航空材料為什么非得要用鈦合金？

    鈦與航空有著不解之緣。1953年,在美國(guó)道格拉斯公司生產(chǎn)的DC-T機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙和防火壁上首次使用鈦材，從而揭開(kāi)了鈦航空應(yīng)用的歷史。從那時(shí)以來(lái)，鈦在航空上已應(yīng)用了半個(gè)多世紀(jì)。鈦能在航空上廣泛應(yīng)用是由于它有適于飛機(jī)應(yīng)用的許多寶貴特性。今天我們就來(lái)講講航空材料為什么非得要用鈦合金。

   一、鈦的簡(jiǎn)介

    1948年美國(guó)杜邦公司才用鎂法成噸生產(chǎn)海綿鈦——這標(biāo)志著海綿鈦即鈦工業(yè)化生產(chǎn)的開(kāi)始。而鈦合金因具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)而被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。

    鈦在地殼中含量較豐富，含量排第九位，遠(yuǎn)高于銅、鋅、錫等常見(jiàn)金屬。鈦廣泛存在于許多巖石中，特別是砂石和粘土中。

   二、鈦的特性

   強(qiáng)度高：是鋁合金的1.3倍，鎂合金的1.6倍，不銹鋼的3.5倍，金屬材料中的冠軍。

   熱強(qiáng)度高：使用溫度比鋁合金高幾百度，可在450～500℃的溫度下長(zhǎng)期工作。

   抗蝕性好：耐酸、耐堿、耐大氣腐蝕，對(duì)點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強(qiáng)。

   低溫性能好：間隙元素極低的鈦合金TA7，在-253℃下還能保持一定的塑性。

   化學(xué)活性大：高溫時(shí)化學(xué)活性很高，輕易與空氣中的氫、氧等氣體雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成硬化層。

   導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量小：導(dǎo)熱系數(shù)約為鎳的1/4，鐵的1/5，鋁的1/14，而各種鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)比鈦的導(dǎo)熱系數(shù)約下降50％。鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2。

   三、鈦合金的分類及用途

   鈦合金按用途可分為：耐熱合金、高強(qiáng)合金、耐蝕合金(鈦-鉬，鈦-鈀合金等)、低溫合金以及特殊功能合金(鈦-鐵貯氫材料和鈦-鎳記憶合金)等。

   盡管鈦及其合金應(yīng)用的歷史不長(zhǎng)，但由于它那超眾的性能，已經(jīng)獲得了多個(gè)光榮稱號(hào)。首先榮獲的稱號(hào)就是“空間金屬”。它重量輕、強(qiáng)度大又耐高溫，特別適于制造飛機(jī)和各種航天器。目前世界上生產(chǎn)的鈦及鈦合金，大約有四分之三都用于航空航天工業(yè)。許多原來(lái)用鋁合金的部件，都改用了鈦合金。

   四、鈦合金的航空應(yīng)用

    鈦合金主要用于飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)的制造材料，如鍛造鈦風(fēng)扇、壓氣機(jī)盤和葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、排氣裝置等零件以及飛機(jī)的大梁隔框等結(jié)構(gòu)框架件。航天器主要利用鈦合金的高比強(qiáng)度，耐腐蝕和耐低溫性能來(lái)制造各種壓力容器、燃料貯箱、緊固件、儀器綁帶、構(gòu)架和火箭殼體。人造地球衛(wèi)星、登月艙、載人飛船和航天飛機(jī)也都使用鈦合金板材焊接件。

    1950年美國(guó)首次在F-84戰(zhàn)斗轟炸機(jī)上用作后機(jī)身隔熱板、導(dǎo)風(fēng)罩、機(jī)尾罩等非承力構(gòu)件。60年代開(kāi)始鈦合金的使用部位從后機(jī)身移向中機(jī)身、部分地代替結(jié)構(gòu)鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構(gòu)件。70年代起，民用機(jī)開(kāi)始大量使用鈦合金，如波音747客機(jī)用鈦量達(dá)3640公斤以上占機(jī)重28%。隨著加工工藝技術(shù)的發(fā)展，在火箭、人造衛(wèi)星和宇宙飛船上，也用了大量的鈦合金。 

    飛機(jī)越先進(jìn)，使用的鈦越多。美國(guó)F—14A戰(zhàn)斗機(jī)使用的鈦合金，約占機(jī)重的25%；F—15A戰(zhàn)斗機(jī)為25.8%；美國(guó)第四代戰(zhàn)斗機(jī)用鈦量為41%，其F119發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦量為39%，是目前用鈦量最高的飛機(jī)。

   五、鈦合金在航空中被大量應(yīng)用的原因

   現(xiàn)代飛機(jī)的航行最高時(shí)速已達(dá)到音速的2.7倍以上。這么快的超音速飛行，會(huì)使飛機(jī)與空氣摩擦而產(chǎn)生大量的熱。當(dāng)飛行速度達(dá)到音速的2.2倍時(shí)，鋁合金就經(jīng)受不住了。必須采用耐高溫的鈦合金。

   當(dāng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比從4～6提高到8～10，壓氣機(jī)出口溫度相應(yīng)地從200～300℃增加到500～600℃時(shí)，原來(lái)用鋁制造的低壓壓氣機(jī)盤和葉片就必須改用鈦合金。

   近年來(lái)科學(xué)家們對(duì)鈦合金性能的研究工作，不斷取得新的進(jìn)展。原來(lái)由鈦、鋁、釩組成的鈦合金，最高工作溫度為550℃～600℃，而新研制的鈦化鋁（TiAl）合金，最高工作溫度已提高到1040℃。

   用鈦合金代替不銹鋼制造高壓壓氣機(jī)盤和葉片，可以減輕結(jié)構(gòu)重量。飛機(jī)每減輕重10%，可節(jié)省燃料4%。對(duì)火箭來(lái)說(shuō)，每減輕1kg的重量，就可增加15km的射程。

鈦合金材料飛機(jī)起落架零件

   六、鈦合金機(jī)加工特性分析

   首先，鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低，僅是鋼的1/4，鋁的1/13，銅的1/25。因切削區(qū)散熱慢，不利于熱平衡，在切削加工過(guò)程中，散熱和冷卻效果很差，易于在切削區(qū)形成高溫，加工后零件變形回彈大，造成切削刀具扭矩增大、刃口磨損快，耐用度降低。

   其次，鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)低，使切削熱積于切削刀附近的小面積區(qū)域內(nèi)不易散發(fā)，前刀面摩擦力加大，不易排屑，切削熱不易散發(fā)，加速刀具磨損。最后，鈦合金化學(xué)活性高，在高溫下加工易與刀具材料起反應(yīng)，形成溶敷、擴(kuò)散，造成粘刀、燒刀、斷刀等現(xiàn)象。