航空工程材料 钛合金

钛合金的认知钛合金具有比重小、耐蚀性好、耐热性高、比刚度和比强度高、焊接性能好等特点，是航天航空领域理想的材料。一．工业纯钛的基本特性（1）密度为4.5g/cm3，介于钢和铝之间。（3）在常温下能在表面形成致密的氧化膜，抗氧化能力优于大多数奥氏体不锈钢，在大气、海水中有优良的腐蚀性，在酸碱中很稳（4）同素异构转变钛合金在882.5℃发生同素异构转变。在882.5℃以下为密排六方晶格的α-Ti，882.5℃以上为体心立方晶格的β-Ti。α-Ti具有良好的塑性，但σs、σb接近，σs/σb=0.7～0.9，弹性模量E值小，压力加工性能不如钢。（5）工业纯钛和一般纯金属不同，具有相当高的强度、良好的塑性、焊接性和较高的热强度。工业纯钛常以退火状态供应，在退火状态下，其σb=450～600MPa，σ0.2=230～500Mpa，延伸率δ=15～30%，硬度HV=160～200。可制造350℃以下的飞机构件，如飞机蒙皮、隔热板。（6）按杂质含量分三个等级TA1，TA2，TA3；具有单相α组织，故工业纯钛归入α型钛合金。二．钛合金1.分类及编号加入钛中的合金元素（Al，V，Sn，Mo等）起固溶强化作用，根据使用状态的组织，钛合金分为三类，牌号分别以TA、TB、TC加上编号来表示。（1）α型钛合金，如TA4（Ti-3AlTA7（Ti-5Al-2.5Sn（Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al2.钛合金的热处理1）消除内应力的热处理对构件加温，在525℃下保温6小时后空冷。处理后，表面会起皮或色泽发暗，可把构件浸在酸性溶液中进行酸洗（10～20%硝酸+1～3%氟氢酸，温度为室温或稍高）。2）完全退火将构件加热到538～900℃,保温16分钟至数小时（取决于构件厚度和冷加工量）后空冷。处理后构件表面出现的起皮现象，可进行碱性清洗。完全退火后，韧性和延展性提高，改善了机加性能。3.钛合金的主要性质（1）比强度高其强度一般为600～1110Mpa，最高强度可达1500Mpa，具有比各种合金都高的比强度，这是它作为航空材料的主要原因。（2）热强度高熔点高，再结晶温度也高，具有较高的热强度。能在600℃下长期工作，可向800～900℃高温发展，可与耐热钢相媲美。（3）抗蚀性好在表面形成一层致密、牢固的TiO2膜，能抵抗大气的腐蚀，海水中抗蚀性仅次于铂，在高温下仍具有良好的耐蚀性，耐蚀性超过不2）缺点（1）工艺性能差，导热性小，摩擦系数大，切削加工异常困难，切削加工性差。（2）高温易吸收氢、氧等而变脆，所以热加工只能在真空或保护气氛中进行。在室温下与酸接触或在550℉以上处在含氢物质中，也会引起氢脆。去氢处理方法是在真空中进行烘烤。由于其屈服强度高，弹性模量较低，冷压加工成型时回弹较大，一般需要采用热压加工成型。（3）耐磨性差。（4）生产工艺复杂，成本较高。三．常用的钛合金1.α型钛合金α型钛合金的主要合金元素是铝，还有中性元素锡和锆。其中铝大大地使合金强化。α型钛合金不能热处理强化，只能退火状态下使α型钛合金在室温下本质上只有一单相存在，这点与纯钛相近。α型钛合金室温强度不高，组织稳定，抗氧化性好，具有良好的焊接性、低温韧性和高温持久强度（高于β型和α+β型）。用于飞机上受力不大的板材或管材结构件。2.β型钛合金室温下基本上是单一的β相，可热处理强化，时效硬化后达到高的强度水平，甚至可代替超高强度钢。时效状态的β型钛合金，具有较高的强度和一定的断裂韧性。退火状态的β型钛合金，具有优良的冲压性能、中等强度和断裂韧性。但合金化复杂，组织不稳定，耐热性不高。TB1，TB2钛合金应用较少，常用于250℃以下长期工作或350℃以下短时工作的零件，主要应用于压气机叶片、轴、轮盘等重载荷旋转件、成形性好的飞机构件或紧固件。兼有α、β型钛合金的优点，通过热处理可以进一步强化。热强度高，塑性好，便于成形，但大多数焊接性能不好。综合性能好的多用途钛合金。淬火时效后，其强度σb≈1110Mpa。退火状态下，σb≈950MPa，最高工作温度400℃,用于制造飞机压气机盘、叶片及飞机构件等，如应用在MD-82机身尾段吊挂处蒙皮（退机身连接的接头，B747主起落支撑梁模锻件等。四．钛合金的应用1）材料的使用特性在500℃以下具有高的屈服强度/密度比和疲劳强度/密度比，良好的热稳定性，优异的抗大气腐蚀性能，可减轻结构质量。在300℃下，比强度高。2）应用部位（1）喷气发动机在500℃以下的部位使用：压气盘、静叶片、动叶片、机壳、燃烧室外壳、排气机构外壳、中心体、喷气管等。（2）机身防火壁、蒙皮、大梁、起落架、翼肋、隔框、紧固件、导管、舱