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鈦合金在航空航天及武器裝備領域的應用與發展

時間:2017-07-23 16:59:20  來源:鋼鐵研究學報  作者:劉全明,張朝暉,劉世鋒,楊海瑛

    鈦合金因比強度大、抗腐蝕性好、溫度適應範圍廣、無磁性、高韌性、可焊接等突出特性,在航空、航天、軍事、化工、冶金、醫療、海水淡化、海洋石油開采、日常用品等領域有較廣泛的應用,擁有“太空金屬”、“海洋金屬、“未來金屬、“智能金屬”等美譽。鈦合金是一種對發展國防高新技術武器裝備有重要作用的新型金屬結構材料,已被世界多個軍事強國列為重點發展的21世紀具有戰略意義的新型結構金屬材料。隨著國民經濟持續快速發展,鈦合金已在航空航天及武器裝備領域獲得普遍應用,中國對鈦合金的需求量更是以每年20%~30%的速度增加。

鈦合金在航空航天領域中的應用

1.1  在飛機上的應用

    鈦合金在航空航天領域的應用,主要是利用其優異的綜合力學性能、密度小和良好的抗腐蝕性能,如用於製造噴氣發動機的鈦合金要求有高溫抗拉強度和穩定性,並結合良好的蠕變、疲勞強度和斷裂韌性。鈦合金是繼鋼鐵和鋁合金以後應用於航空航天領域的又一種新型輕質結構材料,它的應用水平已成為衡量飛機選材先進程度的一個重要標誌。鈦合金是飛機機體和發動機的重要結構材料之一,作為減重效果良好的機體材料,近50年來鈦合金在商用及軍用飛機領域的用量伴隨各自產品的升級換代呈穩步增長趨勢。在軍用飛機方麵,國外第3代戰鬥機用鈦量占機體結構總質量的20%~25%,美國第5代戰鬥機F-35用鈦量已高達27%F-22戰機用鈦量更是高達41%。美國運輸機用鈦量也由早期服役的C56%增至C1710.3%,俄羅斯伊爾76運輸機用鈦量更是達到了12%。在民用飛機方麵,鈦合金用量也在逐步增長,空客飛機鈦用量已從第3A3204.5%增至第4A3406%A380的用鈦量增加到了10%,單機用鈦量就達60t,而即將問世的A350客機的鈦用量進一步提高到14%左右。波音飛機用鈦量已從最初波音7070.5%增至波音78714%,用鈦量增速基本與空客飛機保持同步

    現代飛機上鈦合金的應用範圍越來越廣泛,主要有飛機機身、液壓管道、起落架、座艙窗戶框架、蒙皮、緊固件、艙門、機翼結構、風扇葉片、壓縮機葉片等。為防止飛機外部蒙皮潛在的疲勞裂紋出現突發擴展,一般飛機機身采用鈦合金做成薄且窄的環狀結構;為使飛機液壓管道減重40%,多采用易變形且強度足夠高的兩相Ti-3Al-2.5V合金;因高強度鋼具有應力腐蝕敏感性,在飛機上使用壽命較短,起落架大多都采用鈦合金製造,如波音777起落架幾乎都采用TIMETAL10-2-3鍛件製造;由於飛機存在潛在的高載荷衝擊,如氣流或飛鳥,座艙窗戶框架多采用有足夠強度的鈦合金鍛件製造;鈦合金與碳纖維複合材料有相近的熱膨脹係數,化學相容性較高,從而可避免化學腐蝕,因此優先選擇鈦合金作為與碳纖維複合材料的連接件和支撐件;因飛機蒙皮表麵與空氣摩擦產生高溫,大多數鋁合金抗高溫能力無法達到要求,蒙皮也多采用鈦合金製造;由於鈦合金質量輕、強度高、耐腐蝕、低導磁率等優良特性,在飛機上鈦合金緊固件的用量不斷增加,以計劃於2014年首飛的國產商用大飛機C919為例,單機鈦合金緊固件用量達20萬件以上,按2018年達到年產150架計算,總需求量達3000萬件。

    燃氣渦輪發動機是航空鈦合金應用的主要領域,現代渦輪發動機結構質量的30%左右為鈦合金,最早應用鈦合金的發動機部件是壓縮機葉片,現代噴氣式發動機大型前端風扇葉片也由鈦合金製成。發動機設計時采用鈦合金材料,可進一步降低壓縮機葉片和風扇葉片的質量,同時還可延長部件的壽命和檢修周期,從而保證飛機的安全穩定性,如波音747-8GENX發動機風扇葉片的前緣與尖部,采用了鈦合金護套,在10年使用過程中僅更換過3次,風扇葉片在波音777客機上經受住了嚴格考驗。

1.2  太空應用

    隨著人類探索太空步伐的加快,對航天飛行器的要求越來越高。航天飛行器在超高溫、超低溫、高真空、高應力、強腐蝕等極端條件下工作,除依靠優化機體結構設計外,還依賴材料所具有的優異特性和功能在航天工業中,因鈦合金集航天產品所需的特質於一身,在製造燃料儲箱、火箭發動機殼體、火箭噴嘴導管、人造衛星外殼等方麵得到了典型應用,例如燃料儲箱製備可將鈦合金板塑性成形為半球狀,通過擴散連接和常規焊接,降低其加工程度,從而製備燃料儲箱;衛星艙半球形殼體可采用Ti-15-3合金通過簡單旋壓成形工藝生產等。鈦合金在太空領域的應用雖有一定局限性,但近幾年用量也呈穩步增長趨勢。

鈦合金在武器裝備領域中的應用

    除上述航空航天方麵的應用外,鈦合金在艦船、戰車、坦克、火炮、導彈等武器裝備領域也獲得了普遍應用。在艦船方麵,鈦合金除能達到減重和耐腐蝕的要求外,還具備高衝擊韌性、高耐應力腐蝕性能和高斷裂韌性等特質,主要應用部位有:耐壓殼體、螺旋槳、管道係統、熱交換器、發動機零部件、升降裝置及發射裝置、聲納係統、係泊裝置等。俄羅斯、美國、日本、法國、中國都在不同程度上用鈦合金作為艦船材料,在鈦合金使用規模和應用技術上,俄羅斯領先於其他國家。如俄羅斯阿庫拉級攻擊核潛艇、塞拉級攻擊核潛艇、阿爾法級核潛艇、蘇聯台風級潛艇均采用鈦合金材料建造,其中阿爾法級核潛艇用鈦量達3000t,蘇聯台風級潛艇采用鈦合金雙殼體結構,兩層殼體間距約為3m,大大增強耐水下衝撞能力,每艘台風級潛艇的用鈦量約9000t

    世界上現役或在研武器裝備中,很多都使用了鈦及鈦合金結構件,隨著現代化戰爭模式的轉變,強烈要求軍隊有突出的快速機動能力,如對於陸軍戰車來說必須要求其質量輕、運輸方便、機動性能好,鈦合金代替傳統戰車中的裝甲鋼零件,有效實現了陸軍粗重武器裝備的輕量化。美國M1A1“艾布拉姆斯”主戰坦克在發動機頂蓋、武器對抗防護蓋、炮塔樞軸架、進出艙口等部位用鈦合金部件替換了鋼製部件,減重可達475kg。鈦合金在火炮領域的發展前途同樣光明,如美國的M777輕型榴彈炮,使用鈦合金外殼,戰鬥全質量降至3.175t,可以使用V22或者C130空運,達到快速機動的能力;英國的UFH超輕型155mm火炮,鈦合金用量達到總質量的25%以上。鈦合金鑄件在導彈的尾翼、彈頭殼體、火箭殼體和連接座等部位的使用也比較普遍,它的密度小、比強度高,抗腐蝕和易成形的優點非常適應導彈製造的需要。

鈦合金發展前景分析

    國內對於鈦合金研究多,應用少的現象比較突出,由於鈦合金自身的加工特性,采用傳統製造技術進行加工存在周期長、利用率低、成本高等劣勢,這使其在航空航天及武器裝備領域的普遍應用受到限製。近幾年,中國鈦合金已由完全仿製過渡到創新與仿製相結合的新階段,在高溫鈦合金、高強鈦合金、耐蝕鈦合金、阻燃鈦合金、低溫鈦合金的開發上取得重大突破。在鈦合金材料加工方麵,隨著激光成形及修複技術(LRF/LR)、超塑性成形/擴散連接技術(SPF/DB)的出現,提高了鈦合金材料的利用率,縮短了製造周期,降低了生產成本,基本滿足了鈦合金在航空航天及武器裝備領域的應用需求;中國在高性能金屬構件激光直接製造技術上已經走在世界前列,以王華明教授為首的科研團隊在飛機鈦合金大型複雜整體構件激光成形技術上取得重大科研成果當前,雖然中國鈦合金的研究水平與國外大致相當,但在生產規模、材料利用率、發展速度等方麵還有較大差距。

伴隨航空航天及武器裝備領域鈦合金用量穩步增長的現狀,針對國內外鈦合金研發情況,筆者預測未來鈦合金的發展趨勢如下:

   (1)新型鈦合金設計。開發新型鈦合金專家設計係統,指導新合金的設計。

   (2)低成本、高綜合性能鈦合金。研究低成本鈦合金合金化機理,實現低成本與高綜合性能的良好匹配,提高低成本鈦合金在航空航天領域的應用水平。

   (3)鈦合金低成本化加工與製造技術。改進成形工藝,采用先進的加工與製造技術,如粉末冶金、LRF/LRSPF/DB、精密鑄造、精確塑性成形等技術,提高鈦合金材料的利用率。

   (4)發展鈦合金近淨成形技術。近淨成形技術以優質、高效、高精度、低成本、輕量化為特點,有效降低鈦合金加工成本,縮短加工周期,近幾年在鈦合金加工領域備受關注。

   (5)鈦合金材料製備及加工過程的計算機模擬。運用計算機模擬計算設計加工工藝,節省資源,同時極大地提高新材料製備和加工工藝設計的準確性。

   (6)強化高性能損傷容限型鈦合金研究。此類鈦合金是新一代飛機的主要材料,加強品種規格係列化和應用批量穩定化,擴大其用量和應用範圍,進一步提升技術成熟度。

   (7)加強TiAl金屬間化合物和鈦基複合材料的研究。目的是在一定應力和溫度範圍內用鈦合金替換鎳基、鐵基合金等傳統材料。一種新材料的推行,除取決於高性能和可能的創新外,還取決於應用材料為零部件生產所製訂的工藝路線的有效性。

   (8)積極開發海綿鈦新型製備技術。采用先進的熔煉技術和設備,探索海綿鈦新型製備技術,為航空航天及武器裝備領域用特殊鈦合金提供可靠的原材料。

結語

    鈦合金在航空航天及武器裝備領域的應用情況折射出它作為一種新型輕質結構材料的技術發展與進步,通過分析其綜合材料特性即可預測出未來它在航空航天及武器裝備領域的用量必然呈穩步增長態勢,現階段材料技術在軍事需求牽引和高新技術的推動下正在高速向前推進,材料技術發展的又一次飛躍即將到來。

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