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高强度TC4钛合金材料助力航空钛工业的新应用
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高强度TC4钛合金材料助力航空钛工业的新应用

发布时间 :2021-04-04 06:17:05 浏览次数 :

随着飞机更新换代的加速,对飞机性能要求不断提高,而飞机性能的改进首先需要从材料入手,既要选用先进材料来降低机体重量,又要考虑材料的可靠性和经济性。基于这样的背景需求,密度低、强度高、耐腐蚀性好的钛合金越来越被飞机设计者所青睐。

与此同时,就世界范围而言,钛在航空领域的用量占其总用量的 50% 左右,因此,航空工业对世界钛材需求量的影响很大。

以下为著名材料科学家、中国科学院院士、中国钛合金研究与应用的创始人之一——曹春晓,对航空钛材的应用现状及市场机遇的分析导向。

钛合金板

TiAl合金、高强高韧钛合金等材料

未来前景美好钛合金在航空领域的应用始于 20世纪 50 年代,当时,对飞机性能的要求越来越高(如军用飞机要求超音速),发动机由活塞式进化为涡喷式,原有的钢铝结构也不再适应新的要求。当设计师们苦于寻找新一代比强度更高的结构材料时,钛合金恰好开始工业化生产,设计师们如获至宝,一见钟情地选中它作为压气机转子的试用材料,并积极开展应用研究工作。

在美国,钛合金于 1954 年被应用于航空发动机。自美国于 1956 年在航空发动机上使用了 Ti-6Al-4V 合金后,该合金一直以“钛中之王”和“骏马合金”的美称稳坐航空用钛合金的第一把交椅。我国则于 1966 年成功将TC4钛合金转子零件应用于涡喷 6 发动机,比国外晚了 12 年。

从 20 世纪 90 年代开始,随着树脂基复合材料趋于成熟而开始介入航空发动机,钛合金的应用受到一定威胁。此时,能显著提高钛材使用温度的新型钛基合金(TiAl、Ti 基复材)出现,它犹如一匹“黑马”,使钛在发动机中的总用量基本稳定。

曹院士告诉记者,未来 TiAl 合金这匹“黑马”将一发而不可收,并不断扩大它的势力范围。美国 NASA 预测,到 2020 年,Ti-Al 金属间化合物在航空发动机上的应用量可能达到 20%。除了 GE、R·R、CFM 等公司已正式在宽体和窄体客机上将其应用于低压涡轮叶片外,普·惠公司军用发动机上也打算应用 TiAl 合金。

“我国在 Ti-Al 金属间化合物的基础研究、预先研究和应用研究方面已取得很重要的进展,如中科院金属所已研制出 TiAl 合金低压涡轮叶片精密铸件、北京航空材料研究院已研制出TiAl 合金模锻叶片等,未来 TiAl 合金一定能为我国自主研发的航空发动机作出重要贡献。”对此,曹院士很有信心。

想成为钛业强国、航空强国,曹院士表示,除了在发动机上应用钛合金,还需要抓好在机体上应用钛合金的工作。轻量化等方面的刚性需求是促进钛用量不断创新高的最重要原因之一。如波音 787 曾创下钛用量 15% 的纪录,就是因为当时为了达到减重 2500 千克的目标,波音公司不得不在 2006 ~ 2007年期间投入 3 亿美元经费,研究某些部位用钛合金取代铝合金以解决超重问题,否则将不能兑现减少燃油消耗 20%的关键性承诺。为实现轻量化目标,用高强高韧钛合金取代超高强度钢制造起落架零件的应用实例也不断出现。

钛合金棒

此外,钛合金与复合材料之间不会产生接触腐蚀,很适合用来制造紧固件等与复合材料接触的零部件。因此,在新一代客机大量选用复合材料之时,作为复合材料“最佳伴侣”的钛合金,其用量的猛增也含有一些“水涨船高”的意味。至于战斗机等军用飞机上钛合金用量之所以不断创历史新高,则除了与客机相同的上述原因外,成本允许较高、使用条件(飞行速度、机动性、抗攻击性等)更恶劣等因素也是促使军用飞机的钛合金用量显著高于民机的缘故。例如 F/A-22 的复合材料用量从初始设计的 47.7% 降至后期的 24.2%,众多原因之一就是一些复合材料零部件的抗实弹射击能力较差而不得不改用钛合金。F/A-22 最终的钛合金用量高达 41% 而创造了战斗机发展史的最高世界纪录。

据曹院士介绍,我国歼 15、歼 31飞机用到的钛合金占 25%,“这个比例已经不小了,不过未来预计会更大。”曹院士说。

企业在航空钛材市场能够抓住哪些机遇

毋庸置疑,我国已经是钛业大国。特别是近 20 年,我国钛工业发展速度很快,从海绵钛到钛材,我国钛产量排名世界第一;生产能力也在不断提高,我国拥有可产生8万吨压力的模锻液压机……“但我们还不是钛业强国,特别是高端产品跟国外相比还有一定距离。”曹院士指出,企业想要在航空钛材市场分得一杯羹,需要在以下几个方面下功夫。

一要注重品位高端化。曹院士强调,高品位不单是指性能要求高,更重要的是产品稳定性要好,不光一批材料符合要求就行,而是几十批几百批生产出来的产品都一样好,那在市场上的信任度肯定就高,企业就应该抓住这样的市场机会,使自己能够生产出高品位材料。

而且,这对民营企业而言也是很大的机会,曹院士说 :“以后用航空材料是由市场来决定的,谁家好就用谁家的,谁家便宜用谁家的。”

钛合金管

二要注重降低成本。曹院士表示,降低成本的潜力其实很大,从航空、钛企方面都有空间可以努力。比如通过推进军民融合、产学研结合以及行业大协作等,可以降低成本 ;比如提高废料利用率,目前国外至少有 30% 的钛合金废料被重新用到航空领域,但在我国,航空用钛材基本是百分百全新的,而且相关的废料处理技术也不够成熟。“像上述这些都是驱动我们不断创新的目标,从某种角度来说,工艺创新更能降低成本。”曹院士说。

三要注重低污染。不可否认,目前我国钛产业在开采、冶炼环节,还存在比较严重的污染,随着国家对环境保护的日益严格,环保将成为任何企业、行业不可逾越的一条红线,可以这么说,以后如果环保不达标,企业将无法继续生产。“因此,企业想要在环保投入方面做节省文章是不合适的。”曹院士补充说,“企业要获得市场机遇,我们要发展成钛业强国,上述三个方面缺一不可,一定要花大力气去做。”

谈到未来航空钛合金的发展,曹院士表示,更高的品位、更高的温度、更高的强度是发展方向。另外,要特别重视 TiAl 合金的发展,“我们国家要想办法在 TiAl 合金材料方面赶上并超越,并最终在国际上占有一定位置,这样才能真正变成一个钛业强国。”

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