鈦合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

航天工業(yè)是一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技水平的綜合體現(xiàn),是國家綜合國力強(qiáng)大的重要標(biāo)志.  高性能鈦合金及鈦基復(fù)合材料在航天結(jié)構(gòu)材料中的應(yīng)用對(duì)于降低結(jié)構(gòu)重量和提高飛行器的結(jié)構(gòu)效率、服役可靠性及延長壽命具有極其主要的作用,因此近些年國內(nèi)外鈦合金研究和生產(chǎn)單位研發(fā)了大量高性能鈦合金新材料,具有其他金屬無法比擬的高比強(qiáng)度、高耐腐蝕性、高耐久性等特點(diǎn).鈦金屬材料零部件,包括合金棒材、鍛件、環(huán)材、管材、板材等在東方紅衛(wèi)星、長征系列火箭和系列導(dǎo)彈等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)中做出了巨大貢獻(xiàn).展望未來,航天工業(yè)對(duì)鈦材料的需求將呈高速增長態(tài)勢,鈦及鈦合金憑借其獨(dú)特而優(yōu)越的性能將會(huì)在航天市場大放異彩。

1、高溫鈦合金

鈦合金零部件

航天飛行器要求鈦合金必須具有優(yōu)異的耐高溫性能。國際上第一個(gè)高溫鈦合金是美國研制的Ti-6Al-4V合金。

Ti-6Al-4V合金兼具α+β兩相特征,在航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.為最大限度發(fā)揮Al 固溶熱強(qiáng)化作用,鈦合金中還加入了Sn、Zr、Mo 和Si 等元素,相繼開發(fā)了IMI679、Ti6242 以及IMI685、Ti6242S、IMI834、Ti1100、BT36 等合金。

目前,國際先進(jìn)的高溫鈦合金主要有美國研發(fā)的Ti1100 合金(Ti-6Al-2.75Sn-4.0Zr-0.4Mo-0.45Si-0.07O2-0.02Fe), 其使用溫度可達(dá)600℃,它具備較低的韌性和較大的疲勞裂紋擴(kuò)展速率;英國的I MI 83 4(Ti -5.5Al-4Sn-4Zr-0.3Mo-1Nb-0.5Si-0.06C),同時(shí)具備了優(yōu)異的高溫蠕變性能和疲勞性能,使用溫度590℃ ;俄羅斯研制的BT36(Ti-6.2Al-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-0.15Si-5W)、BT18Y(Ti-6.5Al-2.5Sn-4Zr-0.7Mo-1Nb-0.2 5 S i)、Ti633G(Ti- 6.5A l-3 S n-3 Z r-1N b - 0.3Mo - 0.3 S i- 0.2 G d)和T i 18(T i- 6 A l-2 S n - 4 Z r 4Mo -1W-0.2Si)合金,其使用溫度分別為600 ℃、550 ~ 600 ℃、550 ℃ 和550 ℃.

我國研制的高溫合金主要有Ti55(Ti-5.5Al-4Sn-2Zr-1Mo-0.25Si-1Nd)、Ti6 0(Ti-5.8A l-4.8 Sn-2Zr-1Mo-0.35Si-0.85Nd)和Ti600(Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.5Mo-0.4Si-1Y),其使用溫度分別為550℃、600℃、600℃。

2、低溫鈦合金

鈦合金在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用 

一些鈦和鈦合金在低溫和超低溫下仍能保持其原有的機(jī)械性能.許多退火的鈦合金在-195.5℃溫度下還具有足夠使用的延性和斷裂韌性.含間隙元素特別低的Ti-5Al-2.5SnELI 的強(qiáng)度隨溫度的降低而提高,但塑性降低的不多,在低溫下仍有較好的延性及韌性,可在-252.7℃溫度下使用.

NINCT20 合金是我國研制的用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)液氫管路的新型低溫鈦合金,該合金具有強(qiáng)度適中(600 ~ 700MPa)、低溫性能、焊接性能、冷成型性能及液氫相容性優(yōu)異的特點(diǎn),在-253℃(20K)溫度下,強(qiáng)度可達(dá)1200MPa 以上,延伸率可達(dá)10% 以上.

3、高強(qiáng)鈦合金

鈦合金在飛機(jī)上的應(yīng)用

高強(qiáng)鈦合金是指經(jīng)熱處理后室溫強(qiáng)度大于1000MPa 的鈦合金.國外高強(qiáng)鈦合金研發(fā)主要以美國和俄羅斯為主,而且產(chǎn)品都得到了廣泛應(yīng)用.我國高強(qiáng)鈦合金研究則由仿制逐漸轉(zhuǎn)型為自主研發(fā),如北京有色金屬研究總院研究的TB10 合金(Ti-3Al-5Mo-5V-2Cr)典型性能為:σb=1360MPa,KIC=67MPam1/2,已用于航天結(jié)構(gòu)件、飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼.西北有色金屬研究院創(chuàng)新研制的Ti-1300、Ti-5322 等  高強(qiáng)鈦合金.Ti-1300 的抗拉強(qiáng)度超過1350MPa,延伸率超過8%,斷裂韌性超過55MPa.m1/2.Ti-5322 抗拉強(qiáng)度超過1300MPa,延伸率超過7%.

4、高強(qiáng)高韌鈦合金

高韌損傷容限型鈦合金在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上的應(yīng)用

典型的高強(qiáng)高韌鈦合金是美國研制的Ti62222S 合金.該合金具有良好的強(qiáng)度、塑性和斷裂韌性匹配;疲勞裂紋擴(kuò)展抗力高;具有深淬透性;高彈性模量;中溫有良好的抗蠕變性能,室溫?cái)嗔褟?qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別大于1300MPa和1200MPa,且其高溫性能也很好.

TC21(Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-1Nb-0.1Si) 是我國創(chuàng)新研制的高強(qiáng)高韌損傷容限型鈦合金.該合金具有良好的強(qiáng)度、塑性、斷裂韌性、裂紋擴(kuò)展速率的匹配,是一種非常有應(yīng)用前景的高強(qiáng)高韌損傷容限型結(jié)構(gòu)鈦合金.由該合金生產(chǎn)的大規(guī)格棒材在保證室溫高強(qiáng)度的前提下,斷裂韌性可高達(dá)90MPa.m1/2.

BT i-65 5 4 ( T i-6Cr-5Mo-5V-4Al) 是寶鈦集團(tuán)研制的高強(qiáng)高韌鈦合金,該材料的力學(xué)性能可以達(dá)到Rm=1270MPa,Rp0.2=1230MPa,KIC=77.8MPam1/2.

北京有色金屬研究院和寶鈦集團(tuán)共同研制的Ti-63高強(qiáng)高韌鈦合金(Ti-Al-V-Cr-Mo-Sn-Zr-Si),其Rm=1200MPa,KIC=77MPa.m1/2.

鈦及鈦合金在航天領(lǐng)域的應(yīng)用當(dāng)今,鈦應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域是航天。

1、美國

美國鈦及鈦合金在航天工程上的應(yīng)用始于1955 年,美國的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體材料廣泛使用了鈦合金.鈦合金還廣泛用于各種結(jié)構(gòu)件."阿波羅"宇宙飛船共有約50 個(gè)壓力容器,其中85% 是用鈦制成.大力神Ⅲ過渡級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī),改用鈦合金推進(jìn)劑貯箱后重量減輕35%."阿波羅"號(hào)宇宙飛船的托架、夾具和緊固件均用鈦制成,共使用68 噸鈦材.航天工程用的壓力容器中也使用了大量的鈦材,使用最多的是Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn.導(dǎo)彈的彈頭上也使用了鈦合金.美國大多采用輻射冷卻式發(fā)動(dòng)機(jī)噴管,這種噴管的一部分用鈦合金制造。

美國生產(chǎn)的Ti3Al 基鈦合金Ti-21Nb-14Al 和Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo 鈦合金箔材已制成導(dǎo)彈尾翼和燃燒室噴管密封片等.美國的超高聲速載人飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)采用了Ti1100 鈦合金作為防熱瓦,火箭運(yùn)載器X-33 采用鈦合金作為其機(jī)身背風(fēng)面大面積防熱系統(tǒng)材料.美國鈦金屬公司(Timet)研制的β21S(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si)已被美國國家宇航局確定用于美國國家航空航天飛機(jī)的機(jī)身和機(jī)翼壁板.美國的Bodycote、ADMA等公司采用粉末冶金方法生產(chǎn)各種導(dǎo)彈武器用的鈦合金部件.美國的休斯公司、BAE 公司等采用超塑成形技術(shù)制造鈦合金導(dǎo)彈外殼,推進(jìn)劑貯箱等,不但減輕了重量,而且減少費(fèi)用30% ~ 40%。

2、日本

鈦合金在火箭上的應(yīng)用

日本在火箭上應(yīng)用鈦合金的歷史可追溯到1968 年.日本第一顆試驗(yàn)衛(wèi)星"大角"號(hào)使用了Ti-2Al-2Mn 鈦合金.

其他應(yīng)用的例子有機(jī)翼的前緣部位、噴嘴的夾持器、多級(jí)火箭的斷裂接頭部位等.日本研制的低溫結(jié)構(gòu)鈦合金LT700(Ti-3Al-5Sn-1Mo-0.2Si)已用來制作液氫渦輪泵.

3、俄羅斯

鈦合金在地球衛(wèi)星上的應(yīng)用

1957 年10 月,世界上第一顆人造地球衛(wèi)星Sputnik1 在俄羅斯發(fā)射成功,開創(chuàng)了人類航天新紀(jì)元.俄羅斯鈦在航天工程上應(yīng)用的實(shí)例很多.如"能源- 暴風(fēng)雪"號(hào)、"和平-1"號(hào)、"進(jìn)步"號(hào)、"金星"號(hào)、"月球"號(hào)航天器中均廣泛使用了鈦及鈦合金材料,用OT4合金板材制造液體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒倉和"和平-1"號(hào)軌道站對(duì)接件,用OT4-1 合金制造發(fā)動(dòng)機(jī)吊架構(gòu)件、燃料箱、管接頭和托架等.BT5-1 和ПT3B 合金用于制造容器- 增壓系統(tǒng)蓄壓器和低溫液體儲(chǔ)存箱,BT5-1 合金還用于制造液氫輸送泵的葉輪.此外,TH1 合金還用作天線、推桿、接觸器及航天減震部件.

4、中國

鈦合金發(fā)動(dòng)機(jī)中國在"太空之路"上已取得了令世界矚目的成就.從1970 年4 月24 日長征一號(hào)運(yùn)載火箭將"東方紅一號(hào)"衛(wèi)星送上預(yù)定的軌道以來,我國已經(jīng)發(fā)射了長征系列運(yùn)載火箭和神舟系列飛船,這些航天器上均使用了鈦材.如我國研制的液氫環(huán)境下使用的低溫TA7ELI 鈦合金氣瓶已用于CZ-XX 系列運(yùn)載火箭;我國還用BT20 鈦合金制造導(dǎo)彈的外殼體和燃料油箱殼體;用TC4ELI 鈦合金制造運(yùn)載火箭的低溫液氧、液氫高壓氣瓶等。

寶鈦集團(tuán)有限公司作為國家高新科技企業(yè),曾先后為我國神舟1 ~ 10 號(hào)飛船提供了重要的鈦金屬材料,包括合金棒材、鍛件、環(huán)材、管材、板材等,為神舟系列的發(fā)射成功做出了貢獻(xiàn),也為東方紅衛(wèi)星、長征系列火箭和系列導(dǎo)彈等提供了關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)材料。

我國載人飛船各艙段的結(jié)構(gòu)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為耐熱鈦合金;我國航天飛機(jī)的軌道器的支承主發(fā)動(dòng)機(jī)的推力結(jié)構(gòu)用鈦合金制造.此外,鈦合金還用于制造火箭機(jī)盤、導(dǎo)彈基座構(gòu)件、導(dǎo)彈動(dòng)力葉片套等。

鈦合金手表

我國研制的TB2 合金(Ti-3Al-5Mo-5V-8Cr),于1984 年首次應(yīng)用于衛(wèi)星星箭連接帶,目前已用于各種型號(hào)衛(wèi)星20 多次;TB10 合金(Ti-3Al-5Mo-5V-2Cr)已用于航天結(jié)構(gòu)件、飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼結(jié)構(gòu)中的鍛造零件;NINCT20 鈦合金不僅可用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng),而且還可廣泛用于宇航工業(yè)形狀復(fù)雜的低溫管路系統(tǒng).此外,我國制造的航天鈦手表也引起了世人的關(guān)注.這種鈦合金手表重量僅為94 克,且精確無比。