航空用途損傷容限鈦合金的研究進展

葛晨 陜西寶鈦集團

一、概述

1903年萊特兄弟（Wright brothers）發明飛機后，飛機工業正式誕生。此后，飛機工業技術飛速發展，相對應的制造技術也極大提升。但是因為戰爭時期大多數飛機被敵機擊毀，飛機使用壽命還沒有在這一時期引起人們的注意。

1954年，英國航空公司“彗星1號”客機的連續失事發生后，英國運輸和民航部對試驗機體的客艙和駕駛艙進行模擬實驗。最終通過試驗證實，“彗星1號”的主體結構疲勞強度偏低。首次，飛機結構疲勞隱患進入了人們的視線，從而使得航空業以斷裂力學為理論依據從而引出損傷容限概念。

二、損傷容限基本概念

損傷容限指的是，在規定的（未經修復）使用時間內，材料結構抵抗由裂紋、缺陷及損傷而導致破壞的能力。損傷容限首先承認材料在使用前就帶有原始缺陷，在使用中不可避免的會受到來自外來物的損傷。但是，必須把這些缺陷和損傷在規定時間內的增長控制在一定的范圍內，使得裂紋及缺陷不會發生快速擴展。在此期間內，結構應滿足規定的剩余強度要求，以保證機體結構的安全性和穩固性。這就要求材料具有較高的斷裂韌性KIC，較低的裂紋擴展速率da/dN和較高的裂紋擴展門檻值△Kth。1974年，美國空軍頒布了針對飛機結構完整性設計的新標準《美國空軍飛機損傷容限要求MIL-A-83444》。至此開始，美國開始以損傷容限的理論為依據進行飛機的設計及改進。

三、國外航空用途損傷容限鈦合金的發展

鈦合金作為輕金屬合金材料，具有高比強度、抗腐蝕、高溫性能穩定的特性，并且與復合材料具有很強的兼容性，在飛機上可以減輕重量，適用于受幾何約束區域的高載荷結構，并且減少涂層要求，甚至在部分高溫區域代替鋁合金。因此，鈦合金廣泛應用于飛機非承重部位及發動機短艙低溫部件。鈦合金在飛機上的用量也成為衡量飛機先進性的重要指標之一。以空客飛機為例，1972年研制的A300含鈦量為5%，2006年研制的A380的含鈦量已經上升到10%。

因此，作為飛機構件的主要材料，就要求鈦合金滿足損傷容限的設計要求。目前主流的提高鈦合金損傷容限性能的方法有：降低合金中間隙元素（O，N，C等）的含量；再結晶退火；β退火。

鈦合金的顯微組織具有多樣性，不同顯微組織結構具有差異性較大的性能。因此，通過調整化學成分及熱處理工藝是提高鈦合金損傷容限性能的主要方式。目前，國外典型的損傷容限鈦合金有Ti-6-22-22S和Ti-6Al-4V ELI。表1為損傷容限鈦合金在國外飛機上的部分應用：

（一）Ti-6-22-22S

該材料于70年代由美國軍方研發，最早使用于發動機中。后加入損傷容限的設計理念，通過工藝改進提高了損傷容限性能，從而成功用于F-22和C-17等軍用飛機上。但是由于該材料沒有從根本上改善其強度及焊接性能等綜合能力，導致其無法大量使用。例如：在F-22飛機上，Ti-6-22-22S的占比僅僅為2.7%。目前的研究表明，在高強度（屈服強度超過1000MPa）的要求下，同時獲得高韌性、低裂紋擴展速率、且擁有優異的綜合性能幾乎是不可能。即在獲得高強度、高可焊的同時很難同時獲得高損傷容限性能。

（二）超低間隙Ti-6Al-4V合金（Ti-6Al-4V ELI）

在多種航空用鈦合金中，Ti-6Al-4V合金的研究較其他類合金較為成熟，其在航空的用量超過鈦合金總用量的50%。研究發現，通過在允許波動范圍調整Ti-6Al-4V合金元素占比得到的Ti-6Al-4V ELI合金，具有良好的損傷容限性能。

Ti-6Al-4V ELI合金的H，O，Fe元素的最高允許值較Ti-6Al-4V合金值有所降低。該合金的斷裂韌性高于93MPa·m1/2（T-L），而強度高于841Mpa。Y.V.R.K.Prasad等研究了含氧量為0.18%的Ti-6Al-4V合金和含氧量為0.13%的Ti-6Al-4V ELI合金的鍛造成型特點。研究表明：1.在750-1100°C和10-3-100s-1應變速率范圍內，Ti-6Al-4V ELI合金發生超塑變形的溫度范圍更窄，應變速率更低，延性峰寬更窄，加工過程中需要更加小的溫度控制范圍；2.在β轉變溫度范圍內的變形機理為1100°C下的動態再結晶，Ti-6Al-4V 合金的變形速率（10-2s-1）比Ti-6Al-4V ELI合金的變形速率（10-3s-1）高；3.與Ti-6Al-4V合金不同，因為在較低的變形速率下可能會形成邊緣裂紋和孔洞，Ti-6Al-4V ELI合金應避免在β轉變溫度附近發生變形。

四、結束語

我國航空用鈦合金經過近40年的研發，目前也已成功研制TC4-DT，TC21，TA15 ELI等多種損傷容限類鈦合金。但是因為材料仍處于科研階段，后期仍需更多工程應用研究，所以還未成功應用于航空用途。與此同時，國外對損傷容限類鈦合金的研究比較成熟，國外飛機上已大量使用損傷容限類鈦合金。

隨著航空航天技術的不斷發展，對于飛機結構的設計和要求也會更加適用人們的使用要求。飛機結構的損傷容限以及其耐久性的設計要求對于飛機的安全性、可靠性有著很大程度的提升。正因如此，加強對損傷容限類鈦合金的研究可以讓我國鈦合金材料在國際及國內航空領域有著更好的應用。