航空用鈦合金的發(fā)展概況

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1、航空用鈦合金的發(fā)展概況　　GeneralDevelopmentSituationofTitaniumAlloysforAviation　□北京航空材料研究院　曹春曉　　摘要：航空用鈦合金近期工程化發(fā)展中呈現(xiàn)出一些技術(shù)創(chuàng)新的"亮點(diǎn)"，其中工藝創(chuàng)新的亮點(diǎn)比成分創(chuàng)新的亮點(diǎn)更多一些。這些亮點(diǎn)包括阻燃鈦合金、鈦基復(fù)合材料、纖維/鈦層板、超塑性鈦合金、特大整體結(jié)構(gòu)件鍛造工藝、金屬型精鑄工藝、大型整體結(jié)構(gòu)件精鑄工藝、激光成形工藝、摩擦焊工藝和β熱處理工藝等?！　￡P(guān)鍵詞：鈦合金　飛機(jī)　發(fā)動(dòng)機(jī)　熱處理工藝　?。玻笆兰o(jì)５０年代，軍用飛機(jī)進(jìn)入

2、了超聲速時(shí)代，航空發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)地進(jìn)入噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)代，原有的鋁、鋼結(jié)構(gòu)已不能滿足新的需求。鈦合金恰恰在這個(gè)時(shí)候進(jìn)入了工業(yè)性發(fā)展階段，由于它具有比強(qiáng)度高、使用溫度范圍寬（－２６９～６００℃）、抗蝕性好和其他一些可利用的特性，因此很快被選用于飛機(jī)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)。５０年來的世界鈦市場(chǎng)中最大的用戶始終屬于航空。當(dāng)前，航空仍然占５０％左右市場(chǎng)份額?！　∈埽玻埃埃材?９．１１"事件影響，美國２００３年鈦工業(yè)產(chǎn)品發(fā)貨量降至１５６２５ｔ（２００２年為１６０７１ｔ），日本２００３年鈦加工材發(fā)貨量則降至１３８３８ｔ（２００２年為１４４８１ｔ），而

3、中國從２０００～２００４年的鈦加工材銷售量卻一直以很高的速度增長（見表１）?！　。保梗梗衬暌院?，幾乎看不到新推出的工業(yè)性鈦合金，而鈦合金工藝方面的創(chuàng)新卻屢見不鮮。這既與冷戰(zhàn)時(shí)代的結(jié)束有關(guān)，也與工藝創(chuàng)新往往起到事半功倍之效有關(guān)。　　一、鈦合金在飛機(jī)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的用量不斷擴(kuò)大　　1.飛機(jī)機(jī)體的鈦用量　　表２中列出的F/A－１８E/F、F/Ａ－２２、Ｆ－３５三大戰(zhàn)斗/攻擊機(jī)和Ｂ－２轟炸機(jī)是美國在２０１５年前保持空中優(yōu)勢(shì)的４塊"王牌"。由表２可知，總的發(fā)展趨勢(shì)是鈦在飛機(jī)機(jī)體上的用量不斷擴(kuò)大。F/A－１８在不斷改型的過程中其鈦用

4、量也不斷增多?！　∶裼蔑w機(jī)的鈦用量也在不斷擴(kuò)大（圖１和表３）?！　∥覈鴳?zhàn)斗機(jī)的鈦用量也在不斷擴(kuò)大：２０世紀(jì)８０年代開始服役的殲八系列的鈦用量為２％，兩種新一代戰(zhàn)斗機(jī)的鈦用量分別為４％和１５％，更新一代的高性能新型戰(zhàn)斗機(jī)的鈦用量將達(dá)２５％～３０％?！　?.航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦用量　　從表４和圖２可知，國外先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)上的鈦用量通常保持在２０％～３５％的水平?！　∥覈缙谏a(chǎn)的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)均不用鈦，１９７８年開始研制并于１９８８年初設(shè)計(jì)定型的渦噴１３發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦用量達(dá)到１３％。２００２年設(shè)計(jì)定型的昆侖渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)是我國第一個(gè)擁有完全自主知

5、識(shí)產(chǎn)權(quán)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，鈦用量提高至１５％。即將設(shè)計(jì)定型的我國第一臺(tái)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)又進(jìn)一步把鈦用量提高到２５％的水平。　　二、航空用鈦合金近期工程化發(fā)展中的一些"亮點(diǎn)"　　1.阻燃鈦合金閃亮登場(chǎng)　　為了避免"鈦火"，俄羅斯曾研制了含Ｃｕ高量的ＢＴＴ－１和ＢＴＴ－３阻燃鈦合金，但由于其力學(xué)性能和熔鑄性能差而未能工程化。美國發(fā)明的ＡｌｌｏｙＣ（Ｔｉ－３５Ｖ－１５Ｃｒ）阻燃鈦合金近期已成功地應(yīng)用于Ｆ１１９發(fā)動(dòng)機(jī)（F/A－２２戰(zhàn)斗機(jī)的動(dòng)力裝置）的高壓壓氣機(jī)機(jī)匣、導(dǎo)向葉片和矢量尾噴管。這是高溫鈦合金領(lǐng)域的最新亮點(diǎn)，也是鈦

6、發(fā)展史中第一個(gè)進(jìn)駐航空發(fā)動(dòng)機(jī)的β型鈦合金和阻燃鈦合金。ＡｌｌｏｙＣ的阻燃原理有三：其一，國外和一航材料院的研究結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)子零件與靜子零件相對(duì)摩擦而升溫時(shí)，低熔點(diǎn)（６７５℃）的Ｖ２Ｏ５的首先熔化起到了吸熱、潤滑和降低氧化膜內(nèi)應(yīng)力的作用；其二，西北有色院的試驗(yàn)表明，ＡｌｌｏｙＣ的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于普通鈦合金；其三，北京有色院利用ＣＡＬＰＨＡＤ技術(shù)計(jì)算得到的結(jié)果表明，該合金成分設(shè)計(jì)符合"絕熱燃燒溫度"盡可能低的要求。西北有色院、一航材料院等聯(lián)合研制的低成本阻燃鈦合金Ｔｉ－４０Ｔｉ－２５Ｖ－１５Ｃｒ－０．２Ｓｉ　已研制出機(jī)匣并

7、裝機(jī)，等待試車。利用滲金屬技術(shù)形成表面阻燃合金是另一條成本更低的技術(shù)途徑?！　?.鈦基復(fù)合材料初見曙光　　世界各國為鈦基復(fù)合材料（ＴＭＣ）的工程化已奮斗很多年，近期終于在Ｆ１１９發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得了應(yīng)用，即選用ＳｉＣ纖維/Tｉ－６２４２Ｓ復(fù)合材料制成矢量噴管驅(qū)動(dòng)器活塞。不久前，荷蘭飛機(jī)起落架開發(fā)公司ＳＰ航宇公司又宣稱，荷蘭皇家空軍試飛了裝有鈦基復(fù)合材料主起落架下部后撐桿的Ｆ－１６。與原用的３００Ｍ鋼相比，新材料可減重４０％，成本也已接近戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計(jì)認(rèn)可的指標(biāo)，因此洛克希德·馬丁公司也打算在Ｆ－３５聯(lián)合攻擊機(jī)上采用這種ＴＭＣ材料制

8、造起落架零件。據(jù)稱用ＴＭＣ取代Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金制造的空心寬弦風(fēng)扇葉片，其成本更低?！　?.纖維/鈦層板嶄露頭角　　層間混合材料（如圖３所示）因其比強(qiáng)度和疲勞壽命遠(yuǎn)高于單金屬材料且成本遠(yuǎn)低于纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，已引起人們的廣泛興趣。從２０世紀(jì)８０年代以來該材料已經(jīng)歷了第一代ＡＲＡＬＬ（芳綸纖維鋁合金層板）、第二代