鈦合金在航空航天領域中的應用探討

何丹琪 石顥

摘要：近幾年，我國不斷增強空中軍事力量的建設，加大對外太空的探索步伐，促使了一種新金屬的快速發展，那就是鈦合金的研發應用和推廣。在航空航天的領域中，對其所需要的建設和組成材料有著嚴格的要求標準，往往要求這些材料具有較高的強度性、耐高溫性和抗腐蝕性。文章對鈦合金在航空航天領域的應用進行了探討。

關鍵詞：航空航天；鈦合金；飛機機架；鈦合金氣壓機；鈦合金旋壓件；燃氣發動機 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG146 文章編號：1009-2374（2016）27-0050-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.27.023

近幾年，受全球能源危機的影響，我國在航空航天的發展過程中，對符合其標準、高強度、耐高溫的新型結構材料的需求量日漸緊張，鈦及其鈦合金由于具有良好的金屬性質，促使了這一復合材料在航空航天的領域中的廣泛推廣和應用，但是也受到其加工效率和生產成本的制約。伴隨著鈦合金的開發和研制，鈦材料品種的爭奪以及價格的降低，使鈦在工業建造中的應用范圍成倍增加。在航空航天的領域中，鈦的使用大國基本集中在西方國家，尤其是率先完成第二次工業革命的美國、英國等國家，他們將50%以上的鈦材料運用在航空航天的事業中。但是相比之下，亞洲國家包括我國在航空航天的領域中鈦的投入量只有10%左右。但是近幾年隨著亞洲國家在航空航天領域的飛速發展，鈦在航空航天的消費量將會隨之增長，因此這種新型的鈦合金金屬將會成為目前乃至今后我國重點研究的對象。

1 鈦合金簡介

新型鈦合金就是將鈦當作基礎形式，以融入其他的合金元素或者是材料所構成的復合金屬稱之為鈦合金。鈦合金在不同結構和特性上可以分為多種。相比其他復合材料來說，新型鈦合金有著密度較低、韌性強、抗腐蝕性能高等金屬屬性，使其成為最理想的航空航天工程結構的材料。

2 鈦合金的發展

自18世紀末年開始發現鈦到現在為止已經有200多年的歷史了。但是由于鈦金屬的熔點較高，并且化學性質十分活潑，所以導致塑性良好的純鈦很難制取。鈦錠必須要在真空中進行冶煉，在冶煉的過程中制造工藝復雜，從而使得鈦及其合金長期不能被廣泛地用于工業生產和工業建造。隨著科學技術和經濟的不斷發展，對涉及航空航天發展所運用的材料也有了進一步的探索和研究，從而推進了鈦工業取得了迅速的發展，鈦及鈦合金的金屬屬性決定了鈦合金主要的應用與發展。概括起來，鈦及鈦合金主要有以下的金屬特性：

第一，相對于其他的復合材料，鈦的金屬特征具有密度小、強度性高等特點。其密度正好在鋁和鐵之間，但是在強度和韌性這一方面，鈦合金遠遠高于鋁和鋼。

第二，鈦合金在使用和加工過程中所面臨的溫度程度較為廣闊，所以在加工和使用過程中，當溫度降低到-200℃多時，它依舊可以保持原有的塑形，而在高溫加工的狀態或者是在高溫環境的使用過程中，它所承受的高溫可以達到500℃多，由此可見，在耐熱程度上遠高于鋁合金和鎂合金。假如，在使用和加工過程中，能夠避免或者是防止更高溫度環境下因為氧化所引發的環境污染問題，那么它將可能會得到更進一步的發展。

第三，鈦及鈦合金還具有優良的抗腐蝕性，特別是在海水和海洋大氣環境中抗腐蝕性極高，從而使得鈦及鈦合金在艦艇船舶和飛機上的應用具有較大的競爭力。

第四，鈦具有非常高的化學性質，在高溫加工的過程中非常容易受到氫、氧、氮所引發的污染問題，使得它在冶煉和加工的過程中受到約束和限制，從而讓生產成本變得相對較高。

第五，相對于其他的復合材料，鈦合金的導熱性較差，并且具有相對較低的抗磨性能。因此導致了在切削加工的工作過程中，避免不了由于工件及刀具的溫度升高所引發出現的黏刀的現象。

3 鈦合金在航空航天領域中的應用

3.1 鈦在早期航天事業發展的應用范圍

應用于航空、航天的鈦合金材料叫做鈦合金鑄件，其應用范圍非常廣泛，在物件接頭，一些鉚件、鑄件都有。鈦合金在制作飛機的過程中，其主要運用在發動機壓氣機部件的組成零部件上，其次是在火箭的研發以及一些武器結構件。進入21世紀中期，鈦及其鈦合金已經在一般的工業領域中廣泛應用。

3.2 鈦合金在飛機機架的革新

鈦合金是航空航天工業中使用的一種新的重要結構材料，比重和使用溫度介于鋁和鋼之間，但是其比強度高并具有優異的抗海水腐蝕性能和超低溫性能。20世紀60年代開始鈦合金的使用部位從后機身移向中機身、部分地代替結構鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構件。隨著國防力量的不斷建設，鈦合金在軍用飛機中的用量迅速增加。在整架飛機結構總重量中，鈦合金的重量就占據了20%～25%。隨著時間的推移，為了滿足社會的需求，民用飛機也開始大量使用鈦合金，比如在波音747客機上，鈦用量的重量達到了3600千克以上。對于那些馬赫數小于2.5的飛機，鈦的應用主要是為了代替鋼的使用量，從而減輕飛機結構的重量。又如美國SR-72系列的高空高速偵察機，它的飛行馬赫數為3.0，飛行的高度更是達到了26200米，在它的建造過程中，鈦合金是重要的結構材料，鈦合金更是占到了飛機結構重量的91%，被稱為“全鈦”飛機。

3.3 鈦合金氣壓機

當航空發動機的推重比從4～6提高到8～10的時候，壓氣機出口的溫度也將隨之相應地從200℃～300℃增加到500℃～600℃，那么原來由鋁來制造的低壓壓氣機盤和葉片就必須要改用以鈦合金來制造或者是用鈦合金替換不銹鋼制造高壓壓氣機盤和葉片，從而達到減輕飛機結構重量的目的。從20世紀70年代開始，鈦合金在航空發動機中的用量一般占結構總重量的20%～30%，主要用于制造壓氣機部件，如鍛造鈦風扇、壓氣機盤和葉片、鑄鈦壓氣機機匣、中介機匣、軸承殼體等。而航天器主要是利用鈦合金的高比強度、耐腐蝕和耐低溫性能金屬特性，來制造各種壓力容器、燃料貯箱、緊固件、儀器綁帶、構架和火箭殼體。人造地球衛星、登月艙、載人飛船和航天飛機也都使用鈦合金板材焊接件。

3.4 鈦合金旋壓件的應用

在航空航天的領域中，將鈦合金投入到航天飛行器系統的使用，不僅是因為鈦合金具有較強的組織特性和良好的物理性能，更重要的是具備輕量及精密化的特征。新型鈦合金旋壓件的質量可靠性需要進行多次試驗的數據分析。由于鈦合金板材的成形方面極其復雜，所以使得航天703將TC4作為鈦合金板材的基礎，采取普旋和強力旋壓相結合的方法制造出新型鈦合金的半圓球體，同時將TC3和TC4作為鈦合金板材的配料，以熱旋壓作為技術手段制造出兩種新型鈦合金半球體。

3.5 在燃氣發動機中的應用

在航空航天領域中，鈦合金還有一大主要的應用領域，那就是在飛機的發動機制造中的應用。目前為止，我國的現代飛機所用的燃氣渦輪發動機的結構質量其中有1/3就是由鈦合金所組成的。但是，根據相關數據發現早在20世紀40～50年代，一些在工業發達的國家，比如美國和英國，這兩個國家在早期生產飛機的過程中就應用了鈦合金技術來改進噴氣式發動機的結構部件。最早的鈦合金發動機部件就是壓縮機葉片，隨后鈦合金壓縮盤也緊跟著迅速發展。現如今，大多數噴氣式的發動機所使用的風扇葉片都是新型鈦合金制成的。

3.6 高溫鈦合金的應用

由于高溫的鈦合金有著較強的熱強性和高比強度的特性，促使了它在航空發動機上的廣泛應用。高溫鈦合金在飛機發動機上主要運用在發動機的風扇、葉片、精密的儀表或者是導航儀。運用鈦合金來替代原有的鎳基高溫合金，促使壓氣機的結構重量降低30%～35%。多年以來，為了滿足高性能發動機的需求，就形成了一套健全的鈦合金體系。

4 航空航天工業中鈦合金的加工難點

目前，航空航天事業的不斷發展，為了達到減輕飛機重量這一目的，促使了在航空航天發展過程中對符合其標準的材料需求越來越嚴峻，鈦以及鈦合金與普通材料對比之下，鈦合金這種復合材料重量更輕、強度和韌性更高。但在加工的過程中，特別是在切削加工過程中，它們各自面臨著不同的加工難題和困擾。在切削加工的工作過程中，制造商一定要盡可能達到最高的質量水平。即使存在對領部構件成本的堪憂，但在很多情況下，如何生產出高質量的零部構件是優先考慮的事項，其次才是如何提高生產率。

5 結語

目前，我國的科學技術手段已經基本滿足了小型鈦合金的旋壓工藝技術的要求。但是由于鈦合金是一種新型的金屬，尤其是它本身化學活性很高，非常容易受到氫、氧、氮的污染影響，從而導致對其難以冶煉和加工，使得生產成本變得相對較高。在鈦合金的應用過程中，它還有一些其他的優良性能并未得到充分的驗證，導致了在它使用的過程中具有一定的局限性。雖然在航空航天發展的過程中面臨著使用高性能復合材料的挑戰，但是隨著航空航天產業的快速發展，新型的鈦合金技術將會步入一個新的發展時期，它的旋壓成形技術將會在航空航天以及其他的領域中具有更加廣闊的發展空間和運用范圍。

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（責任編輯：蔣建華）