鈦合金(jin)在航空航天領(ling)域的應(ying)用

航(hang)天(tian)(tian)工業是一個(ge)國(guo)(guo)(guo)家經濟實力(li)和科(ke)技水(shui)平的綜(zong)合(he)(he)體現,是國(guo)(guo)(guo)家綜(zong)合(he)(he)國(guo)(guo)(guo)力(li)強大(da)的重要(yao)標志.  高性(xing)能(neng)鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)(jin)及鈦(tai)(tai)基(ji)復合(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)在航(hang)天(tian)(tian)結構材(cai)料(liao)(liao)中的應用(yong)對(dui)于降低結構重量和提高飛(fei)行器的結構效率(lv)、服(fu)役(yi)可靠性(xing)及延長壽命(ming)具有極其(qi)主要(yao)的作用(yong),因此近(jin)些年(nian)國(guo)(guo)(guo)內外鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)(jin)研(yan)究和生(sheng)產單位(wei)研(yan)發了大(da)量高性(xing)能(neng)鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)(jin)新(xin)材(cai)料(liao)(liao),具有其(qi)他金(jin)(jin)屬無(wu)法比(bi)擬的高比(bi)強度、高耐腐蝕性(xing)、高耐久(jiu)性(xing)等(deng)特點.鈦(tai)(tai)金(jin)(jin)屬材(cai)料(liao)(liao)零部件,包括合(he)(he)金(jin)(jin)棒材(cai)、鍛件、環(huan)材(cai)、管(guan)材(cai)、板(ban)材(cai)等(deng)在東方紅衛星、長征系列(lie)火箭和系列(lie)導彈等(deng)關鍵結構中做出了巨(ju)大(da)貢獻(xian).展(zhan)望(wang)未來,航(hang)天(tian)(tian)工業對(dui)鈦(tai)(tai)材(cai)料(liao)(liao)的需求將(jiang)呈高速增長態勢,鈦(tai)(tai)及鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)(jin)憑借其(qi)獨特而優越(yue)的性(xing)能(neng)將(jiang)會(hui)在航(hang)天(tian)(tian)市(shi)場大(da)放異彩(cai)。

1、高溫鈦合金

鈦合金零部件

航天飛(fei)行器要求鈦合金必須具有(you)優(you)異的耐高(gao)溫性能(neng)。國際上第一個高(gao)溫鈦合金是美國研制的Ti-6Al-4V合金。

Ti-6Al-4V合金(jin)兼(jian)具α+β兩相(xiang)特(te)征,在航天領域得到廣泛應用(yong).為最(zui)大限度發揮Al 固溶熱強化作用(yong),鈦合金(jin)中還(huan)加入了(le)(le)Sn、Zr、Mo 和Si 等元素,相(xiang)繼開發了(le)(le)IMI679、Ti6242 以及IMI685、Ti6242S、IMI834、Ti1100、BT36 等合金(jin)。

目前,國際先進的(de)高(gao)溫(wen)鈦合金(jin)主要有(you)美國研發的(de)Ti1100 合金(jin)(Ti-6Al-2.75Sn-4.0Zr-0.4Mo-0.45Si-0.07O2-0.02Fe), 其使用(yong)(yong)溫(wen)度可達600℃,它具備(bei)較(jiao)(jiao)低(di)的(de)韌(ren)性和較(jiao)(jiao)大的(de)疲勞裂紋擴(kuo)展(zhan)速率(lv);英國的(de)I MI 83 4(Ti -5.5Al-4Sn-4Zr-0.3Mo-1Nb-0.5Si-0.06C),同(tong)時具備(bei)了優異的(de)高(gao)溫(wen)蠕變性能和疲勞性能,使用(yong)(yong)溫(wen)度590℃ ;俄羅斯研制的(de)BT36(Ti-6.2Al-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-0.15Si-5W)、BT18Y(Ti-6.5Al-2.5Sn-4Zr-0.7Mo-1Nb-0.2 5 S i)、Ti633G(Ti- 6.5A l-3 S n-3 Z r-1N b - 0.3Mo - 0.3 S i- 0.2 G d)和T i 18(T i- 6 A l-2 S n - 4 Z r 4Mo -1W-0.2Si)合金(jin),其使用(yong)(yong)溫(wen)度分別為600 ℃、550 ~ 600 ℃、550 ℃ 和550 ℃.

我(wo)國(guo)研制的高溫合(he)金主(zhu)要(yao)有Ti55(Ti-5.5Al-4Sn-2Zr-1Mo-0.25Si-1Nd)、Ti6 0(Ti-5.8A l-4.8 Sn-2Zr-1Mo-0.35Si-0.85Nd)和Ti600(Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.5Mo-0.4Si-1Y),其使(shi)用溫度分別為550℃、600℃、600℃。

2、低溫鈦合金

鈦合金在發(fa)動機上(shang)的(de)應(ying)用 

一些鈦和(he)鈦合(he)金在低(di)(di)溫(wen)和(he)超低(di)(di)溫(wen)下仍能(neng)保(bao)持其(qi)原有的(de)機械性(xing)(xing)能(neng).許多退火的(de)鈦合(he)金在-195.5℃溫(wen)度(du)下還具(ju)有足夠使(shi)用(yong)的(de)延性(xing)(xing)和(he)斷裂韌性(xing)(xing).含間(jian)隙元素特(te)別低(di)(di)的(de)Ti-5Al-2.5SnELI 的(de)強度(du)隨溫(wen)度(du)的(de)降(jiang)低(di)(di)而提高,但塑性(xing)(xing)降(jiang)低(di)(di)的(de)不(bu)多,在低(di)(di)溫(wen)下仍有較好的(de)延性(xing)(xing)及韌性(xing)(xing),可(ke)在-252.7℃溫(wen)度(du)下使(shi)用(yong).

NINCT20 合金(jin)是我國研制(zhi)的用(yong)于火箭(jian)發動機液(ye)氫管路的新型(xing)低溫(wen)鈦合金(jin),該合金(jin)具(ju)有強(qiang)度適中(600 ~ 700MPa)、低溫(wen)性(xing)能、焊接(jie)性(xing)能、冷(leng)成型(xing)性(xing)能及液(ye)氫相容性(xing)優(you)異的特點,在-253℃(20K)溫(wen)度下,強(qiang)度可達(da)1200MPa 以上(shang),延伸(shen)率可達(da)10% 以上(shang).

3、高強鈦合金

鈦合金在(zai)飛機上的應用

高強(qiang)(qiang)鈦(tai)合(he)金(jin)是指經(jing)熱處理后(hou)室(shi)溫強(qiang)(qiang)度(du)(du)大于1000MPa 的鈦(tai)合(he)金(jin).國外高強(qiang)(qiang)鈦(tai)合(he)金(jin)研(yan)(yan)發(fa)主(zhu)(zhu)要以美國和俄羅(luo)斯(si)為主(zhu)(zhu),而且產(chan)品(pin)都得到了廣(guang)泛應用.我國高強(qiang)(qiang)鈦(tai)合(he)金(jin)研(yan)(yan)究則由仿制(zhi)(zhi)逐漸轉(zhuan)型為自主(zhu)(zhu)研(yan)(yan)發(fa),如(ru)北京有色(se)金(jin)屬(shu)研(yan)(yan)究總院研(yan)(yan)究的TB10 合(he)金(jin)(Ti-3Al-5Mo-5V-2Cr)典型性能(neng)為:σb=1360MPa,KIC=67MPam1/2,已用于航天結(jie)構(gou)件、飛機(ji)機(ji)身、機(ji)翼.西北有色(se)金(jin)屬(shu)研(yan)(yan)究院創(chuang)新研(yan)(yan)制(zhi)(zhi)的Ti-1300、Ti-5322 等(deng)  高強(qiang)(qiang)鈦(tai)合(he)金(jin).Ti-1300 的抗(kang)拉強(qiang)(qiang)度(du)(du)超(chao)(chao)(chao)過1350MPa,延伸率(lv)超(chao)(chao)(chao)過8%,斷裂韌性超(chao)(chao)(chao)過55MPa.m1/2.Ti-5322 抗(kang)拉強(qiang)(qiang)度(du)(du)超(chao)(chao)(chao)過1300MPa,延伸率(lv)超(chao)(chao)(chao)過7%.

4、高強高韌鈦合金

高(gao)韌(ren)損傷(shang)容(rong)限型鈦合金在發動機葉片(pian)上的應用

典型的(de)高(gao)強高(gao)韌鈦合(he)(he)金是美國研制的(de)Ti62222S 合(he)(he)金.該合(he)(he)金具有良(liang)好(hao)(hao)的(de)強度(du)、塑性和(he)(he)(he)斷裂韌性匹(pi)配;疲勞裂紋擴展抗(kang)力(li)高(gao);具有深淬透性;高(gao)彈(dan)性模(mo)量;中溫(wen)(wen)有良(liang)好(hao)(hao)的(de)抗(kang)蠕變(bian)性能(neng),室溫(wen)(wen)斷裂強度(du)和(he)(he)(he)屈(qu)服(fu)強度(du)分別(bie)大于1300MPa和(he)(he)(he)1200MPa,且其(qi)高(gao)溫(wen)(wen)性能(neng)也很好(hao)(hao).

TC21(Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-1Nb-0.1Si) 是我(wo)國創新研制(zhi)的(de)(de)高強高韌(ren)(ren)(ren)損(sun)傷容限(xian)型鈦(tai)合(he)金(jin).該合(he)金(jin)具有良好(hao)的(de)(de)強度、塑性、斷(duan)裂韌(ren)(ren)(ren)性、裂紋擴(kuo)展速率的(de)(de)匹配(pei),是一種非常有應(ying)用(yong)前景的(de)(de)高強高韌(ren)(ren)(ren)損(sun)傷容限(xian)型結(jie)構(gou)鈦(tai)合(he)金(jin).由該合(he)金(jin)生產(chan)的(de)(de)大(da)規(gui)格(ge)棒材在保證室溫高強度的(de)(de)前提(ti)下,斷(duan)裂韌(ren)(ren)(ren)性可(ke)高達90MPa.m1/2.

BT i-65 5 4 ( T i-6Cr-5Mo-5V-4Al) 是寶鈦集團研制的(de)高強(qiang)高韌(ren)鈦合金,該材(cai)料的(de)力學性能可(ke)以達到Rm=1270MPa,Rp0.2=1230MPa,KIC=77.8MPam1/2.

北京(jing)有色金屬(shu)研究院和寶鈦集團共同研制的Ti-63高(gao)強高(gao)韌鈦合(he)金(Ti-Al-V-Cr-Mo-Sn-Zr-Si),其Rm=1200MPa,KIC=77MPa.m1/2.

鈦及鈦合金在航天領域的應(ying)用當今,鈦應(ying)用最活躍的領域是航天。

1、美國

美國鈦(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)及(ji)鈦(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)合金(jin)(jin)在(zai)航(hang)(hang)天工(gong)(gong)程上的(de)(de)應(ying)用(yong)(yong)始(shi)于1955 年,美國的(de)(de)火(huo)箭(jian)發(fa)(fa)動(dong)(dong)機(ji)(ji)殼體材料廣(guang)泛(fan)使(shi)(shi)用(yong)(yong)了(le)鈦(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)合金(jin)(jin).鈦(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)合金(jin)(jin)還廣(guang)泛(fan)用(yong)(yong)于各種結構件."阿(a)波(bo)(bo)羅"宇宙(zhou)飛(fei)船(chuan)共有(you)約50 個(ge)壓力容器,其中85% 是(shi)用(yong)(yong)鈦(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)制成.大力神Ⅲ過(guo)渡級發(fa)(fa)動(dong)(dong)機(ji)(ji),改用(yong)(yong)鈦(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)合金(jin)(jin)推進劑貯(zhu)箱(xiang)后重(zhong)量減輕35%."阿(a)波(bo)(bo)羅"號宇宙(zhou)飛(fei)船(chuan)的(de)(de)托架、夾具和緊固(gu)件均用(yong)(yong)鈦(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)制成,共使(shi)(shi)用(yong)(yong)68 噸(dun)鈦(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)材.航(hang)(hang)天工(gong)(gong)程用(yong)(yong)的(de)(de)壓力容器中也(ye)使(shi)(shi)用(yong)(yong)了(le)大量的(de)(de)鈦(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)材,使(shi)(shi)用(yong)(yong)最(zui)多的(de)(de)是(shi)Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn.導彈的(de)(de)彈頭上也(ye)使(shi)(shi)用(yong)(yong)了(le)鈦(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)合金(jin)(jin).美國大多采用(yong)(yong)輻(fu)射(she)冷卻式(shi)發(fa)(fa)動(dong)(dong)機(ji)(ji)噴管(guan),這種噴管(guan)的(de)(de)一部分用(yong)(yong)鈦(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)合金(jin)(jin)制造。

美(mei)國(guo)(guo)生(sheng)(sheng)產(chan)的(de)(de)Ti3Al 基(ji)鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)(jin)Ti-21Nb-14Al 和Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo 鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)(jin)箔材已制(zhi)成(cheng)導(dao)(dao)彈尾翼和燃燒室噴管(guan)密(mi)封片等(deng).美(mei)國(guo)(guo)的(de)(de)超高聲速載(zai)人飛行器(qi)(qi)的(de)(de)熱防(fang)(fang)護(hu)系統(tong)采用(yong)了Ti1100 鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)(jin)作為防(fang)(fang)熱瓦,火箭(jian)運載(zai)器(qi)(qi)X-33 采用(yong)鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)(jin)作為其機(ji)(ji)身背風面大面積(ji)防(fang)(fang)熱系統(tong)材料.美(mei)國(guo)(guo)鈦(tai)(tai)金(jin)(jin)屬公司(Timet)研(yan)制(zhi)的(de)(de)β21S(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si)已被(bei)美(mei)國(guo)(guo)國(guo)(guo)家(jia)宇航局確定用(yong)于美(mei)國(guo)(guo)國(guo)(guo)家(jia)航空航天(tian)飛機(ji)(ji)的(de)(de)機(ji)(ji)身和機(ji)(ji)翼壁板.美(mei)國(guo)(guo)的(de)(de)Bodycote、ADMA等(deng)公司采用(yong)粉末(mo)冶金(jin)(jin)方(fang)法生(sheng)(sheng)產(chan)各種導(dao)(dao)彈武器(qi)(qi)用(yong)的(de)(de)鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)(jin)部(bu)件(jian).美(mei)國(guo)(guo)的(de)(de)休斯公司、BAE 公司等(deng)采用(yong)超塑(su)成(cheng)形(xing)技術(shu)制(zhi)造鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)(jin)導(dao)(dao)彈外殼(ke),推(tui)進劑貯箱等(deng),不但減輕了重量,而且(qie)減少費用(yong)30% ~ 40%。

2、日本

鈦合金在火箭上的(de)應用

日(ri)本在火箭上應(ying)用鈦合(he)金(jin)的歷史可追溯到1968 年.日(ri)本第(di)一(yi)顆試驗衛星"大(da)角"號使用了(le)Ti-2Al-2Mn 鈦合(he)金(jin).

其他應用的(de)例子有(you)機翼的(de)前(qian)緣部位、噴嘴的(de)夾(jia)持(chi)器(qi)、多(duo)級火箭的(de)斷裂接頭(tou)部位等.日本(ben)研制的(de)低溫結構鈦合金LT700(Ti-3Al-5Sn-1Mo-0.2Si)已用來制作(zuo)液(ye)氫(qing)渦輪泵.

3、俄羅斯

鈦(tai)合金在地球衛星上(shang)的應用

1957 年10 月(yue),世界上第一顆人造(zao)地球衛(wei)星(xing)Sputnik1 在俄羅斯(si)發(fa)射成功(gong),開創了(le)人類航天新紀元.俄羅斯(si)鈦在航天工程上應用(yong)的實例很(hen)多(duo).如"能源(yuan)- 暴風雪"號(hao)、"和(he)平(ping)-1"號(hao)、"進步"號(hao)、"金(jin)(jin)星(xing)"號(hao)、"月(yue)球"號(hao)航天器(qi)中(zhong)均廣泛使用(yong)了(le)鈦及鈦合(he)(he)金(jin)(jin)材料(liao),用(yong)OT4合(he)(he)金(jin)(jin)板材制造(zao)液(ye)體(ti)燃(ran)(ran)料(liao)火箭發(fa)動機的燃(ran)(ran)燒(shao)倉(cang)和(he)"和(he)平(ping)-1"號(hao)軌(gui)道站對接(jie)件,用(yong)OT4-1 合(he)(he)金(jin)(jin)制造(zao)發(fa)動機吊架構(gou)件、燃(ran)(ran)料(liao)箱(xiang)、管接(jie)頭和(he)托架等.BT5-1 和(he)ПT3B 合(he)(he)金(jin)(jin)用(yong)于制造(zao)容器(qi)- 增壓(ya)(ya)系統蓄壓(ya)(ya)器(qi)和(he)低溫液(ye)體(ti)儲存箱(xiang),BT5-1 合(he)(he)金(jin)(jin)還用(yong)于制造(zao)液(ye)氫輸送泵的葉輪.此外,TH1 合(he)(he)金(jin)(jin)還用(yong)作天線、推桿(gan)、接(jie)觸器(qi)及航天減震部(bu)件.

4、中國

鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)發動機中國在"太空之路"上(shang)已取得了令(ling)世界矚目的成(cheng)就.從1970 年(nian)4 月(yue)24 日長征(zheng)一(yi)號運(yun)載(zai)火(huo)箭將(jiang)"東(dong)方紅一(yi)號"衛星送上(shang)預定的軌道(dao)以來,我國已經發射了長征(zheng)系(xi)(xi)列(lie)(lie)運(yun)載(zai)火(huo)箭和(he)(he)神舟系(xi)(xi)列(lie)(lie)飛船,這(zhe)些(xie)航(hang)天器上(shang)均使(shi)用了鈦(tai)(tai)材.如我國研制(zhi)(zhi)的液氫(qing)環境下使(shi)用的低溫(wen)TA7ELI 鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)氣(qi)瓶已用于CZ-XX 系(xi)(xi)列(lie)(lie)運(yun)載(zai)火(huo)箭;我國還用BT20 鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)導(dao)彈(dan)的外殼(ke)體和(he)(he)燃(ran)料油箱(xiang)殼(ke)體;用TC4ELI 鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)運(yun)載(zai)火(huo)箭的低溫(wen)液氧、液氫(qing)高壓(ya)氣(qi)瓶等(deng)。

寶鈦(tai)集團有(you)限公司(si)作(zuo)為國(guo)家高新科(ke)技企業,曾先后為我國(guo)神舟1 ~ 10 號飛船提供了(le)重要(yao)的(de)鈦(tai)金屬材(cai)(cai)(cai)料,包括合金棒材(cai)(cai)(cai)、鍛件、環(huan)材(cai)(cai)(cai)、管材(cai)(cai)(cai)、板材(cai)(cai)(cai)等,為神舟系(xi)(xi)列的(de)發射成(cheng)功(gong)做出了(le)貢獻,也為東(dong)方(fang)紅(hong)衛星(xing)、長征系(xi)(xi)列火箭和系(xi)(xi)列導彈等提供了(le)關鍵的(de)結構材(cai)(cai)(cai)料。

我(wo)(wo)國載人飛(fei)船(chuan)各艙段(duan)的結構(gou)材料的內(nei)部(bu)結構(gou)為耐(nai)熱鈦合(he)(he)金;我(wo)(wo)國航天飛(fei)機的軌(gui)道器的支承主發動機的推力(li)結構(gou)用鈦合(he)(he)金制造.此(ci)外(wai),鈦合(he)(he)金還用于制造火箭機盤、導彈基座構(gou)件、導彈動力(li)葉片套等。

鈦合金手表

我國(guo)研(yan)制的TB2 合金(Ti-3Al-5Mo-5V-8Cr),于(yu)1984 年首次應用(yong)(yong)于(yu)衛星(xing)星(xing)箭連(lian)接(jie)帶,目前已用(yong)(yong)于(yu)各(ge)種(zhong)型號衛星(xing)20 多次;TB10 合金(Ti-3Al-5Mo-5V-2Cr)已用(yong)(yong)于(yu)航天結構件、飛(fei)機機身、機翼結構中(zhong)的鍛(duan)造零件;NINCT20 鈦合金不僅可用(yong)(yong)于(yu)火箭發動(dong)機管路(lu)系統,而且還(huan)可廣泛用(yong)(yong)于(yu)宇航工業(ye)形狀(zhuang)復(fu)雜的低溫管路(lu)系統.此(ci)外,我國(guo)制造的航天鈦手(shou)表(biao)(biao)也引起(qi)了世人的關注.這種(zhong)鈦合金手(shou)表(biao)(biao)重量僅為94 克,且精確無比。