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钛合金在航空航天及武器装备领域的应用与发展

时间:2017-07-23 16:59:20  来源:钢铁研究学报  作者:刘全明,张朝晖,刘世锋,杨海瑛

    钛合金因比强度大、抗腐蚀性好、温度适应范围广、无磁性、高韧性、可焊接等突出特性,在航空、航天、军事、化工、冶金、医疗、海水淡化、海洋石油开采、日常用品等领域有较广泛的应用,拥有“太空金属”、“海洋金属、“未来金属、“智能金属”等美誉。钛合金是一种对发展国防高新技术武器装备有重要作用的新型金属结构材料,已被世界多个军事强国列为重点发展的21世纪具有战略意义的新型结构金属材料。随着国民经济持续快速发展,钛合金已在航空航天及武器装备领域获得普遍应用,中国对钛合金的需求量更是以每年20%~30%的速度增加。

钛合金在航空航天领域中的应用

1.1  在飞机上的应用

    钛合金在航空航天领域的应用,主要是利用其优异的综合力学性能、密度小和良好的抗腐蚀性能,如用于制造喷气发动机的钛合金要求有高温抗拉强度和稳定性,并结合良好的蠕变、疲劳强度和断裂韧性。钛合金是继钢铁和铝合金以后应用于航空航天领域的又一种新型轻质结构材料,它的应用水平已成为衡量飞机选材先进程度的一个重要标志。钛合金是飞机机体和发动机的重要结构材料之一,作为减重效果良好的机体材料,近50年来钛合金在商用及军用飞机领域的用量伴随各自产品的升级换代呈稳步增长趋势。在军用飞机方面,国外第3代战斗机用钛量占机体结构总质量的20%~25%,美国第5代战斗机F-35用钛量已高达27%F-22战机用钛量更是高达41%。美国运输机用钛量也由早期服役的C56%增至C1710.3%,俄罗斯伊尔76运输机用钛量更是达到了12%。在民用飞机方面,钛合金用量也在逐步增长,空客飞机钛用量已从第3A3204.5%增至第4A3406%A380的用钛量增加到了10%,单机用钛量就达60t,而即将问世的A350客机的钛用量进一步提高到14%左右。波音飞机用钛量已从最初波音7070.5%增至波音78714%,用钛量增速基本与空客飞机保持同步

    现代飞机上钛合金的应用范围越来越广泛,主要有飞机机身、液压管道、起落架、座舱窗户框架、蒙皮、紧固件、舱门、机翼结构、风扇叶片、压缩机叶片等。为防止飞机外部蒙皮潜在的疲劳裂纹出现突发扩展,一般飞机机身采用钛合金做成薄且窄的环状结构;为使飞机液压管道减重40%,多采用易变形且强度足够高的两相Ti-3Al-2.5V合金;因高强度钢具有应力腐蚀敏感性,在飞机上使用寿命较短,起落架大多都采用钛合金制造,如波音777起落架几乎都采用TIMETAL10-2-3锻件制造;由于飞机存在潜在的高载荷冲击,如气流或飞鸟,座舱窗户框架多采用有足够强度的钛合金锻件制造;钛合金与碳纤维复合材料有相近的热膨胀系数,化学相容性较高,从而可避免化学腐蚀,因此优先选择钛合金作为与碳纤维复合材料的连接件和支撑件;因飞机蒙皮表面与空气摩擦产生高温,大多数铝合金抗高温能力无法达到要求,蒙皮也多采用钛合金制造;由于钛合金质量轻、强度高、耐腐蚀、低导磁率等优良特性,在飞机上钛合金紧固件的用量不断增加,以计划于2014年首飞的国产商用大飞机C919为例,单机钛合金紧固件用量达20万件以上,按2018年达到年产150架计算,总需求量达3000万件。

    燃气涡轮发动机是航空钛合金应用的主要领域,现代涡轮发动机结构质量的30%左右为钛合金,最早应用钛合金的发动机部件是压缩机叶片,现代喷气式发动机大型前端风扇叶片也由钛合金制成。发动机设计时采用钛合金材料,可进一步降低压缩机叶片和风扇叶片的质量,同时还可延长部件的寿命和检修周期,从而保证飞机的安全稳定性,如波音747-8GENX发动机风扇叶片的前缘与尖部,采用了钛合金护套,在10年使用过程中仅更换过3次,风扇叶片在波音777客机上经受住了严格考验。

1.2  太空应用

    随着人类探索太空步伐的加快,对航天飞行器的要求越来越高。航天飞行器在超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀等极端条件下工作,除依靠优化机体结构设计外,还依赖材料所具有的优异特性和功能在航天工业中,因钛合金集航天产品所需的特质于一身,在制造燃料储箱、火箭发动机壳体、火箭喷嘴导管、人造卫星外壳等方面得到了典型应用,例如燃料储箱制备可将钛合金板塑性成形为半球状,通过扩散连接和常规焊接,降低其加工程度,从而制备燃料储箱;卫星舱半球形壳体可采用Ti-15-3合金通过简单旋压成形工艺生产等。钛合金在太空领域的应用虽有一定局限性,但近几年用量也呈稳步增长趋势。

钛合金在武器装备领域中的应用

    除上述航空航天方面的应用外,钛合金在舰船、战车、坦克、火炮、导弹等武器装备领域也获得了普遍应用。在舰船方面,钛合金除能达到减重和耐腐蚀的要求外,还具备高冲击韧性、高耐应力腐蚀性能和高断裂韧性等特质,主要应用部位有:耐压壳体、螺旋桨、管道系统、热交换器、发动机零部件、升降装置及发射装置、声纳系统、系泊装置等。俄罗斯、美国、日本、法国、中国都在不同程度上用钛合金作为舰船材料,在钛合金使用规模和应用技术上,俄罗斯领先于其他国家。如俄罗斯阿库拉级攻击核潜艇、塞拉级攻击核潜艇、阿尔法级核潜艇、苏联台风级潜艇均采用钛合金材料建造,其中阿尔法级核潜艇用钛量达3000t,苏联台风级潜艇采用钛合金双壳体结构,两层壳体间距约为3m,大大增强耐水下冲撞能力,每艘台风级潜艇的用钛量约9000t

    世界上现役或在研武器装备中,很多都使用了钛及钛合金结构件,随着现代化战争模式的转变,强烈要求军队有突出的快速机动能力,如对于陆军战车来说必须要求其质量轻、运输方便、机动性能好,钛合金代替传统战车中的装甲钢零件,有效实现了陆军粗重武器装备的轻量化。美国M1A1“艾布拉姆斯”主战坦克在发动机顶盖、武器对抗防护盖、炮塔枢轴架、进出舱口等部位用钛合金部件替换了钢制部件,减重可达475kg。钛合金在火炮领域的发展前途同样光明,如美国的M777轻型榴弹炮,使用钛合金外壳,战斗全质量降至3.175t,可以使用V22或者C130空运,达到快速机动的能力;英国的UFH超轻型155mm火炮,钛合金用量达到总质量的25%以上。钛合金铸件在导弹的尾翼、弹头壳体、火箭壳体和连接座等部位的使用也比较普遍,它的密度小、比强度高,抗腐蚀和易成形的优点非常适应导弹制造的需要。

钛合金发展前景分析

    国内对于钛合金研究多,应用少的现象比较突出,由于钛合金自身的加工特性,采用传统制造技术进行加工存在周期长、利用率低、成本高等劣势,这使其在航空航天及武器装备领域的普遍应用受到限制。近几年,中国钛合金已由完全仿制过渡到创新与仿制相结合的新阶段,在高温钛合金、高强钛合金、耐蚀钛合金、阻燃钛合金、低温钛合金的开发上取得重大突破。在钛合金材料加工方面,随着激光成形及修复技术(LRF/LR)、超塑性成形/扩散连接技术(SPF/DB)的出现,提高了钛合金材料的利用率,缩短了制造周期,降低了生产成本,基本满足了钛合金在航空航天及武器装备领域的应用需求;中国在高性能金属构件激光直接制造技术上已经走在世界前列,以王华明教授为首的科研团队在飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术上取得重大科研成果当前,虽然中国钛合金的研究水平与国外大致相当,但在生产规模、材料利用率、发展速度等方面还有较大差距。

伴随航空航天及武器装备领域钛合金用量稳步增长的现状,针对国内外钛合金研发情况,笔者预测未来钛合金的发展趋势如下:

   (1)新型钛合金设计。开发新型钛合金专家设计系统,指导新合金的设计。

   (2)低成本、高综合性能钛合金。研究低成本钛合金合金化机理,实现低成本与高综合性能的良好匹配,提高低成本钛合金在航空航天领域的应用水平。

   (3)钛合金低成本化加工与制造技术。改进成形工艺,采用先进的加工与制造技术,如粉末冶金、LRF/LRSPF/DB、精密铸造、精确塑性成形等技术,提高钛合金材料的利用率。

   (4)发展钛合金近净成形技术。近净成形技术以优质、高效、高精度、低成本、轻量化为特点,有效降低钛合金加工成本,缩短加工周期,近几年在钛合金加工领域备受关注。

   (5)钛合金材料制备及加工过程的计算机模拟。运用计算机模拟计算设计加工工艺,节省资源,同时极大地提高新材料制备和加工工艺设计的准确性。

   (6)强化高性能损伤容限型钛合金研究。此类钛合金是新一代飞机的主要材料,加强品种规格系列化和应用批量稳定化,扩大其用量和应用范围,进一步提升技术成熟度。

   (7)加强TiAl金属间化合物和钛基复合材料的研究。目的是在一定应力和温度范围内用钛合金替换镍基、铁基合金等传统材料。一种新材料的推行,除取决于高性能和可能的创新外,还取决于应用材料为零部件生产所制订的工艺路线的有效性。

   (8)积极开发海绵钛新型制备技术。采用先进的熔炼技术和设备,探索海绵钛新型制备技术,为航空航天及武器装备领域用特殊钛合金提供可靠的原材料。

结语

    钛合金在航空航天及武器装备领域的应用情况折射出它作为一种新型轻质结构材料的技术发展与进步,通过分析其综合材料特性即可预测出未来它在航空航天及武器装备领域的用量必然呈稳步增长态势,现阶段材料技术在军事需求牵引和高新技术的推动下正在高速向前推进,材料技术发展的又一次飞跃即将到来。

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