钛与钛合金的发展与应用(第四篇).doc

钛与钛合金的发展与应用.第四篇应用篇第一部分、工业纯钛的应用：第一篇提到过，工业纯钛按照国标分为TA1-TA4不同牌号，加工成板、管、棒、丝、带等各种半成品。工业上比较常用的纯钛是TA3，因为它的耐腐蚀性和综合力学性能比较适中，抗腐蚀能力比常用的不锈钢强15倍，使用寿命长10倍。因此广泛用于石油化工设备、滨海发电装置、海水淡化装置和舰艇零部件。如果需要高强度和耐磨性，就需要采用TA4。而对成形性要求高时，就需要采用TA1或者TA2。工业纯钛对核辐射的耐受比不锈钢要高的多，长期使用也不会变脆，因此还可以用于核反应堆的零件。这是钛的工业应用。钛完全无毒，具有良好的生物相容性，可以与骨组织紧密牢固的结合，是理想的生物材料，因此在医疗领域大显身手。高尔夫球杆和网球拍的外框、自行车的骨架也会用到金属钛。近年来，眼镜、珠宝行业，用钛量（主要是纯钛,也有部分钛合金）也在急剧上升。这是钛的生活应用。纯钛应用，在钛工业中占到的比例不到10%。90%以上，都用在了形形色色的钛合金上第二部分、钛合金的应用：中国钛合金的应用领域，主要集中在石油、化工等工业领域，并逐步向航空航天、海洋化工和日常生活扩展。表1：部分钛合金在中国的应用和碳纤维复合材料一样，本文对钛合金重点关注的，仍然是航空航天领域的应用。下面我们就来聊聊这方面的情况。一航空领域重点看两个领域：1 高温及阻燃钛合金（用于航空发动机）2 承力及强韧钛合金（用于飞机结构）。其实，这二者有很多交叉如发动机支撑结构件，既是耐温合金也是承力合金。咱们试着分别讨论。1 航发用高温钛合金表2：发动机钛合金用量*（兵器迷推测为WS-10）数据说话。进步，那是看得见的；差距，那是明摆着的。结合中国的应用情况，我们重点介绍几种钛合金牌号如下：TC4：即钛铝钒合金Ti-6Al-4V及其各种发展型号，中国国标牌号TC-4，属于+合金。这是一个大家族，既有结构合金，也有耐温合金。自美国1954年作为结构合金采用以来，占美国钛合金消费量的60%（其他有25%为耐蚀合金，15%为其他结构合金）。TC-4应用历史悠久，性能数据最全、用量最大，在全球钛合金中占有最重要的基础地位。国内应用：在中国，TC4同样是钛合金应用的基础。而它的奠基人，乃至整个中国航发耐温钛合金的奠基人，就是中国钛合金领域当仁不让的大腕，航空报国金奖的得主曹春晓院士。根据中国航空报、航空材料学报报道：1964年底，航材院钛合金研究室的领导和专业组长曹春晓采用TC4取代钢制成涡喷6发动机的压气机转子叶片和盘。1966年，试车达到244小时，圆满达标。1969年制成装有TC4叶片和盘件的两台涡喷6A型发动机安装在同一架飞机上，完成了我国第一架有发动机用钛合金盘、叶片的飞机试飞任务。1970年开始，涡喷6B型发动机在制造中选用TC4，并进行了小批量生产。之后，五六种航空发动机先后应用了TC4合金压气机叶片、盘。结构件方面：21世纪初，航天材料及工艺研究所进行粉末TC4 合金骨架(如下图)的研制，并提供了小批量的试验件进行全面的试验图2 TC4 合金骨架( 图1)TC4工作温度在400以下，既是我国结构用钛合金四大牌号（TC1，TC4，TA7M，BT20）之一，又是航空发动机风扇叶片和压气机第1、2级叶片的两种基础钛合金应用牌号(TC4和TC6)之一。TC4占有非常重要的钛合金基础应用地位。仅仅从TC4的价格是整个钛合金市场的基准，其重要性就可见一斑。其应用成就获得1978年全国科学大会奖。官方评论是：“TC4合金产品的组织性能达到了国际及美国宇航材料标准，它的研究成功为我国钛工业的发展和在航空工业中的应用奠定了基础，起到了开路先锋的作用。”TC11继TC4之后，曹春晓再接再厉，开发具有“四高二低”（高温、高强度、高韧性、高刚性、低密度、低裂纹扩展速率）特性的TC11钛合金，即Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si。自研发成功至今，TC11大批量地应用于涡喷13发动机，推广应用到昆仑、涡扇9、涡扇10等发动机。1979年，曹春晓主持TC11合金用于涡喷13第三至第八级压气机盘、转子叶片和第一至第七级静子叶片。TC11钛合金同时还用于歼7减速伞舱梁。1980年代，将歼8-2的涡喷13A发动机2到7级压气机的钢机匣改为TC11铸钛机匣，使发动机的重量减轻了12.9千克。1990年代，TC11 钛合金用于涡喷13FI发动机用1-7级转子叶片、盘及静子叶片，WP13FI 第 1 级转子叶片由 24 片改为 19 片，其第 3 级静子内环采用钛合金整体精铸及热等静压式工艺。2000年代，中推核心机的七级轴流式高压压气机带进口导流叶片，前两级盘为TC11钛合金制造2006年，中国航空报报道，“太行”发动机前机匣攻关团队，攻克了阻碍近10年之久的前机匣加工生产“瓶颈”，结束了大型复杂零件多轴联动数控编程依赖对外合作的历史，提高了前机匣的加工效率和质量，节省了大量的科研经费，圆满完成了攻关任务，填补了行业内TC11钛合金机匣类高效数控加工的空白。2005年11月，该项目的工艺、数控编程技术通过了部级鉴定。TC11是我国航空发动机工作温度500左右的高温钛合金三大牌号（TC11、TA15和TA7）之一合金，而且是我国目前航空发动机上用量最大的钛合金，也是我国军用工业中用量最大的一种钛合金，同时又是最重要的承力结构合金之一。其成果获1987年度国家科技进步一等奖，官方评论是：“TC11合金，为两种新型歼击机（歼7和歼8）首飞立下了汗马功劳”Ti55曹春晓主持研制的钛合金Ti55, Ti-5Al-4Sn-2Zr-1Mo, 工作温度550，是我国独创的含稀土元素钕的高温钛合金，该合金在某新型航空发动机压气机盘、叶片和鼓筒上成功应用。该项目为国防科工委“八五”重点预研项目，突破了八大关键技术，于1998年获国家科技进步二等奖。官方评价为“在率先应用含钕新型钛合金以及急冷式模锻、三重式+热处理等关键技术方面具有创新性，标志着我国高温钛合金的应用达到了新水平”。Ti55与Ti633G,Ti53311S一起，成为我国550环境应用的三大耐温钛合金之一。Ti60/Ti600中国工作温度600耐温钛合金牌号。前者由金属所研制，在Ti55加入1%的铌Nb构成，后者是西北有色院含微量稀土元素Y的合金，在600-650有较好性能，抗蠕变性能尤其突出，甚至超过了国外的IMI834。TD2TD2属于金属间化物合金，工作温度为650-700。再次由曹春晓主持，研发TD2合金用于涡喷13发动机涡轮导风板和二级涡轮结合环，取代GH4033镍基高温合金。1996年评审验收的一台装有Ti3Al合金（TD2）零件的航空发动机首次试车成功，这是我国金属间化合物结构材料进行试车的首例，也是国际上Ti3Al基合金转子零件进入航空发动机试车阶段的首例。该成就获1999年度国家科技进步二等奖。官方评价为：“TD2合金工艺及性能稳定，拉伸强度、塑性、断裂韧性、冲击韧性等关键性能优于美国同类合金（超2合金），在均匀化熔铸工艺等实用化关键技术、性能系统研究以及Ti3Al基合金转子零件率先地面台架试车等方面居国际领先地位。”TD3(TiAl24Nb15Mo1.5)与TD2合金相比，TD3具有更好的抗氧化性、断裂韧性、塑性和高温持久性能。近年来，曹春晓与课题组同志一起已用Ti3Al试制了气体涡轮的燃烧器旋流器、压缩机外壳、支撑环、燃烧器，涡轮导风板。并在生产条件下研制出我国迄今为止最大的Ti3Al合金锻件（重70千克，外径770毫米）。在2000年年底的验收中被国防科工委专家组评为A级。TD4(TiAl24Nb13Mo1.5Si0.5)进入21世纪，年逾古稀的曹春晓院士，还在积极研究可在750-850下长期工作的金属间化物TiAl合金TD4，已取得重要进展，即将进入应用研究阶段。什么叫高山仰止？什么叫海阔天空？师昌绪、曹春晓、谭树森这样的大师，在兵器迷看来，就是山，就是海，就是星座。Ti6792008年，Ti679钛合金课题组在840、870、900、940和980五个锻造温度区间进行试验，试验结果发现：该合金的力学性能，随着锻造温度的升高，呈现出“低高低”的变化规律，而940临近相变点(+到相变点为953)锻造的室温、高温拉伸和蠕变性能最好，用于改进秦岭发动机的大型整体叶盘和阻燃钛合金机匣。TC17TC17 (Ti-5Al-2Zr-4Mo-4Cr)用于飞机发动机整体叶盘、紧固件、导向装置。宝山钢铁股份有限公司特殊钢分公司特殊钢技术中心，采用等温锻造工艺成功地试制出钛合金精密锻件直径为500mm的BT25高压压气机盘及TC17钛合金整体叶盘钛合金整体叶盘，呵呵，看到这样的词，兵器迷的眼睛都放光啊。Ti2AlNb/T633G/Ti650都是铌钛铝合金，耐高温，用于航空发动机。网载：北京科技大学新金属材料国家重点实验室称，经过20年的研究，具有我国独立知识产权的新一代航空航天用发动机材料，高温高性能高铌钛铝合金材料步入产业化阶段，这一技术将使我国航空航天发动机材料居世界领先水平。新型铌钛铝合金的主要用途之一，就是12-15推重比的新一代高推。曹春晓领军的耐温强韧钛合金团队、师昌绪领衔的高温镍基合金团队，为这项中国高端合金的最顶级应用，打造了光彩夺目的试金石。而“步入产业化阶段”的报道，更加令人欣喜，也更加令人关注我们多少牌号的钛合金，年复一年的躺在实验室的样品柜里，至今无法实现产业化应用啊。二、承力结构钛合金和其他用途钛合金从欧美的情况来看，钛合金与碳纤维复合材料在战斗机结构重量的占比在稳步增加，而铝合金和钢铁的比例在稳步下降。中国虽然有较大的差距，但发展趋势亦大体如此。表3：战斗机钛合金用量*（兵器迷推测为歼-10）有一点需要注意：有的新闻报道中，并未明确飞机承力结构中钛材的用量是钛件重量还是钛材重量，这是有很大区别的。一般形成1公斤结构钛件，需要切削钛材10公斤以上。比如美国B1B每架需要90.4吨钛材，但最后形成的钛结构件远不到10吨。（近净成形工艺的残料率会大幅度降低，不过大规模采用是以后的事）从上表中，我们可以看到中国钛合金的应用差距。虽然没有更新机型的数据，但从上一篇工艺篇的情况看，中国的新一代战机，特别是四代机大量采用钛合金主承力结构，因此钛合金应用比例无疑会大幅度增加。能否达到F22的水平尚无定论，但超过超级大黄蜂还是有基础的。TC4/TC11前面说过，这两者是航发耐温合金，也是极其重要的结构钛合金，不赘述。TC21据钛工业进展报道，由中航工业北京航空材料研究院研究员朱知寿主持研制的高强韧损伤容限型钛合金，目前具有300 mm以下大棒材具备稳定批量供应的条件。其综合力学性能比美F-22飞机应用的Ti-6-22-22S（美）和苏-27系列飞机广泛应用的BT20（俄）钛合金更加优异，特别是具有非常优异的电子束焊接性能适合于制造飞机大型整体框梁类重要承力构件。满足了飞机关键承力部件的设计要求，实现了在5个机种上的装机领先应用，提升了我国飞机钛合金用量及应用水平。TC4-DT2011年，依然是中航朱知寿研究员，创建了TC4-DT中等强度高损伤容限型钛合金,已经开始大量应用于我国新一代飞机，满足了飞机大减重、长寿命和安全可靠性设计与使用要求。TC4-DT钛合金是我国结合纯净化熔炼技术和新型的热处理工艺技术而研发的新型中强度高损伤容限型钛合金，该合金具有很高的韧性、低的疲劳裂纹扩展速率、优异的焊接性能、优良的工艺性能和较低的成本等综合性能，特别适合制造飞机大型整体框梁类重要承力构件。目前，TC4-DT钛合金300 mm以下大棒材具备批量供应的能力。TA7该合金热塑性、稳定性、焊接性都很好，耐热温度为400，多用于飞机蒙皮，是我国应用最广的钛合金。TB-8/TiB19/TiB20TB-8, 九五期间研制的超高强钛合金，抗拉强度1250MPa, 成功研制了195mm大规格棒材和板材、丝材，试制了发动机导风罩，并试飞成功。与TiB-19/TiB20一起，成为中国结构用钛合金的典型牌号。Ti18/Ti17/Ti10-2-3Ti18是北京院仿制俄罗斯的高强度钛合金，Ti17和Ti10-2-3是仿制美国的高强度钛合金中国还有TC15钛合金用于飞机骨架，TiSn5Zr1Mo钛合金用于起落架、飞机承重架、紧固件。中国承力结构钛合金的应用，随着3D打印技术的突破，大型钛合金构件的生产，在一定程度上绕开了焊、锻、铸等传统工艺的慢板，快速突进，而在21世纪大放异彩。单件重量逾50200 kg的结构钛件已经应用于多种机型的主承力结构。如中国航空网报道：歼15飞机起落架的关键钛部件，已经受2000多个起落，进入批产主承力结构件批产，相当给力啊。再如C919的主风挡窗框，某型大运的中央翼梁（超过5米）。图3：西北工业大学3D打印5米飞机承力梁飞机承力构件和航空发动机，分别代表着结构钛合金和高温钛合金的典型应用场景。如果一个国家能在这两个方面获得突破，则钛合金的整体水平一定不俗。咱们套用一句老话“两手都要抓，两手都要硬！”航天领域网载：目前我国用于卫星的高强钛合金主要是TB2合金( Ti5583)，Ti-A6V用于飞船主用材料，Ti1M1315用于火箭机盘、导弹基座构件，Ti1M1550用于导弹动力叶片套。卫星：2007年，嫦娥一号卫星的空间相机的基座、框架,某侦察卫星的摄像系统框架、镜身、中框、联接件、镜筒、底框、支架均采用钛合金精铸件。2013年中国第一台大型全钛紫外太空望远镜也已经制造并实验完毕。飞船：“921”载人航天工程神舟系列飞船的相关部件,如由沈阳铸造研究所为神舟系列飞船研制的分离密封板、支架等20 余种钛合金精铸件。火箭和导弹：钛精铸件用于5 个系统(推进、弹头、制导、弹体结构、电源) 中，如应用于推进系统的主要是导弹的发动机部件,如进气道、转弯段、燃烧室壳体等, 应用于弹头系统的主要是战斗部壳体等铸件,应用于弹体结构的主要是壳体、舱体、舵面骨架、舵翼骨架等铸件。此外,导弹壳体、箱体、尾段、级间段、仪器舱体的仪器舱体，也已开始应用钛合金精密铸件。焦点和篇幅所限，钛合金在中国兵器工业其他领域的应用，就不在此赘述了。海洋工程领域最后，随着中国海洋战略的推进，石油平台和海上舰船的钛合金应用，正日益成为中国钛工业的一个重要新兴领域。表4 中国海洋平台用钛合金大家熟知的那艘中海油第六代深水半潜式钻井平台“海洋石油981”，造价60亿，钛合金可没少用啊，呵呵。总结：钛与钛合金的应用与发展系列文章，终于结束了。回顾四篇中的介绍，我们对中国钛工业的发展做出总结兵器迷的文章，真是越写越八股，唉。金属工艺领域，相对来讲是中国人的长项，这与碳纤维复合材料领域的被动情况显著不同。应当承认，中国建国后迅速建立并不断完善的工业基础，还是起到了很大的作用。具体到钛工业，无论是产品的完整性还是工艺的先进性，都可圈可点。短板存在，但基本没有大的空白。有基础、有不足、有突破、有希望，是兵器迷对钛工业的总体评价。在钛生产层面：中国是钛资源大国，占世界已探明储量的48%；也是钛生产大国，占世界产量的25%多。在钛生产上，中国的相对短板有三块：钛铁矿品位低，冶炼成本居高不下，先进熔炼设备依赖进口。第一块是先天不足，需要通过后两块的技术提升加以弥补。比如，熔盐电解法制钛和电子束冷床炉熔炼 (EBM)等这样的技术都亟需突破，也大有希望。再有，中国需要提高钛材初级产品的加工深度和附加值，高度警惕美国最大钛材商Timet他们已经觊觎中国钛源多年的任何收购行为。全力避免我们的战略资源低价流失，像俄罗斯阿维斯玛公司那样，沦为波音和空客每年2545万吨产品合金产品的初级原料供应商。钛工业决不能成为中国的下一个稀土系。提高冶炼效率，保护战略资源。如此，中国成为钛生产强国的愿景，前程远大，后势可期。在钛合金层面：钛合金在强度合金、耐热合金、耐蚀合金、超导合金等各方面的应用越来越广。一方面，单项功能合金的需求日益提高，抗拉强度1100MPa的钛合金、600以下的耐热合金已经无法满足下一代航天器的需求；另一方面，对全能合金的需求也是重中之重：发动机风扇叶片既需要耐热，也需要抗拉强度；海洋平台所用的钛合金，既需要抗拉强度，也需要耐腐蚀。钛铝Ti3Al金属间化物合金，在航空发动机低压涡轮、高压压气机等温度超过600的运行环境有用武之地，5-10年内可以替代比重较大的镍基合金在850以下的环境中运行，应以重中之重对待。攻关高温钛合金生产的关键设备，逐渐摆脱对国外设备的依赖，是钛合金生产和创新的关键。如PAM离子束冷床炉熔炼, CCIM水冷坩埚感应熔炼法, AAM（电弧炉熔炼），AIM（感应炉熔炼），VIM（真空感应炉熔炼），真空电弧熔炼（VAR），电渣熔炼（ESR），电子束熔炼（EBM），电子束冷室炉床熔炼（EBCHR），等等。加强TD高温合金的基础研究，攻关钛合金熔炼的关键设备，是我们未来很长一段时间的两大课题。在钛合金加工层面：在工艺和成本可行的范围内，以焊代铆，以锻代铸，以大（如整锻）代小（如焊接），以加（近净成型）代减（切削加工），均已是中国钛工业的趋势。中国不但已经在快速追赶的道路上，而且在部分领域（超级重锻、激光成型）具备了弯道超车的创新条件，这是值得中国军迷激赏的快事。不足与成就同样醒目我们看到北航激光快速成型技术获得国家技术发明一等奖的成绩，也看到这背后所有的大功率激光器均来自进口的隐忧。我们为新国标中三大类70多种钛合金牌号而弹冠相庆，也为加工工艺的不过关有些合金尚无任何办法能够批量热加工（特别是焊接和锻造）导致能够大规模运用的新型合金牌号屈指可数而神伤黯然。我们有理由为先进工艺的突破和领先而自豪，也很自然的深感其工业化步伐的迟缓而倍感焦灼。钛合金加工，属于金属工艺的领域，而后者是钢铁业的看家本领，很多金属加工领域的技术是相通的。中国钛工业可以更多的联合钢铁领域的力量，共同研发钛合金加工的核心技术。日本的神户制钢和新日铁，本身既是钢铁霸主，也是钛业巨头，应当给我们更多有益的启示。值得注意的是，从中国钛合金工艺进展的情况分析：结构承力合金工艺显著突破，应用急升；但高温合金的热加工和推广就相对有限。在这些问题得到有效解决之前，航空发动机的突破仍需假以时日。高推航发的昂然轰鸣，是最动听的中国好声音；高推航发的稳定批产，是我们最甜蜜的中国梦。在应用层面说起来，美俄欧日中，都是钛应用的大国，但是，中国的钛（含钛合金）的消费结构，不够合理，因为绝大部分集中于一般的工业应用，而航天航空领域的应用比例不高（见表5）。个人认为，就应用领域而言，中国在耐蚀合金（石化海洋）上的应用范围最广，在结构合金（航空航天承力件）上的应用创新最快，在高温合金（发动机）上的应用推广最弱(主力应用牌号是500-550，更高温度的牌号大都在半工业化试用中)。在航空航天领域的有限钛合金应用中，模仿多，创新少；牌号多，推广少的尴尬长期存在。表5：世界钛消费分布日本是因为航空业被美国控制而形成了畸形的钛消费结构。而我们，是不愿意将太空金属钛用在航空