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航空用钛合金管的国内外应用现状
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航空用钛合金管的国内外应用现状

发布时间 :2020-12-05 11:12:54 浏览次数 :

管路系统是飞机的生命线,其性能好坏直接影响飞机的整体性能。如果把发动机比作飞机的心脏,那么形形色色的管路就像飞机的血管网,源源不断地把各种营养输送到飞机全身的各个角落。管路系统的可靠性和持久性是影响飞行安全、降低维修成本和满足适航要求的重要因素,因此提高管路系统的技术水平对提高飞机性能是非常重要的。

钛管

钛合金作为一种先进的轻量化结构材料,具有优异的综合性能,其密度小,比强度高,疲劳强度和抗裂纹扩展能力好,抗蚀性能优异,焊接性能良好等,因此在航空、航天、汽车、造船、能源等行业具有日益广泛的应用前景。钛产量中约80%用于航空和航天工业。由于钛合金管的研制和加工技术难度很大,加之钛合金材料价格昂贵,使其在应用方面受到限制,目前主要在工业耐腐蚀和船舶方面的应用相对较广,如海水装置、核电、盐碱行业以及舰船等。但国外,由于钛合金管材的研制和配套应用技术发展成熟,因此,钛合金管材在发达国家的航空、航天等领域已有一定的应用,如国外先进飞机的引气管路、液压管路、燃油管路等都广泛采用了钛合金管。而我国,由于钛合金管材研制、弯曲及管接头技术尚未完全成熟,钛合金管在民用飞机和军用飞机上均还未获得广泛应用[12]。由于钛合金管材的应用涉及管材研制、弯曲成形、管端头加工与连接等方面,因此,立坤钛业结合钛合金管材的研制技术、钛合金管弯曲成形技术及钛合金管端头加工与连接技术等方面的国内外现状与发展趋势,分析了钛合金管材在我国飞机上的应用情况及与国际先进水平的差距,并指出了钛合金管材在我国飞机管路系统的应用前景,从而为钛合金管材在我国先进飞机上逐步的广泛和成熟应用提供指导。

钛合金管

钛合金管制造方面,世界各国一直致力于提高钛合金管的可靠性和柔韧性,扩大产品系列。

造技术已比较成熟。对于低强度、低合金化的钛及钛合金无缝管制造均采用冷轧真空退火工艺,而管坯制备主要采用钻孔挤压和斜轧穿孔两类工艺,其中钻孔挤压方法的金属消耗量大,工艺废料高达10%~15%,但管坯壁厚均匀;而采用斜轧穿孔方法的金属消耗量小,工艺废料为1%~3%,轧制变形的温度、速度范围较宽,道次变形量可达20%~90%,可减少加热次数和钛合金的氧化损失,提高成品率,但缺点是管坯厚度公差稍大。目前,斜轧穿孔是无缝管生产的主要方法。对中、高强钛合金无缝管,则采用温轧技术,即在轧管机上安装感应加热装置,一般温度控制在再结晶温度以下100℃左右。采用温轧技术可生产中等规格的Gr5(Ti-6A 1-4V) 钛合金管材 。另外, K.Srinivasan等[16]研究了采用开式模具挤压商业纯钛管的可行性。结果表明,采用开式模反向挤压制造纯钛管的质量较高,消耗的润滑剂少,且模具结构较挤压制管方式简单,但这种方式只适用于比较短的管件的制造。

10年前, 美国RMI公司的R.W.Schutz就给出了一种高效率、低成本生产Gr5、Gr23、Gr29和Gr28无缝管的热穿孔轧制工艺,所生产的无缝钛管的直径达610mm、壁厚达26mm、长度达12m,已被成功应用于能源行业的地热盐井,深水海上钻井升管、钻杆等方面。

提高管材的性能和承载能力一直是钛管研制领域的热门课题,世界各钛管生产制造商不断提高钛合金管的强度极限。在美国,通过采用去应力退火方式已经可以安全、可靠地实现860MPa级的高强钛合金管Gr9的制造。虽然高强度有助于提高钛管的抗拉、扭转等能力,扩大其抗拉伸、耐高压、复合疲劳等的适应性,但强度提高的同时也会导致塑性、韧性降低,增大裂纹敏感性,并增加后续的弯曲、管端头成形的难度。因此,随着钛管应用的不断扩大,除了材料强度以外,还应更加关注钛管性能的其他方面,包括塑性、韧性、疲劳寿命、显微组织以及焊接性能等,以达到综合性能的良好匹配。

大口径钛管

由于钛无缝管加工工序多、生产周期长、效率低、成本高,使得其应用受到限制。而基于钛带轧制、焊接工艺为主的钛焊管,由于材料利用率高、生产效率高,而且其扩管、弯曲性能也与无缝管几乎无差别,所以国内外钛焊管的用量在逐年增加,各国也都在发展自己的钛焊管生产体系,并在电站冷凝器中日益得到应用。

表1为目前国外生产制造钛合金管的主要厂家及产品情况。其中,90%左右的钛管是材质为工业纯钛(Grl和BT 1-0) 的无缝管和焊管, 其次是Gr 9(Ti-3Al-2.5V) 、Gr 5/BT 6(Ti-6Al-4V) 和I IT-7M(Ti-2Al-2.5Zr)等钛合金无缝管。

表1 发达国家的钛管生产情况

国家公司管类型牌号
美国Timent公司冷/热轧无缝管、焊管Grl、Gr2、Gr5、   Gr7、中强Gr9、高强Gr9、Grl1、Gr12、Gr23、Gr28、Gr29
RMI公司热轧/挤压管、焊管
ATI公司冷轧无缝管、焊管
法国VALTIMET公司焊管-
俄罗斯VSMPO公司冷/热轧无缝管、  热挤压管、焊管BT1-0、IIT-7M、   OT4、OT4-0、   OT4-1、OT4-1B、  BT6
日本日本钢铁公司焊管Grl、Gr9
神户制钢公司焊管、冷轧无缝管

在低强、低合金化钛合金无缝管制造方面,我国同样采用冷轧真空退火工艺,该技术在我国已经成熟。然而,由于受中、高强钛合金管材冷变形能力的限制,必须采用温轧技术,但目前我国的中、高强钛合金管材温轧生产技术尚不够成熟,高强度钛合金薄壁管TA18M(对应Gr9)的研制目前尚处于探索试制阶段。表2为国内生产制造钛合金管的主要厂家及其产品情况。

表2 我国的钛管生产情况

公司管类型牌号
宝鸡钛业股份有限公司冷轧无缝管、焊管TA1、TA2、TA3、TA4、   TA9、TA10、TC11、TC4、TA16、  中强TA18
西北有色金属研究院/西部钛业股份有限公司冷轧无缝管TA1、TA2、TA3、TA9、TA10、TA16、中强TA18   、TA9-1、  TA8、TA8-1
常州法力诺长城焊管有限责任公司焊管-
江苏宏宝集团有限公司无缝管Grl、Gr2、Gr3、Gr7、Gr9、Gr12

另外,上海长隆金属钛材厂还探索出了自行车用Ti-3Al-2V无缝管和Ti-3Al-2.5V异型管生产工艺[2122〕。其中,常州法力诺长城焊管公司是法国VAL TIME T公司在中国投资的全资子公司, 其产品主要为焊管,经过10年的发展,该企业已发展成为国内焊接管材生产的龙头企业,占有国内市场70%左右的份额。宝鸡钛业股份有限公司所生产的钛及钛合金管的外径介于6mm~210mm,.壁厚介于0.5mm~12mm之间。由于宝鸡钛业股份有限公司还与常州法力诺长城焊管有限责任公司、法国VAL TIME T公司和美国Time t Asia公司合资组建了西安宝钛美特法力诺焊管有限责任公司,因此该公司还具备生产钛合金焊管的能力。西北有色金属研究院下属的西部钛业股份有限公司所生产的钛及钛合金管的外径介于3mm~130mm,壁厚介于0.2mm~4.5mm之间。江苏宏宝集团有限公司所生产的钛及钛合金管的外径介于6mm~159mm,壁厚介于0.5mm~15mm之间。

对比表1、表2可以看出,国内在纯钛和中、低强度、低合金化的钛及其合金管生产能力方面与发达国家相当,如表3所示。但国内尚不能生产高强TA18M管(Gr 9) 。并且美国RMI生产的钛及其合金管的长度可达6000ft~10000ft(1830m~3050m),并可以线圈形式供货,而国内尚无法达到此水平。

表3 中国与美国和俄罗斯生产的钛及其合金管牌号对比

中国牌号美国牌号俄罗斯牌号名义成分
TAlGrl
工业纯钛
TA2Gr2BT1-0工业纯钛
TA3Gr3OT4-0工业纯钛
TA4Gr40T4-1工业纯钛
TA8Gr16Ti-0.05Pd
TA81Gr17Ti-0.05Pd
TA9Gr7Ti-0.2Pd
TA9-1Gr11Ti-0.2Pd
TA10Gr12Ti-0.3Mo-0.8Ni
TA16IIT-7MTi-2Al-2.5Zr
TA18Gr9Ti-3Al-2.5V
TC1Ti-2A1-1.5Mn
TC2OT4Ti-3Al-1.5Mn
TC4Gr5BT6Ti-6A1-4V
TC4ELIGr23Ti-6Al-4V-0.13max.O
TA26Gr28Ti-3Al-2.5V-Ru
Gr29Ti-6Al-4V-Ru

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