鈦及鈦合金的性能特點及其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

1、鈦及鈦合金性能特點

鈦屬于輕金屬材料，密度約為4.5g/cm³，焰點為1668°C。比強度高、耐熱性好，耐腐燭性能優(yōu)異。鈦有兩種同素異構(gòu)體，在低溫下，純鈦結(jié)晶成接近理想狀態(tài)的密排六方結(jié)構(gòu)（HCP)，稱為α鈦，在高溫下體心立方結(jié)構(gòu)（BCC)的錢比較穩(wěn)定,稱為β鈦。加入一些合金元素使之合金化，可以改變相的穩(wěn)定存在旳溫度范圍，根據(jù)對β轉(zhuǎn)變溫度的影響，鈦的合金化元素可分為α相穩(wěn)定元素和β相穩(wěn)定元素。α相穩(wěn)定元素將α相區(qū)忙擴展到更高的溫度，主要有A1、O、Zr、Sn等；β相穩(wěn)定元素使β相區(qū)向較低的溫度移動，主要是Mo、Fe、Cr、Mn、V等。

根據(jù)組織結(jié)構(gòu)的不同，鈦合金通常劃分為α型、α+β型和β型三類，每個國家對鈦合金的編號各不相同，我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定TA代表α鈦合金，TB代表β鈦合金，TC代表α+β鈦合金。鈦合金的主要性能特點如下：

(1)鈦合金具有高比強度鈦合金的密度相對較小純鈦的密度為4.5g/cm³，僅為鈦、鎳以及銅金屬密度的50%左右；但是鈦合金具有很高的強度，屈服強度可達l000MPa，某些高強度鈦合金的強度甚至超過了許多合金結(jié)構(gòu)鋼的強度，因而就比強度（強度與密度比）而言，鈦合金優(yōu)于其他金屬；可用于制造單位強度高、剛性好、質(zhì)輕的零部件；

(2)高、低溫性能好鈦合金材料熱穩(wěn)定性好，高溫強度高，在300~500℃溫度下，其強度約比鋁合金高10倍，TC11長期使用溫度最高可達500℃，Ti-6246合金長期使用溫度最高為450℃；在低溫和超低溫下，仍能保持良好的韌性，鈦合金也被用于制作低溫液體儲存箱；

(3)耐腐蝕能力好，鈦及鈦合金在潮濕的大氣和海水介質(zhì)中工作其耐腐燭性能遠優(yōu)于鋁合金、不繡鋼，對點蝕、酸蝕、應(yīng)力腐蝕，具有很強的抵抗力；對堿、氯化物、氯的有機物品、硝酸、硫酸等有優(yōu)良的抗腐燭能力；

(4)鈦合金的化學(xué)活性大，與大氣中O、N、H、CO、CO2、水蒸氣、氨氣等產(chǎn)生強烈的化學(xué)反應(yīng)；含碳量超過0.2%時，鈦合金中的Ti元素與C元素會在表層中形成硬質(zhì)TiC;當(dāng)溫度較高時，Ti元素與N元素作用也會形成TiN硬質(zhì)層；在600°C以上時，鈦吸收氧形成硬度很高的硬脆層TiO和TiO2;氧含量上升，也會形成脆化層。鈦的化學(xué)親和性也大，易與摩擦表面產(chǎn)生粘附現(xiàn)象；

(5)導(dǎo)熱系數(shù)和彈性模量都比較小鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)只有Fe的1/4，Cu的1/7，A1的1/14;鈦合金的彈性模量約為115GPa,約為鋼的1/2，所以剛性差、易變形；

(6)與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)匹配不易產(chǎn)生電偶腐燭，由于二者電位比較接近，不易產(chǎn)生電偶腐燭，并且鈦合金與復(fù)合材料的強度、剛度匹配較好，隨著先進飛機上復(fù)合材料的大量使用，鈦合金被廣泛用于制造與復(fù)合材料相接觸部位的結(jié)構(gòu)件和緊固件。

2、鈦合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

鈦合金利用其優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、低密度以及良好的耐燭性是航空航天工業(yè)最主要的消費材料。2011年，全球鈦材產(chǎn)量達到14.8萬噸，其中商用航空用鈦材約6.4萬噸，消費比例達到42.6%，軍用航空鈦材比例為6.5%，整個航空領(lǐng)域消耗鈦材比例接近50%;早在二十世紀(jì)中葉，美國就巳將鈦材用于飛機制造，美國航空工業(yè)是鈦材的主要應(yīng)用市場，約占錢材總消費量的80%。因此美國航空業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r已成為鈦工業(yè)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。由國際鈦協(xié)會之前公布的一組數(shù)據(jù)，表明目前飛機用鈦合金的實際情況：

(1)波音客機：用錢合金量占其總重的15%~17%(凈重）；

(2)F15戰(zhàn)斗機：結(jié)構(gòu)用鈦合金5.75噸，2臺噴氣發(fā)動機用鈦合金5噸；

(3)F22戰(zhàn)斗機：結(jié)構(gòu)用鈦合金36噸，2臺發(fā)動機用鈥合金5噸；

(4)F35戰(zhàn)斗機：結(jié)構(gòu)用鈦合金10噸，弟臺發(fā)動機用鈦合金5噸；

(5)F18艦載機：用鈦合金量占其總重的12~13%;

(6)C-17大型運輸機：用鈦合金量占其總重的10%。

用鈦合金制造飛機零部件，不僅可以延長飛機使用壽命，而且可以減輕其重量，降低燃料消耗，從而大大提高其飛行性能鈦合金在航空工業(yè)中主要用于制造飛機結(jié)構(gòu)的骨架、起落架、框梁、蒙皮和翼梁等，如圖1-1(a)、(b)所示及燃?xì)獾溳啺l(fā)動機壓氣機和風(fēng)扇的盤件和葉片、壓氣機機梗、外涵道殼體、軸承殼體、尾噴口調(diào)節(jié)器等見圖1-2(a)、(b)。

鈦合金在現(xiàn)代航空燃?xì)獾溳啺l(fā)動機中的使用越來越多，己占其重量的30%，其中壓氣機是鈦合金使用最集中的部件，其重量占發(fā)動機鈦用量的95%。

圖1-3顯示了在現(xiàn)代大型商用飛機A330/340中欽合金在機架和發(fā)動機材料中所占的比例。由圖可以看出其機身幾乎2/3釆用招合金制造，鈦合金和鋼的結(jié)構(gòu)質(zhì)量均占7%，然而鈦合金是繼鎳基超合金后的第二大噴氣式發(fā)動機常用材料占結(jié)構(gòu)質(zhì)量的1/3以上。多種資料和數(shù)據(jù)表明，飛機發(fā)動機用鈦合金取代鋼材料，可減輕發(fā)動機結(jié)構(gòu)重量的30%~40%，常用的大尺寸禍輪風(fēng)扇葉片用鈦合金有： Ti-6A1-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si等，隨著現(xiàn)代飛機對減輕結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)效率、改善結(jié)構(gòu)可靠性、提高機體壽命、滿足高溫及腐蝕環(huán)境等方面性能要求的提高，鈦合金材料應(yīng)用水平已成為衡量飛機結(jié)構(gòu)選材先進程度的重要指標(biāo)，是影響飛機性能的重要方面。新型機A380鈦用量占到10%左右，A350的鈦用量達到14%，B787的鈦用量甚至超過了無載重量的15%。隨著航空工業(yè)的發(fā)展，鈦合金材料的應(yīng)用將越來越廣泛。目前我國飛機的用鈦量達到15%左右，與國外先進水平相比仍有一定的差距。