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航空用钛合金材料的分类及其主要应用
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航空用钛合金材料的分类及其主要应用

发布时间 :2021-09-21 23:28:00 浏览次数 :

引言

由于钛合金具有高比强度、较宽的工作温度范围和优异的腐蚀抗力,因而在航空及宇航工业得以广泛应用。20世纪50年代,军用飞机进入了超音速时代,航空发动机相应地进人喷气发动机时代,要求使用在室温、中温下具有更高比强度的新材料,原有的铝、钢结构已不能满足新的需求,而钛合金恰恰在这一时期刚刚具备了工业生产能力,正适应了超音速军机发展的需要。

世界钛市场中最大的用户始终属于航空,当今世界航空工业的兴衰仍对钛合金的研究、生产和应用起举足轻重的作用。相应地,衡量一个国家航空工业发展水平的一个重要标志就是航空用钛的需求量占钛总需求量的百分比。世界范围内航空钛加工材需求占钛材总需求量的50%左右,其中美国1990年至1997年期间航空航天工业的钛材需求量约占美国钛材总需求量的70%,在航空航天工业中民用量又为军 用量的2倍多,而我国钛加工材应用于航空工业的份额不足20%,还有极大的发展空间。随着国民经济的发展和大飞机计划的启动,先进大飞机及其发动机对高性能、低成本、高效率、低污染提出了极高要求,是先进航空钛合金材料和热工艺发展的强大驱动力。

1、钛及钛合金在航空工业中的应用

由于碳复合材料和钛合金都具有密度小、比强度高等优异性能,特别是钛合金与碳复合材料有很好的相容性,因此,钛是一种较理想的航空结构材料。就目前的趋势来看,越是先进的新型飞机,越是宽体飞机,用钛量越大(见图1)。

飞机结构中钛用量的变化

由于宽体A350客机碳复合材料用量大,所以用钛量约100t,高于A380客机的90t。图2给出了A350客机用钛的主要部位和部件,主要有起落架、机翼结构、发动机悬架、机翼高压油管气管、紧固件、舱门、机舱面板或隔板、座椅导轨、尾锥和辅助动力舱的隔热屏等。不仅是机身,目前大飞机用主流的高涵道比涡轮风扇发动机也大量用钛。军机与民用飞机的用材趋势相同,而且用钛的比例更高。在20世纪80年代以后美国没计的先进军用战斗机和轰炸机中,钛合金用量已稳定在20%以上。

1.1 飞机机体的钛用量

在军机方面,使用新材料的比例远远高于民用飞机。此外美国1970年开始服役的C-5上钛合金的质量分数为6%,而1992年开始服役的C-17已增至10.3%,钛零件总质量达6.8t/架。俄罗斯的伊尔76运输机的钛合金用量达12%。此外,美B-2轰炸机、法幻影2000及俄Cy-27CK战斗机的钛用量分别为26%、23%、18%,美国2006年以后服役的世界最先进第四代战斗机F22的用钛量高达39%~41%。我国20世纪60年代投产的歼七飞机的钛零件质量只有9kg,70年代歼八白天型飞机的钛零件质量增至60kg,80年代抓住歼八Ⅱ研制的机遇,使飞机的钛用量达到总结构质量的2%,钛零件质量达到93kg,歼十的钛用量进一步增至3%。这些进步虽然得之不易,但与国外第三代、第四代飞机的钛用量相比,仍然存在很大差距。

表1中列出的F/A18E/F、F/A22、F-35、三大战斗/攻击机和2轰炸机是美国在2015年前保持空中优势的4块“王牌”。由表1可知,总的发展趋势是钛在飞机机体上的用量不断增大,F/A-18在不断改型的过程中其钛用量也不断增多。

美国第三代、第四代战斗机及先进轰炸机、运输机用材的百分比

民用飞机的钛用量也在不断增大,见表2。在民用客机方面,双通道飞机的用钛量大大高于单通道飞机的。如波音公司的一架波音737、747、777钛用量分别为18t、45t和59t,而一架波音787飞机用钛量达到136t,占全机质量的15%,用钛量比例增加十分显著。空客公司亦是如此,一架A320、A330和A340的用钛量分别为12t、18t和25t,而一架A380采用了全钛挂架,用钛量达到146t,占全机质量的10%,较之A350的9%有显著进步。2008下半年空客A380和波音787试飞后其量产期推后了一年半至2010年,预计2011年这两种型号的飞机将量产,从而带动世界航空用钛材的需求。未来大型飞机取代支线,宽体取代窄体将成为趋势。据国际航空权威组织Theairlinemonitor预测,2008年2010年仅双通道飞机一个单项的用钛量就将达到近7万t,而钛加工材产量居于世界第二的中国14家企业2009年的钛材总产量只有2.77万t,市场潜力巨大。但是由于民用飞机更强调经济性和安全性,因而不能像新型战斗机一样达到单架用钛比例很高的状态。我国战斗机的钛用量也在不断增大。20世纪880年代开始服役的歼八系列的钛用量为2%,两种新一代战斗机的钛用量分别为4%和15%,更新一代的高性能新型战斗机的钛用量将达到25%~30%。

空客飞机钛合金和复合材料的用量

1.2 航空发动机的钛用量

表3统计了一些西方国家航空发动机的钛用量。从表3可知,国外先进发动机上的钛用量通常保持在20%~35%。我国早期生产的涡喷发动机均不用钛,1978年开始研制并于1988年初设计定型的涡喷13发动机的钛用量达到13%,2002年设计定型的昆仑涡喷发动机是我同笫一个拥有完全自主知识产权的航空发动机,钛用量提高至15%,即将设计定型的我国第一台拥有自主知识产权的涡扇发动机又进一步把钛用量提高到25%。

一些西方国家航空发动机的钛用量

在飞机或发动机的设计中,主要根据零件的工作温度和应力水平选择合金牌号,同时结合零件的制造工艺方案考虑相应的成型和焊接等丁艺性能。不同类型的钛合金的特点不同,使用的具体部位也有差别:α型合金不能热处理强化,只有中等水平的室温强度,但组织稳定,抗蠕变性能好,可在较高温度下长期稳定工作,是创制新型耐热钛合金的基础,一般用作承力较大的钣金件和锻件;β型合金在固溶状态有良好的工艺塑性,便于加工成形,时效处理后可获得很高的强度性能,但对杂质元素敏感性高,组织不够稳定,耐热性较低,不宜在高温下使用,一般用作紧固件和飞机结构件;α+β型合金具有良好的热强性和冷成型性,综合性能好,并且可淬火和时效强化,一般用作涡轮发动机机身构件。

表4足部分典型钛合金在航空工业中的应用情况。

钛及其合金在航空工业中的应用

1.3 航空用钛合金分类

钛合金作为当代飞机和发动机的主要结构材料之一,可以减轻飞机的质量,提高结构效率。在飞机用材中钛的比例,客机波音777为7%,运输机C-17为10.3,战斗机F-4为8%,F-15为25.8%,F-22为39%。几十年来,国内外针对航空应用所研究的钛合金等均取得了很大进步,许多合金也得到广泛应用。根据航空用钛合金的强度及服役环境特点,可将其分为高温钛合金、高强钛合金、损伤容限型钛合金和阻燃钛合金等。

1.3.1 高温钛合金

20世纪50年代以Ti一6Al—4V合金)(TC4钛合金)为代表,其使用温度为350℃,经过研究者的努力,最终得到了以IMI834合金为代表的使用温度600℃高温钛合金。目前,国际先进的高温钛合金主要有美国的Ti-6242S、Ti-1100,英国的IMI834,俄罗斯的BT36以及中国的Ti-60,表5为600℃部分高温钛合金的特点。

Ti-6242S(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si)钛合金是美国于20世纪60年代为了满足喷气发动机使用要求而研制的一种近α型钛合金。该合金的最高使用温度为540℃,室温的σb=930MPa,特点是具有强度、蠕变强度、韧性和热稳定性的良好结合,并具有良好的焊接性能,主要应用于燃气涡轮发动机零件、发动机结构板材零件、飞机机体热端零件。

Ti-1100(Ti-6Al-2.75Sn4Zr-0.4Mo-0.45Si)合金是近α型钛合金,使用温度达到600℃,特点是具有较低的韧性和较大的疲劳裂纹扩展速率。该合金已用于制造莱康明公司T55-712改型发动机的高压压气机轮盘和低压涡轮叶片等零件。IMI834(Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si)合金是英国在1984年研制成功的一种近α型钛合金。该合金在β两相区固溶时效处理后,室温的σb≥930MPa,具有高蠕变强度和良好的疲劳强度和变形能力,可适用于钛的各种方式进行焊接,现已用于波音777机的大型发动机Trent700上。

部分高温钛合金的特点

BT36(Ti-6.2Al-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-0.1Y5.0W-0.15Si)合金是俄罗斯于1992年研制成功的一种使用温度在600~650℃的钛合金。

Ti-60(Ti-5.8Al-4.8Sn-2.0Zr-1.0Mo-0.35Si-0.85Nd)合金是由中国科学院金属研究所、宝鸡有色金属加工厂共同研带的一种使用温度为6OO℃的高温钛合金。该合金已进行了半工业性中试试验(包括压气机盘模锻)和全面性能测定。

目前,在航空发动机上应用的传统高温钛合金的最高使用温度仍为600℃。高于600℃时,蠕变抗力和高温抗氧化性急剧下降,成为限制钛合金向更高温度发展的两大主要障碍,因此研制600℃的新型高性能的高温钛合金迫在眉睫。

1.3.2 高强钛合金

高强钛合金一般指抗拉强度在1000MPa以上的合金。目前,代表国际先进水平并在飞机上获得实际应用的高强度钛合金主要有β型钛合金Ti-10-2-3、Ti-15-3、β-21S、α+β型两相钛合金BT22以及中国的TB10等。

Ti-1023(Ti-10V-2Fe-3Al)合金是迄为止应用最广泛的一种高强韧的近β钛合金。它是一种为适应损伤容限性设计原则而产生的高结构效益、高可靠性和低制造成本的锻造钛合金。其拉伸强度、断裂韧性和疲劳性能明显优于Ti-6Al-4V,并与飞机结构中常用的30CrMnSiA高强度结构钢相当。该合金具有优异的锻造性能,在760℃可进行等温锻造,提供各种近净型加工锻件,现已应用于波音777客机、 A380客机等。

Ti15-3(Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al)合金是一种近β型的高强抗腐蚀合金。热处理强化板材的σb≥1310MPa,δ5≥5%,显微组织为β基体和弥散的α相。合金具有优良的冷变形性、时效硬化性能和可焊接性能等特点。已应用到波音777上的应用控制系统管道和灭火罐。

β-21S(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si)合金是Fimet公司在1989年为麦道公司提供一种用于航天飞机的钛金属基复合材料中所需的抗氧化箔材而开发的。由于合金具有优异的高温强度和抗蠕变性能,适用于发动机衬套和喷管等,现已被美国同家宇航局确定用作碳化硅钛基复合材料的基体材料。

BT22(Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr)合金是前苏联在20世纪70年代研制成功的一种高合金化、高强度的近β型钛合金。其拉伸强度大于等于1105MPa,已成功用作机身、机翼、起落架和其它高承载部件。

北京有色金属研究总院自主研制的TB10(Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al)合金具有比强度高、断裂韧度好、淬透性高等优点,现已在我国航空领域得到了实际应用。

现有钛合金的强度,尤其是强韧性匹配不能满足航空要求,而且合金成本太高,合金性能对工艺参数敏感等问题使其应用受到了一定限制。因此,研制强韧匹配、开发低成本的高强钛合金得尤为重要。

1.3.3 损伤容限钛合金

具有很岛断裂韧性和很慢裂纹扩展速率的中强或高强钛合金,即损伤容限型钛合金的开发受到了各国的重视。目前,高断裂韧度、低裂纹扩展速率的损伤容限钛合金主要有Ti-6Al-4V(β-ELI)、Ti-62222S合金和新型两相高强高韧TC21合金。

Ti-6Al-4V(β-ELI)属于900MPa强度级别的高损伤容限型钛合金。其锻件主要性能可达到:σb≥895MPa,σ0.2≥795MPa,δ5≥8%,φ≥15%,KR≥75MPa.m1/2。Ti-6Al-4V(β-EiI)合金已应用于波音777客机的安定面连接接头和FA-22飞机的机体。

Ti-6-22-22S(Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si)合金是由美国RMI公司研制的一种航空用α-β型钛合金。该合金的主要优点为:具有良好的强韧性匹配,经热处理后合金的σb≥1035MPa,KIC≥77MPa·m1/2;深淬透性(断面直径可达100mm);极好的超塑性成型性能。该合金已作为F-22战斗机、教练机及联合攻击战斗机用材料。

TC21(Ti-Al-Mo-Sn-Zr-Cr-Si-X系)是西北有色金属研究院研制的一种新型两相高强、高韧、高损伤容限型钛合会L1,具有优良的强度、塑性、韧性和低的裂纹扩展速率匹配。该合金已经过实验室、中试及工业规模3个周期的深入研究。实验表明,该合金的φ20mm棒材经过(Tβ=20~50℃)×1hAC+600℃×4hAC的固溶、时效处理后,其组织是由等轴α和网篮组织共同构成的双态组织,σb≥l105MPa、σ0.2≥1000MPa、δ≥15%、φ≥43%,具有良好的综合性能。

随着我国航空系统损伤容限设计技术的迅速普及,对高损伤容限钛合金的需求将日益迫切。同时,需深入研究钛合金损伤容限性能机理以及完善对损伤容限性能的表征与评价技术。

1.3.4 阻燃钛合金

为了避免钛燃烧并满足高推重比航空发动机的需要,各国开展了对阻燃钛合金的研制。阻燃钛合金主要有两个合金系:Ti-V-Cr系,如美国的AlloyC;Ti-Al-Cu系,如俄罗斯的BTT-1、我国的Ti-40。表6为两种典型阻燃钛合金的性能。

两种典型阻燃钛合金的性能

AlloyC(Ti-35V-15Cr)是美国研制的一种β型钛合金,是目前工业用β钛合金钼当量最高的合金。该合金产品已应用于F119的尾喷管和加力燃烧室。

BTT-1和BTT-3为俄罗斯研制的阻燃钛合金,均为Ti-Cu-Al系合金(具体成分未见公布)。BTT-1合金具有良好的热加工性能,可制成形状复杂的发动机零件,如压气机机匣和叶片等,工作温度可达450℃,其典型零件已在试车台上通过试验。BTT-3合金的工艺塑性优于BTT-1的,阻燃性能也得到了显著提高,适合于轧制板材和箔材。

Ti-40(Ti-25V-15Cr-0.4Si)合金是西北有色金属研究院研制的一种新型全β型阻燃钛合金,室温下只有β相存在。该合金具有良好的机械性能和优良的阻燃性能,其阻燃性能与美国的AlloyC合金相当。该合金的主要缺点是热加工困难,不能像常规钛合金一样自由锻造,否则将极易开裂。

目前,除美国和俄罗斯的部分典型阻燃钛合金得到了实际应用外,其他各国对阻燃钛合金的研究仍处于研究阶段。

阻燃钛合金的类型较少、成本较高以及对阻燃性能评价方法的不统一都阻碍了阻燃钛合金的发展。与Ti-V-Cr系阻燃钛合金相比,Ti-Cu-Al系阻燃钛合金的综合力学性能较差,工作温度也较低。对如何进一步提高该系合金的力学性能需进行更深入的研究。Ti-V-Cr系阻燃钛合金含有大量贵金属元素V,导致成本较高,限制了其应用。国内已有学者采用价格较低的Mo部分替代V进行了一定尝试的研究。

2、钛加工材在我国航空工业中的应用

2.1应用现状

我国航空领域的钛材需求量在世界航空领域的钛材需求量中所占的比例很小,在我国钛材总需求量中所占的比例也一直处于低位。2006年航空领域钛材需70%。我国航空领域钛材需求量在总需求量所占比例偏低的主要原因有3条:其一,我国的民用干线飞机都是从国外购买;其二,一些新型军用飞机尚未批量生产;其三,已批量生产的军用飞机的钛用量不高,一般情况下,机体小于等于5,发动机小于等于20%(所占结构的质量分数)。

中国大飞机、航天空间站、嫦娥计划都会大量使用钛材。尤其是大飞机项目,钛材的应用量将逐步增大。尽管我国钛工业在近几年里取得了长足发展,基本上满足了国内各项建设的需要,但客观地说,我国钛工业还不能立即完全满足航空工业大发展对钛材的各种需求。因此,我国大飞机项目的启动对我国钛工业来说既是机遇,更是挑战。

从20世纪50年代至80年代,国际上发展钛合金的主要方向是不断提高性能以满足工业发展需要,特别是军用飞机及其发动机减轻结构质量的需要,即所谓的“斤斤计较”甚至“克克计较”。虽然我国在高性能钛合金的研究方面取得了一些成就,但是与国外相比,在高阻燃性能钛合金、高耐热性能钛合金和高强度的β和β型钛合金等方面仍存在较大差距。而20世纪90年代苏联解体后,虽然美英发展高性能钛合金的努力仍在继续,但是势头已有所减缓,降低成本的呼声越来越高,从“斤斤计较”转为“元元计较”的气氛越来越浓。

2.2我国航空钛合金新世纪面临的挑战

高用量:与国外相比,我国航空发动机钛用量存在的差距比飞机机体的要小得多,但要把航空发动机的钛用量进一步提高至30%左右,其难度仍相当大。

高性能:与其它航空结构材料一样,高性能是要求其具有高性能的同时又具有良好的性能匹配,即必须综合考虑其力学性能、物理性能、化学性能、工艺性能和缺陷的可控性。我国在航空用高性能钛合金方面的研究与国外钛合金高性能方面的发展水平相比还存在一定的差距。

低成本:国外在降低成本方面虽然取得了一些成就,但仍有许多领域有待研究和开发。以阻燃钛合金为例,美国发明的AlloyC虽然具有优良的阻燃特性和高温力学性能,但由于它需要添加大量昂贵的V和较差的可锻性而导致价格很高,因此只有在F119发动机中正式应用,其他发动机均望而却步。至于围内钛合金产品在成本方面的问题就更多了,由于管理和技术落后等原冈,产品价格在国际上竞争力差,在国内则不利于进一步扩大应朋。因此,必须认真研讨降低钛产品成本的途径,确定近、中、长期发展规划,确立可降低成本的科研、开发和技改项目,从而促进我国钛资源的充分利用,推动我国钛产品的推广应用。

3、结语

对现有高温用钛合金进行成分调整或研制具有自主知识产权的新型高强韧钛合金,研发新的使用温度突破600℃的高温钛合金,降低钛合金成本等将成为航空用钛合金的研究及发展方向。大力开展计算机模拟和控制钛合金工艺、组织、性能的研究是我同钛合金领域提高质量和降低成本的根本措施。此外,尝试用价格较低的合金元素取代较昂贵的金属元素或改善加工工艺以降低钛合金成本,进一步扩大其使用范围。一方面我们要奋起赶超国际高性能钛合金的先进水平,另一方面应认真研讨降低钛产品成本的途径,确立相应的科研、开发和技改项目,从而促进我国钛资源的充分利用,推动我国钛产品的推广应用。

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