合金的机械特性和功能特性可通过合金构件设计及热处理和机械加工的微观组织优化在更广的范围内进行控制。与钢材料相比，钛合金具有优良的机械和弹性特性，是紧固件、弹簧等零件的重要结构材料，在航天等领域发挥着重要作用。

一、钛合金的发展现状

航空工业使用钛合金主要包括飞机结构用钛合金和航空发动机用钛合金。飞机结构主要使用钛合金为飞机外壳、门、液压管路和配件、起落架、皮肤、铆钉、门、翼梁等。航空发动机主要使用钛合金进行叶片、车轮、托盘等飞机结构中使用的钛合金的使用温度一般不超过350℃，在强度、耐用性、疲劳强度、焊接工艺性能等方面要求较高。例如，美国大型军用运输机C-17的稳定轴等关键部件使用高强度、高复原力的Ti-62222S钛合金;航空发动机采用钛合金，强调相对强度、热稳定性、耐氧性和耐高温流动性。例如，F-22战斗机使用的f19发动机风扇采用宽绳空心钛合金叶片，既能满足性能要求，又能进一步提高推力比。飞机设计者优先选用钛合金的一个主要方面是在保证结构质量的同时大大降低质量例如，对于水力管道，重量比钢制管道减少多达40%。目前，航空主要采用高温钛合金、高强钛合金、阻燃钛合金等新型高性能钛合金。其中高温钛合金是现代航空发动机的主要材料之一，是发展的主要方向之一。

二、钛合金在航空领域的应用现状

1.钛合金在飞机机身构架中的应用

钛合金主要用于机身框架内，用于防火墙、皮肤、框架、大梁、门、起落架、海岸、紧固件、管道、拉杆等。在使用初期，钛合金主要用于低强度结构构件，如飞机支架、接头、底盘、隔热板、减速板等。成型零件很多，其中钛合金最早的是卷筒轨道。这些相对简单的非关键部件最初在飞机上的应用证明了在飞机上使用钛合金的可靠性。自1980年代以来，随着钛合金材料的形成技术和质量的显着提高，许多载体已经开始使用钛合金，如波音飞机上的CF6-80发动机安装支架，这些支架很难操作。近年来，美国、俄罗斯和其他发达国家增加了飞机机身上钛合金的使用。在军用飞机方面，钛合金的消费量增长很快。特别是近年来随着航空工业的迅猛发展，碳纤维复合材料已经成为了商用飞机和军用飞机的主要结构材料，由于钛合金和碳纤维复合材料良好的匹配性，首先，钛合金和碳纤维复合材料的化学相容性高，不会发生电偶腐蚀作用，其次，钛合金和碳纤维复合材料具有相近的热膨胀系数，当温度变化较大时，碳纤维复合材料和钛合金组成的飞机结构不会产生变形不一致的问题。由复合材料和钛合金搭配的飞机结构，涵括了碳纤维复合材料与钛合金二者轻质和高强度的优点，它们已经在飞机上得到了大量的应用，而航空产品中碳纤维复合材料和钛合金用量的多少也已经成为衡量飞机先进性的重要指标之一，最先进的客机波音787复合材料占比达50%，钛合金量也达到了15%，随着航空工业的发展，它们的使用量将继续增大。

2.钛合金在航空发动机中的应用

喷气发动机是飞机的心脏，其部件在高温高压环境下进行测试，要求合金在650 c以下具有良好的耐高温、流化和氧化性能。钛合金是最佳选择，因为铝合金的使用温度 钛合金由于其优异的特性，越来越多地用于飞机上，可用于压缩机叶片、静态叶片、移动叶片、机床托盘、燃烧室托盘、排气装置托盘、中央机体、喷嘴、机床托盘等。 在反应引擎里。其中，叶片和机床托盘等零件目前正在钛合金中。随着航空发动机推力和刚度要求的提高，以及钛合金的一些关键结构部件必须转变为整个钛合金结构的精密铸造零件，精密成型技术得到了充分发展。

三、工艺性能

1.熔炼工艺

Ti-15-3（TB5）合金的名义成分为Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al。虽然β稳定成分含量较高，但由于缺少折射成分，在真空的独立弧炉中两次熔炼过程中可得到均匀成分。为确保技术条件中规定的氧含量不超过0.13%，应选用0-1级海绵钛、85% v-15% al中间合金和优质Sn-Ti中间合金。β21S（TB8）合金的指定成分为ti-15mb-3Al-2.7Nb-0.2 si，且合金在高熔点含有大量β-晶体mo和nb元素。为了确保成分的一致性，合金元素必须以母合金的形式添加。

2.锻造及成形性能

Ti-15-3、Ti-1023、p21S和BT22合金的β过渡温度相对较低：分别为760 c、800 c、815 c和870 c。因此，它们可以在相对较低的温度下锻造，并且具有良好的锻造工艺可塑性。Ti-15-3合金也具有优良的超塑性成形性能，可用作冷轧机或固体溶解处理板。

3.热处理

Ti-15-3和β21S合金板采用连续固体回收处理，但冷形成后，应在真空炉中对零件进行约束和规定。it-15-3的典型处方系统为520℃，10h，炉冷;β21S具有670℃、8h的典型处方系统，采用窑炉冷却。Ti-1023合金通过处理固体溶解时间得到增强。固体溶解处理的选择不得低于28 ～ 56℃的β转变温度，隔热层不得小于30分钟，水（厚度小于或等于25毫米的锻件允许用空冷代替水），震波截面厚度应根据性能要求选择固化处理和处方的具体温度。当需要较高强度时，应使用较高的固体处理温度和较低的规定温度。当您需要更高的可塑性和抗断裂能力时，您需要选择较高的实体制程温度和规定温度。

4.焊接性能

β21s ti-15-3和beta-21s合金板适用于点焊和点焊。零件的焊接可以排定在制造前置时间之前或之后，以获得满意的焊接效能。Ti-1023和BT22合金可以用氩弧焊、电子束和等离子体焊接。

5.综合评估及潜力分析

Ti-15-3合金具有类似于工业纯钛的冷成形特性。主要用于制造各種高强度钣金零部件，最高工作温度为290℃。由于β-21s合金具有较高的抗氧化性和抗热油腐蚀性，美国计划用部分点燃f1119发动机alloyc合金（Ti-35V-15Cr公称成分）的钛β-21s合金取代β-21s合金，最高工作温度为550 c。ti-合金但是，冶炼过程并不容易控制，铁两极分化造成的斑点可能导致半成品质量不稳定。此外，Ti-1023合金是一种固体溶解时间强化合金，其零件尺寸受料斗的限制，且截面厚度通常不超过100mm。

结束语

综上所述可知，航空钛合金的研究和生产已经成熟并商业化，低成本航空钛合金将受到高度重视。除了控制生产过程和提高成功率之外，材料本身也需要改进。在铸造领域，可以通过开发低成本、稳定的氧化物铸造材料来降低铸造成本。通过降低成本，将鼓励在航空中使用钛。

参考文献：

[1]知寿，王新南，童路，等.航空用损伤容限型钛合金研究应用[J].中国材料进展，2010，29（5）：14-l7.