鈦及鈦合金在航天火箭中的應(yīng)用

鈦合金在航天火箭中所占質(zhì)量為5％一30％。實(shí)際上沒(méi)有一種航天火箭是不使用鈦及鈦合金的。在“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)航天器中也得到非常廣泛的應(yīng)用。在航天火箭中應(yīng)用最廣的鈦合金是兩相合金B(yǎng)T6c、BTl4、BT3—1、BT23、BTl6、BT9(BT8)，這些合金主要在熱處理強(qiáng)化狀態(tài)下使用。退火狀態(tài)BT6c合金可應(yīng)用于蓄壓器中，但該合金大多應(yīng)用在σb＝1050MPa—1100MPa的熱處理強(qiáng)化狀態(tài)。類(lèi)似的應(yīng)用還有σb＝1100MPa～1150MPa的BTl4合金。σb≥900MPa的退火狀態(tài)BTl4合金可用作直徑80mm～120mm的鈦管狀梁形構(gòu)件，還用于制造在－196℃下工作的緊固件。

重要的問(wèn)題是要研制和開(kāi)發(fā)一種σb>800MPa、抗氧化溫度達(dá)850℃的新型近α合金，以取代不銹鋼大型焊接結(jié)構(gòu)。該合金將含有鉿和鈮，其特點(diǎn)是工藝塑性要高，在高達(dá)850'C的溫度下仍具有抗氧化性能，焊接時(shí)稍加保護(hù)即可，不需采用具有保護(hù)氣氛的載人太空倉(cāng)式的昂貴焊接設(shè)備。除此而外，合金的焊接接頭不需要退火消除殘余應(yīng)力。

近年來(lái)開(kāi)發(fā)了BT23合金外徑達(dá)350mm半球坯料的等溫沖壓工藝。與整體熱沖壓相比，這種工藝可使沖壓件的質(zhì)量從36kg降低到8.5kg，壁厚由22mm減少到10mm，金屬利用率從0.15提高到0.64。在航天火箭中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的還有BT5л、BT20л合金鑄件，質(zhì)量達(dá)100kg。研制并試驗(yàn)了強(qiáng)度為1050MPa—1100MPa的鑄造鈦合金(Ti—6A1-20Zr-2Mo)，獲得了重達(dá)200kg的鑄件。開(kāi)發(fā)了鑄件熱等靜壓加工。經(jīng)該工藝加工后，鑄件的成品率由70％提高到92％，鑄件的延伸率提高30％，沖擊韌性提高50％～150％，疲勞強(qiáng)度提高50％。還使用了具有“形狀記憶”效應(yīng)的鈦—鎳系合金。TH1合金用作自開(kāi)天線(xiàn)、推桿、接觸器以及航天系統(tǒng)減震部件。形狀恢復(fù)溫度為一80℃的THlk低溫合金可用于制造各種液壓系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)中管道與設(shè)備的連接件。

目前，正重點(diǎn)研究Ti-Aｌ金屬間化合物基合金。該合金具有獨(dú)特的性能組合，有高的熱強(qiáng)性和彈性模量以及低的密度，使這些合金成為新一代航天火箭中最有使用前途的合金?！皬?fù)合材料”科研生產(chǎn)聯(lián)合公司正在研制用這些材料制取坯料的綜合工藝設(shè)備，包括熔煉設(shè)備、制取顆粒裝備、等溫變形設(shè)備等。在航天火箭技術(shù)裝備中采用的。合金和近α合金包括OT4、OT4—1、BT5—1、ПT3B。用TC4鈦合金板制造液體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒倉(cāng)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合金用于制造液氫輸送泵葉輪。葉輪制造工藝為傳統(tǒng)冶金工序鑄錠—模鍛與顆粒冶金相結(jié)合。帶有葉片的蓋輪和厚度為3mm的主輪采用顆粒冶金方法制成，并在顆粒加壓燒結(jié)過(guò)程中以擴(kuò)散焊的方法與模鍛主輪焊合。靜力加載時(shí)，斷裂是發(fā)生在顆粒坯料上或模鍛件上的，這說(shuō)明擴(kuò)散焊是很可靠的?！澳茉础碧?hào)運(yùn)載火箭葉輪的順利運(yùn)行證明，該工藝具有很好的效果。

先進(jìn)航天火箭技術(shù)產(chǎn)品用的高脈沖推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)，要求采用低溫強(qiáng)度和塑性更高的鈦合金。為此俄羅斯“復(fù)合材料”股份公司金屬研究院正在進(jìn)行將BT6c合金用于這種項(xiàng)目的工藝測(cè)定工作循環(huán)。用這種合金制造了工作溫度可達(dá)-200℃的φ600mm的模鍛件、蓄壓器用的板材、承載托架和管接頭用的坯料。目前正在探索將該合金工作溫度降低到一253'C的途徑，其中之一是用顆粒冶金法制取零件。這種工藝可保證坯料各個(gè)部位都具有均勻的細(xì)晶組織，并使整個(gè)坯料的性能具有各向同性。用BT6c合金顆粒經(jīng)α＋β區(qū)熱等靜壓+一段焙燒后制取致密坯料，強(qiáng)度比BT5—1KT合金高100MPa，疲勞性能更高。