鈦合金在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展歷程

鈦的熔點1668±4℃，熔化潛熱3.7-5.0千卡/克原子，沸點3260±20℃，汽化潛熱102.5-112.5千卡/克原子，臨界溫度4350℃，臨界壓力1130大氣壓。鈦的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性能較差，近似或略低于不銹鋼，鈦具有超導(dǎo)性，純鈦的超導(dǎo)臨界溫度為 0.38-0.4K。在25℃時，鈦的熱容為0.126卡/克原子·度，熱焓1149卡/克原子，熵為7.33卡/克原子·度，金屬鈦是順磁性物質(zhì)，導(dǎo)磁率為1.00004。 鈦具有可塑性，高純鈦的延伸率可達50-60%，斷面收縮率可達70-80%，但強度低，不宜作結(jié)構(gòu)材料。鈦合金具有密度低、比強度高、耐蝕性好、導(dǎo)熱率低、無毒無磁、可焊接、生物相容性好、表面可裝飾性強等特性，是一種輕質(zhì)高強度耐蝕結(jié)構(gòu)材料，在武器裝備中具有廣泛應(yīng)用前景，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、化工、石油、電力、醫(yī)療、建筑、體育用品等領(lǐng)域。

鈦合金主要用于制作飛機發(fā)動機壓氣機部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機的結(jié)構(gòu)件。60年代中期，鈦及其合金已在一般工業(yè)中應(yīng)用，用于制作電解工業(yè)的電極，發(fā)電站的冷凝器，石油精煉和海水淡化的加熱器以及環(huán)境污染控制裝置等。鈦及其合金已成為一種耐蝕結(jié)構(gòu)材料。此外還用于生產(chǎn)貯氫材料和形狀記憶合金等。中國于1956年開始鈦和鈦合金研究；60年代中期開始鈦材的工業(yè)化生產(chǎn)并研制成TB2合金。鈦合金是航空航天工業(yè)中使用的一種新的重要結(jié)構(gòu)材料，比重、強度和使用溫度介于鋁和鋼之間，但比強度高并具有優(yōu)異的抗海水腐蝕性能和超低溫性能。1950年美國首次在F-84戰(zhàn)斗轟炸機上用作后機身隔熱板、導(dǎo)風(fēng)罩、機尾罩等非承力構(gòu)件。60年代開始鈦合金的使用部位從后機身移向中機身、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。鈦合金在軍用飛機中的用量迅速增加，達到飛機結(jié)構(gòu)重量的20%～25%。

70年代起，民用機開始大量使用鈦合金，如波音747客機用鈦量達3640公斤以上。馬赫數(shù)小于 2.5的飛機用鈦主要是為了代替鋼，以減輕結(jié)構(gòu)重量。又如，美國SR-71 高空高速偵察機(飛行馬赫數(shù)為3，飛行高度26212米)，鈦占飛機結(jié)構(gòu)重量的93%，號稱“全鈦”飛機。當航空發(fā)動機的推重比從4～6提高到8～10，壓氣機出口溫度相應(yīng)地從200～300°C增加到500～600°C時，原來用鋁制造的低壓壓氣機盤和葉片就必須改用鈦合金，或用鈦合金代替不銹鋼制造高壓壓氣機盤和葉片，以減輕結(jié)構(gòu)重量。70年代，鈦合金在航空發(fā)動機中的用量一般占結(jié)構(gòu)總重量的20%～30%，主要用于制造壓氣機部件，如鍛造鈦風(fēng)扇、壓氣機盤和葉片、鑄鈦壓氣機機匣、中介機匣、軸承殼體等。航天器主要利用鈦合金的高比強度，耐腐蝕和耐低溫性能來制造各種壓力容器、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 也都使用鈦合金板材焊接件。

作為飛機機體結(jié)構(gòu)和飛機發(fā)動機的主要結(jié)構(gòu)材料之一，鈦合金的應(yīng)用水平是衡量飛機選材先進程度的重要標志之一，是影響飛機戰(zhàn)術(shù)性能的一個重要方面。在國外第三代戰(zhàn)斗機上，鈦合金用量占機體結(jié)構(gòu)重量比為20%～25%，在第四代戰(zhàn)斗機F-22（EMD）上已高達41%，其應(yīng)用呈大幅度上升趨勢。航空發(fā)動機的用鈦量也在逐步增加，國外先進航空發(fā)動機的鈦用量已達30%左右，例如V2500發(fā)動機的鈦用量就高達31%，第四代發(fā)動機F119的鈦合金用量為40%。在民用飛機方面，鈦合金用量也在逐步增長，A380用鈦占總重量的10%，單機用鈦材約60噸?？罩锌蛙嚨拟佊昧恳褟牡谌鶤320的4.5%增至第四代A340的6%，而即將問世的A350客機的鈦用量進一步提高至15%。

世界各國國防系統(tǒng)和民航系統(tǒng)日新月異的發(fā)展，要求飛機及其發(fā)動機通過減輕結(jié)構(gòu)重量等有效途徑不斷改善使用性能，提高安全可靠性和降低全壽命成本。60年來，鈦合金通過持續(xù)的合金創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新和工程應(yīng)用，永不止步地一再挖掘出鈦潛在的能力，其比強度、耐熱性、抗蝕性等方面的優(yōu)越性日益充分地發(fā)揮出來，成本較高的問題則逐漸得到不同程度的解決，使用可靠性也隨設(shè)計應(yīng)用經(jīng)驗的日積月累而不斷提高。鈦合金的發(fā)展態(tài)勢恰恰適應(yīng)了航空工業(yè)不斷提升的需求，甚至在某些方面以超前的姿態(tài)促進了飛機及其發(fā)動機的發(fā)展。

飛機結(jié)構(gòu)鈦合金按抗拉強度這一特征要素可分為低強度鈦合金、中強度鈦合金、高強度鈦合金、超高強度鈦合金。低強度結(jié)構(gòu)鈦合金 抗拉強度<700MPa，如TA1（370MPa）、TA2（440MPa）、TA3（540MPa）、TA16（480～667MPa）、TA17（638～882MPa）、TA18（620MPa）、TA21、TC1（590MPa）、TC2、Ti31（637MPa）、ZTA5（480MPa）、TA5（TA5-A）（585MPa）、Ti70（700MPa）、ZTi60（590MPa）等合金，其共同的特點是低合金化、高塑性和高韌性，并具有高可焊性、可成型性和優(yōu)良的耐海水腐蝕性等，主要用來制造各種鈑金件、蒙皮、管材零件等。根據(jù)低強度結(jié)構(gòu)鈦合金在各應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用情況分析，確定低強度結(jié)構(gòu)鈦合金主干牌號有TA17（板材）、TC2（板材）、TA18（管材）、Ti31（板材、鍛件、鈦管）、Ti70（板材）、ZTi60（鑄件）等。中強度結(jié)構(gòu)鈦合金 700MPa≤抗拉強度<1000MPa，主要有TC4、TC4-DT、TC6、TA15、Ti75（730MPa）、Ti80（880MPa）等，其主要特點是具有良好的綜合性能，既有較高的強度，又有足夠的塑性以及優(yōu)良的焊接性能，多用于制造承力構(gòu)件與厚板。經(jīng)分析，中強度結(jié)構(gòu)鈦合金主干牌號有TA7（板材、鍛件）、TC4（鈦板、鍛件、絲材）、TA15（厚板、鍛件）、Ti75（鍛件）、Ti80（板材、鍛件）。高強度結(jié)構(gòu)鈦合金 1000MPa≤抗拉強度<1250MPa，主要有TB5、TB6、TB8、TC16、TC18、TC21等，主要用于制造強度要求高、代替鋼可達到高減重效果的承力結(jié)構(gòu)件、鈑金零件和緊固件等。經(jīng)綜合分析，高強度結(jié)構(gòu)鈦合金主干牌號確定為TC21（鍛件）、TC16（絲材）、TB6（鍛件）。