發(fā)布日期：2023-6-10 11:10:26
1、鈦合金在民用飛機(jī)中的應(yīng)用
由于鈦合金材料的密度小、比強(qiáng)度高，并且與碳纖維復(fù)合材料的相容性較好等特點(diǎn)，因此，鈦合金作為航空結(jié)構(gòu)材料得到了廣泛的應(yīng)用。 B777 上大約采用了 8% 的鈦合金，可鍛性好的近 β 型鈦合金 Ti-10V-2Fe-3Al用作 B777 的起落架，每架用鈦 5.9t。具有抗氧化性及腐蝕性的 Ti-15Mo-10.7Nb-3Al-0.2Si 主 要用于后整流罩[1]。B787 飛機(jī)除了吊掛、起落架結(jié)構(gòu)等傳統(tǒng)部位使用鈦合金外，由于B787飛機(jī)復(fù)合材料用量的大幅度增加，以及鈦合金和復(fù)合材料相容性好的特點(diǎn)，鈦合金在某些部位也取代了鋁合金，使 B787飛機(jī)上的鈦用量達(dá)到了 15%。
空中客車飛機(jī)的鈦棒、鈦板、鈦管等鈦合金用量比較穩(wěn)定，比鋼的用量低，但隨著復(fù)合材料用量的逐漸增加，鋼的用量減少，而鈦合金的用量逐漸增加。例如空中客車復(fù)合材料的用量從第三代客機(jī) A320 的 5.5% 增至第四代客機(jī) A340 的 8%，相應(yīng)的鈦用量從 4.5% 增至 6%，A380 客機(jī)的復(fù)合材料用量達(dá)到 25%，鈦合金用量增至 10%。除波音 787 外，A350 是目前應(yīng)用復(fù)合材料最多的機(jī)型，用量約為 52%，相應(yīng)鈦合金的用量也增加到14%。A350 客機(jī)使用鈦合金的主要部位包括發(fā)動(dòng)機(jī)懸架、艙門、機(jī)翼結(jié)構(gòu)、座椅導(dǎo)軌、起落架、和輔助動(dòng)力艙的隔熱屏等。C 系列飛機(jī)鈦合金的用量達(dá)到了 8%。中機(jī)身后梁框和尾錐對(duì)接框采用了與符合材料相容性好的 Ti-6Al-4V，APU 防火墻采用了純鈦薄板，考慮強(qiáng)度、剛度和耐沖擊性，艙門擋塊和一些重要的接頭等普遍選用了鈦合金材料。
我國(guó)一些飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)中的鈦合金用量也在不斷提高，商用客機(jī)ARJ21的鈦合金用量為4.8%，而C919客機(jī)用鈦量已達(dá)到 9.3%，和波音 777 相比略高，波音 777 為 8%。C919 飛 機(jī) 上 應(yīng) 用 的 鈦 合 金 有 CP-3、Ti-6Al-4V 和 Ti-55531等，主要部位有機(jī)頭、吊掛、尾翼、外翼和中央翼盒等。
2、 鈦合金產(chǎn)品近凈成型工藝特點(diǎn)及應(yīng)用
由于鈦合金熱導(dǎo)率低，機(jī)加工時(shí)產(chǎn)生的熱量不易散失，引起刀具溫度升高，粘刀，刀具磨損嚴(yán)重導(dǎo)致零件加工效率低，產(chǎn)品交付周期較長(zhǎng)等缺點(diǎn)，使鈦合金在航空領(lǐng)域的應(yīng)用 受到限制。因此，近凈成型技術(shù)是鈦合金產(chǎn)品未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。近凈成型工藝包括等溫鍛造（固態(tài)成型）、熔模精密鑄造（液態(tài)成型）和粉末激光成型。
2.1 熔模精密鑄造
熔模精密鑄造同其他鑄造方法和零件成形方法相比較，具有以下基本特點(diǎn) ：①鑄件尺寸精確、表面粗糙度低 ；②能夠鑄造形狀復(fù)雜的鑄件 ；③可以提高金屬材料的利用率，并 且生產(chǎn)靈活性高、適應(yīng)性強(qiáng)。B777 客機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)后安裝框架采用鈦合金精鑄件，這是首次在民機(jī)上獲得成功應(yīng)用。由于客機(jī)在安全可靠性方面要求高，因此，具有重要意義。英 國(guó) Doncasters 公司采用離心熔模精鑄技術(shù)制成的鈦合金剎車扭力管用于 A380 客機(jī)，這是歐洲首次采用鈦合金剎車扭力管精鑄件取代以往的鍛件[3，4]。
2.2 等溫鍛造
等溫鍛造與常規(guī)鍛造相比的優(yōu)點(diǎn)是①能夠密切控制鍛件尺寸，可鍛出形狀復(fù)雜精度高的鍛件，并節(jié)省原料，減少機(jī)加工，降低成本 ；②鍛造載荷小，所需成型設(shè)備噸位小 ；③產(chǎn)品具有均勻一致的微觀組織，粗晶粒較少，機(jī)械性能較好。等溫鍛造工藝將成為國(guó)內(nèi)外鈦合金鍛件生產(chǎn)工藝的重要發(fā)展方向。
目前，采用等溫鍛造的鈦合金鍛件產(chǎn)品已應(yīng)用于民用飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)，近β高強(qiáng)高韌鈦合金Ti1023用于波音777飛機(jī)的起落架部件中，使得波音777飛機(jī)上的鈦用量幾乎翻了一番，每架飛機(jī)減重近270kg。A380使用Ti1023合金大型鍛件作為主起落架的傳動(dòng)裝置。在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中，鈦合金鍛件也是不可或缺的材料，典型的使用部位有風(fēng)扇葉片、盤件和壓氣機(jī)葉片。
2.3 粉末激光成型
鈦合金粉末激光成型技術(shù)是一種基于“高功率激光熔覆”＋“快速原型制造”技術(shù)。采用高能激光束熔化鈦合金粉末，熔化的鈦合金粉末以微小液滴的形式在基材上凝固，通過(guò)計(jì) 算機(jī)控制的激光頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)，逐層堆積，獲得所需零件外形。鈦合金粉末激光成型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：①成型過(guò)程不需要模具；②無(wú)需大型鍛造設(shè)備，前期投入少。③毛坯的后續(xù)加工量小，提高材料利用率。該技術(shù)有助于推動(dòng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件向整體化發(fā)展，減少連接件數(shù)量，縮短裝配時(shí)間，可達(dá)到增效減重、降低成本的雙重效果。適用于制造大型、曲面復(fù)雜、裝配要求高的結(jié)構(gòu)件，目前，該技術(shù)已成功用于 C919 的機(jī)頭天窗骨架。
3、我國(guó)航空用鈦合金的發(fā)展趨勢(shì)
民用飛機(jī)的選材原則側(cè)重于經(jīng)濟(jì)性和安全性。迄今為止民用飛機(jī)上鈦的用量均小于15%。有些零部件選用鈦合金后即使可以減輕結(jié)構(gòu)重量，但在綜合考慮經(jīng)濟(jì)性時(shí)就可能不再選用，而采用鋁合金替代。因此，我國(guó)航空界和材料界應(yīng)充分重視相關(guān)鈦合金材料及其熱工藝的研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用工作，不斷提高使用性能，降低生產(chǎn)成本，以滿足民用飛機(jī)發(fā)展的需求。
3.1 研究高性能航空鈦合金材料
盡管鈦合金有良好的綜合性能，但現(xiàn)有鈦合金的強(qiáng)度仍不能完全滿足航空領(lǐng)域的應(yīng)用，其強(qiáng)韌性仍不如超高強(qiáng)韌合金鋼，因此，需要繼續(xù)研制抗拉強(qiáng)度高并且韌性良好的高強(qiáng) 鈦合金。
3.2 擴(kuò)大航空鈦合金精密鑄件的應(yīng)用范圍
與鈦合金鍛件相比，鈦合金精密鑄件能夠大大降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期，并可批量生產(chǎn)。我國(guó)鈦合金精密鑄造技術(shù)近年來(lái)發(fā)展較快，已廣泛應(yīng)用于航天和軍工等領(lǐng)域，但由于航空鈦合金鑄件內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量要求很高，關(guān)鍵航空部件還很難采用鈦合金鑄件，并且目前我國(guó)的鈦合金鑄件的成品率還不是很高，因此，我國(guó)航空鈦合金精密鑄造技 術(shù)需要提升。
3.3 研制低成本航空鈦合金
目前，鈦合金作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料，從 20 世紀(jì) 60 年代開(kāi)始應(yīng)用以來(lái)，由于其具有良好的綜合力學(xué)性能，并且能夠減輕零件本身的重量，至今備受航空領(lǐng)域的青睞，但因鈦合金 中含有昂貴的 Nb、Mo 和 V 元素，導(dǎo)致原材料成本較高，因此，低成本航空鈦合金受到極大的關(guān)注，用便宜的 Fe 元素替代昂貴的 Nb、Mo 和 V 等元素[4]，在保證強(qiáng)度和韌性均滿足材料的性能要求時(shí)，降低鈦合金原材料的成本。
參考文獻(xiàn)：
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