钛合金在飞机上的应用_杨健.pdf

NEW OBSERVATION 新 观 察 航空制造技术2 0 0 6年第1 1期 当今要求航空材料具有质轻 强 度高 耐高温 耐腐蚀 抗氧化和加 工成形性好等良好的综合性能 既要 保证飞机机体和发动机零件在受力 高温 腐蚀和其他作用条件下有较强 的工作能力 又要使飞机达到高的技 术品质 钛合金由于比强度高 耐腐 蚀 耐热等良好的综合性能和结构效 益高而被广泛用于航空领域 多用于 制造航空发动机中要求强度高与耐热 性好的重要零部件和飞机机体结构 件 尤其适用于大马赫数飞行的飞 机 随着航空工业的进一步发展 钛 合金在飞机上的使用将越来越多 随着飞机更新换代的加速 对飞 机性能要求不断提高 而飞机性能的 改进首先需要从材料入手 既要选用 先进材料来降低机体重量 又要考虑 材料的可靠性和经济性 基于这样的 背景需求 铝合金在飞机上应用的主 导地位开始被削弱 逐渐被满足高性 能要求的新材料所代替 其中 钛合 金为飞机设计者所青睐 机承力构件 通过添加S i 元素使该合 金在中温保持较高强度 优于Ti 6 A l 4 V 该合金板材可在室温下进 行超塑性成形 是F 2 2 战斗机的主 要材料 用于制造飞机下部龙骨翼弦 锻件 固溶时效后拉伸强度可达 1 2 0 0 MP a 屈服强度1 1 0 0 MP a 拉伸 及压缩模量比T i 6 A l 4 V 高8 裂 纹扩展速率与高纯T i 6 A l 4 V合金 相当 固溶处理后的成形性比退火态 好 成为最佳选用材料 T i 1 0 V 2 F e 3 A i T B 6 是2 0 世纪7 0 年代后期发展的一种高强 高 韧近 型钛合金 该合金具有比强度 高 断裂韧性好 淬透面积大 各向 异性小 锻造性能好和抗腐蚀能力强 等优点 兼有亚稳 钛合金的诸多优 点而不丧失 钛合金的固溶特性 能满足损伤容限设计需要和高结构效 益 高可靠性及低成本要求 最高工 作温度3 2 0 该合金主要产品有棒 材 锻件 厚板和型材 用于制造飞 机机身 机翼和起落架结构钛合金锻 件 包括梁 框 短舱接头 襟翼滑 轨等 在不考虑刚度的情况下 用该 目前 国内外军民机上应用的典 型钛合金有 T i 6 Al 4 V T C 4 是2 0 世纪6 0 年代初期研制的一种中等强度 型钛合金 具用优良的综合性能 誉 称万能合金 是最早最广泛用于飞机 结构的通用钛合金 包括板材 棒材 和锻铸件等 该合金有较好的焊接和 机械加工性能 细晶粒合金具有超塑 性 采用超塑性成形 扩散连接 S P F D B 组合工艺可以制造飞机隔 框 舱门等复杂构件 该合金一般在 退火状态使用 也可在固溶时效状态 使用 一般工作温度在4 0 0 以下 主 要用于飞机结构中梁 接头和隔框等 中等承力构件及紧固件 以及发动机 风扇和压气机盘及叶片等 代替钢可 减轻结构重量约3 0 T i 6 Al 2 S n 2 Z r 2 C r 2 Mo T C 2 1 是2 0 世纪7 0 年代研制的一 种高强 高韧 损伤容限型两相钛合 金 该合金在热机械处理 I MP 后 具有强度高 损伤容限性能好等优 点 以及优良的抗疲劳裂纹扩展能 力 适用于制造高强度 高韧性的飞 4 1 中国一航第一飞机研究院 杨 健 钛合金在飞机上的应用 随着航空工业的发展和对综合性能优良材料的需求 高温钛合金 阻燃 钛合金 T i A l 金属间化合物以及高强 高韧 高损伤容限型钛合金及钛基 复合材料等将成为钛合金的主要发展方向 应用背景和典型钛合金 新 观 察 NEW OBSERVATION 航空制造技术2 0 0 6年第1 1期 合金代替3 0 C r Mn S i A 零件可减重 4 0 左右 通过固溶及时效热处理可 实现强度 塑性和断裂韧性的良好匹 配 适于制造对强度 断裂韧性有较 高要求的结构件 通过热机械处理可 获得优良的韧性和低裂纹扩展率 适 于断裂韧性要求高的结构 型钛合 金由于通过热处理可获得高的抗拉强 度 与 钛合金相比 在强度接近 的情况下具有良好的断裂韧性 因此 近年来在航空上的应用呈上升趋势 首先在美国波音公司生产的军民机上 获得广泛应用 我国已经在军机上应 用 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还 有亚稳定 型合金 Ti 1 5 3和 2 1 S 型钛合金B T 2 2 等 T i 1 5 3 钛合金强度高 耐腐蚀性好 抗 氧化 该合金在固溶状态具有优良的 冷轧和冷成形能力 经过时效处理后 可以得到很高的强度 且具有较好的 焊接性能和高温性能 2 1 S 是抗氧 化及耐腐蚀性很好的钛合金 通过时 效可使强度提高到1 4 0 0 MP a 左右 耐 腐蚀性为一般合金的多倍 该合金在 5 9 3 有极好的热稳定性 是抗氧化 和抗高温液压油极佳的合金 可用于 大型民机发动机舱后整流罩隔热屏 喷管和尾锥 以取代钢和I n c o n e l 6 2 5 据预测 钛合金在民机上的应用 比例将达到2 0 在军机上的应用比 例将达到5 0 钛在飞机上的应用是 战斗机高速化和民航机大型化 远程 化及高速化的需要 大量采用钛合金 已成为一个国家航空工业水平的重要 标志之一 充分挖掘钛合金的应用潜 力需从以下几方面展开 1 使合金有更高的强度和可靠 性 2 进一步提高使用温度 3 具备高的工艺性和良好的可 焊接性 4 可生产多种半成品 5 创新设计 优化结构 尽可 能多地在结构中使用已开发合金及工 艺 据统计 钛在航空领域的用量占 其总用量的5 0 所以航空工业对世 界钛材需求量影响很大 钛合金作为 飞机结构材料 最早于2 0 世纪6 0 年 代开始应用 自此之后 钛合金在飞 机结构上用量不断扩大 到7 0 年代 钛合金用量达到飞机结构重量的 2 6 5 尽管由于钛合金成本和制造 技术方面的原因 其应用曾一度受到 限制 但随着材料制备技术和先进制 造技术的不断发 展 成本和加工 问题已不再十分 突出 随着钛合 金利用率的提 高 在航空领域 的用量将不断上 升 目前 钛合 金在先进军民飞 机上得到了广泛 应用 现作如下 介绍 1 B 7 7 7 是 波音公司上世纪 9 0 年代推出的产品 广泛采用新材 料 包括损伤容限复合材料和钛合金 二者相容性好 民航机体积和重量 大 每架飞机用钛量相当可观 据统 计 一架B 7 7 7 客机使用的钛材约6 0 t 该机使用钛部件的结构有起落架 垂 直尾翼连接部分 导气管 发动机尾 部等 共用了 种牌号的钛合金 T i 1 0 2 3 T i 6 4 E L I T i 1 5 3 2 1 S 和T i 6 2 4 2 钛合金用量占飞机 总重的7 其中 起落架全部零件 由T i 1 0 2 3 制造 代替钢锻件 减轻 结构重量约4 0 并避免了腐蚀问 题 退火的T i 6 4 的使用是B 7 7 7 用钛的一个特点 其目的是提高损伤 容限 发动机短舱整流罩 喷管和部 件使用 2 1 S 钛合金 B 7 7 7 上用钛的 状况对钛在民机上的应用产生了深刻 影响 即将问世的梦想飞机B 7 8 7 是民 航机大型化 远程化的代表 在材料 方面 该机型致力于选用重量更轻 成本更低 性能更好 符合环保要求 维护及维修量降低的材料 钛合金必 然是其使用的主要材料之一 2 最新问世的超大型宽体客机 空客A 3 8 0 被誉称为 空中巨无 霸 A 3 8 0 飞机材料选择原则强调减 重 成本 性能及维修上的综合平衡 同时先进制造技术日益成熟 使该飞 机的钛用量增加到1 0 重量 仅 吊舱和起落架零件就增加了2 空 客公司首次在A 3 8 0 吊舱的主要结构 上使用了全钛设计 A 3 8 0 飞机起落 架用T i 1 0 2 3 合金制造 最大重量 3 2 0 0 k g 是最大的航空锻件 由世界 最大锻压机 7 5 0 0 0 t 制造 A 3 8 0 上使 用 退火处理的T C 4 合金 以提高断 裂韧性和降低裂纹扩展速率 同时 A 3 8 0 是空客首次使用通过与俄罗斯 合作开发的新钛合金V S T 5 5 5 3 1 的飞 机 该合金具有异乎寻常的断裂韧性 和高强度 用于机翼和吊舱之间的连 接装置 另外 正在开发中的中型机 A 3 5 0 钛合金的用量可能提高到1 1 3 军用飞机重视作战性 新材 料的使用往往最先从军机开始 F 2 2 是美国第4 代先进战斗机 特别强 应用现状 A 3 8 0 前机身 4 2 NEW OBSERVATION 新 观 察 航空制造技术2 0 0 6年第1 1期 调新材料的应用 钛合金用量达整机 重量的4 1 成为第一结构金属 F 2 2 使用了下列牌号的钛合金 T i 6 4 E L I T i 6 2 2 2 2 T i 1 0 2 3 T i 1 5 3 和T i 6 2 4 2 T i 3 2 5 其中主要 是Ti 6 4 锻件和铸件 和Ti 6 2 2 2 2 锻件 T i 6 4 E L I 的韧性最 好 退火态具有高的损伤容限和可 加工特性 固溶处理 固溶 处理和时效的T i 6 2 2 2 2 牺牲强度改 善损伤容限 该合金固溶处理态成形 性好 时效后有较高的强度和延伸 率 该机钛用量2 3 是T i 6 4 E L I 锻 件 应用结构包括中 后部机身舱壁 和隔框 其中结构复杂的中机身4 个 整体承力框锻件 最大投影面积大于 5 m 2 F 2 2 飞机上一些高度仿形 传 统技术难以生产的部件应用钛铸件 既方便了设计的灵活性 又减轻了结 构重量和提高了结构效益 且经热等 静压后的性能和锻件相差无几 F 2 2 机翼用铸件有5 0 为钛铸件 其中 主要是T i 6 2 2 2 2 的热等静压铸件 另外 F 3 5 联合战斗机使用钛 合金的比重也很高 结构用钛达1 0 t 单台发动机用钛5 t 4 苏 2 7 战斗机主承力部件大 量采用不同牌号的钛合金 占结构重 量的1 6 1 8 使用的品种有薄 板 厚板 管 棒 型材 锻铸件等 B T 2 0 钛合金使用部位广泛 用量大 最典型的钛部件有中央翼下壁板 承 力框和气道防护罩 5 舰载飞机结构材料及功能材 料的选材与岸基飞机有共同点也有其 特殊性 一是材料要有很好的综合性 能 即具备高的疲劳强度及断裂韧性 二是材料要有很好的 三防 性能 即防盐雾 潮湿及霉菌的能力 由于 舰载机在弹射起飞及着舰时承受巨大 冲击载荷 关键承力构件多选用高强 高韧钛合金 表1 所示为 种材料在 F A 1 8 系列飞机上的使用情况 可以看出 F A 1 8 系列飞机上 钛合金为主要关键材料 且用量不断 增加 主要用于飞机承 力框纵梁 翼根和尾部 结构等关键部位 如F A 1 8 的机身 机翼接 头均采用了 退火的 T i 6 A l 4 V 钛合金 原 来曾采用树脂基复合材 料制作中机身 因其不能满足舰载机 抗冲击要求 后改为 退火钛合金 T i 1 5 3 铸件用于F A 1 8 E F战 斗机的制动器扭力管 由于其强度高 于T i 6 A l 4 V 因而减小了扭力管体 积 另外 C 1 7 大型运输机钛用量 占总重量的1 0 起落架部件采用 T i 1 0 2 3 6 钛除了用于飞机的机体和机 载设备外 还用于发动机 由于航空 发动机要求在高温下的工作效率 主 要材料应是高温性能好和密度较低的 材料 航空发动机被誉称为飞机的 心脏 发动机的先进性决定了飞机 的性能 燃气涡轮发动机是现代飞机 的主要动力装置 发动机推重比的提 高 不仅依赖先进气动布局和结构设 计 更取决于材料及工艺 因为发动 机部件不仅承受很大应力 而且要有 一定的耐热性 即要求零部件在 3 0 0 6 5 0 时具有良好的抗高温强 度 抗蠕变性和抗氧化性能 这对铝 来说温度太高 对钢来说密度太大 高速运动产生的离心应力太大 钛合 金因高的比强度及较高抗蠕变性能而 成为最佳选择 多用于发动机压气机 部分 如叶片和盘件 据报道 由普惠公司研制开发的 T i 1 2 7 0 合金 使用温度可达7 0 0 计划用于X 3 3演示机及联合战斗 机 发动机的性能越先进 用钛量就 越高 国外先进的发动机用钛量已达 到3 0 我国正在研制的发动机用钛 量约为1 5 2 0 随着国内外军民用机更新换代的 加快和飞机性能要求的不断提高 飞 机结构用材料条件更加苛刻 迫切要 求综合性能好的材料 钛的综合性能 备受飞机设计者的青睐 在飞机上的 用量不断上升 飞机速度越快 钛作 为结构材料的优势越明显 不仅能使 零件本身减重 而且使支撑部件减 重 从而带来一系列效益 因此 钛 合金在高速战斗机 轰炸机和大型飞 机上的应用前景将更加广阔 钛与航空共存共荣 航空工业是 钛合金的重要市场 目前 世界上大 约3 4 钛合金用于航空航天和军工产 品 新一代飞机 高推重比发动机的 高性能需求以及先进钛合金工艺的发 展 必将促进钛合金的发展和应用 除作一般结构件 组合件和紧固件 外 大型钛合金整体结构件开始广泛 应用 试验证明 常规钛合金只能用 于6 5 0 以下 要制造推重比1 0 以上 的先进发动机 需要开发钛基复合材 料以及T i A l T i 3 A l 金属间化合物为 基的钛合金 我国现行飞机用钛量仅为2 3 与国外相比差距很大 尽管材 料部门早已开展钛合金的研究 并满 足了航空设计应用部门的一定需要 但总的