發(fā)布日期：2022-10-14 22:53:54
鈦合金因比強度大、抗腐蝕性好、溫度適應(yīng)范圍廣、無磁性、高韌性、可焊接等突出特性，在航空、航天、軍事、化工、冶金、醫(yī)療、海水淡化、海洋石油開采、日常用品等領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用，擁有“太空金屬”、“海洋金屬”、“未來金屬”、“智能金屬”等美譽。
鈦合金是一種對發(fā)展國防高新技術(shù)武器裝備有重要作用的新型金屬結(jié)構(gòu)材料[1]，已被世界多個軍事強國列為重點發(fā)展的21世紀(jì)具有戰(zhàn)略意義的新型結(jié)構(gòu)金屬材料[2]。隨著國民經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，鈦合金已在航空航天及武器裝備領(lǐng)域獲得普遍應(yīng)用，中國對鈦合金的需求量更是以每年20%～30%的速度增加。
1、鈦合金在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用
1.1 在飛機上的應(yīng)用
鈦合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，主要是利用其優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、密度小和良好的抗腐蝕性能，如用于制造噴氣發(fā)動機的鈦合金要求有高溫抗拉強度和穩(wěn)定性，并結(jié)合良好的蠕變、疲勞強度和斷裂韌性。鈦合金是繼鋼鐵和鋁合金以后應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的又一種新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，它的應(yīng)用水平已成為衡量飛機選材先進程度的一個重要標(biāo)志[3]。鈦 合金是飛機機體和發(fā)動機的重要結(jié)構(gòu)材料之一，作為減重效果良好的機體材料，近50年來鈦合金在商用及軍用飛機領(lǐng)域的用量伴隨各自產(chǎn)品的升級換代呈穩(wěn)步增長趨勢。在軍用飛機方面，國外第3代戰(zhàn)斗機用鈦量占機體結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的20%～25%，美國第5代戰(zhàn)斗機Ｆ－35用鈦量已高達(dá)27%，Ｆ－22戰(zhàn)機用鈦量更是高達(dá)41%，鈦合金在Ｆ－22戰(zhàn)機上的使用部位如圖1所示。
美國運輸機用鈦量也由早期服役的Ｃ5的6%增至Ｃ17的10.3%，俄羅斯伊爾76運輸機用鈦量更是達(dá)到了12%[4]。在民用飛機方面，鈦合金用量也在逐步增長，空客飛機鈦用量已從第3代Ａ320的4.5%增至第4代Ａ340的6%，Ａ380的用鈦量增加到了10%，單機用鈦量就達(dá)60ｔ，而即將問世的Ａ350客機的鈦用量進一步提高到14%左右[5]。波音飛機用鈦量已從最初波音707的0.5%增至波音787的14%，用鈦量增速基本與空客飛機保持同步，如圖2所示。
現(xiàn)代飛機上鈦合金的應(yīng)用范圍越來越廣泛，主要有飛機機身、液壓管道、起落架、座艙窗戶框架、蒙皮、緊固件、艙門、機翼結(jié)構(gòu)、風(fēng)扇葉片、壓縮機葉片等。為防止飛機外部蒙皮潛在的疲勞裂紋出現(xiàn)突發(fā)擴展，一般飛機機身采用鈦合金做成薄且窄的環(huán)狀結(jié)構(gòu)；為使飛機液壓管道減重40%，多采用易變形且強度足夠高的兩相Ｔｉ－3Ａｌ－2.5Ｖ合金；因高強度鋼具有應(yīng)力腐蝕敏感性，在飛機上使用壽命較短，起落架大多都采用鈦合金制造，如波音777起落架幾乎都采用ＴＩＭＥＴＡＬ10－2－3鍛件制造[6－7]；由于飛機存在潛在的高載荷沖擊，如氣流或飛鳥，座艙窗戶框架多采用有足夠強度的鈦合金鍛件制造；鈦合金與碳纖維復(fù)合材料有相近的熱膨脹系數(shù)，化學(xué)相容性較高，從而可避免化學(xué)腐蝕，因此優(yōu)先選擇鈦合金作為與碳纖維復(fù)合材料的連接件和支撐件[8－9]；因飛機蒙皮表面與空氣摩擦產(chǎn)生高溫，大多數(shù)鋁合金抗高溫能力無法達(dá)到要求，蒙皮也多采用鈦合金制造；由于鈦合金質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕、低導(dǎo)磁率等優(yōu)良特性，在飛機上鈦合金緊固件的用量不斷增加，以計劃于2014年首飛的國產(chǎn)商用大飛機Ｃ919為例，單機鈦合金緊固件用量達(dá)20萬件以上，按2018年達(dá)到年產(chǎn)150架計算，總需求量達(dá)3000萬件。
燃?xì)鉁u輪發(fā)動機是航空鈦合金應(yīng)用的主要領(lǐng)域，現(xiàn)代渦輪發(fā)動機結(jié)構(gòu)質(zhì)量的30%左右為鈦合金，最早應(yīng)用鈦合金的發(fā)動機部件是壓縮機葉片，現(xiàn)代噴氣式發(fā)動機大型前端風(fēng)扇葉片也由鈦合金制成[10]。發(fā)動機設(shè)計時采用鈦合金材料，可進一步降低壓縮機葉片和風(fēng)扇葉片的質(zhì)量，同時還可延長部件的壽命和檢修周期，從而保證飛機的安全穩(wěn)定性， 如波音747－8ＧＥＮＸ發(fā)動機風(fēng)扇葉片的前緣與尖部，采用了鈦合金護套，在10年使用過程中僅更換過3次，風(fēng)扇葉片在波音777客機上經(jīng)受住了嚴(yán)格考驗。
1.2 太空應(yīng)用
隨著人類探索太空步伐的加快，對航天飛行器的要求越來越高。航天飛行器在超高溫、超低溫、高真空、高應(yīng)力、強腐蝕等極端條件下工作，除依靠優(yōu)化機體結(jié)構(gòu)設(shè)計外，還依賴材料所具有的優(yōu)異特性和功能[11]。圖3為美國航天飛機計劃中飛行器用鈦合金壓力罐，在航天工業(yè)中，因鈦合金集航天產(chǎn)品所需的特質(zhì)于一身，在制造燃料儲箱、火箭發(fā)動機殼體、火箭噴嘴導(dǎo)管、人造衛(wèi)星外殼等方面得到了典型應(yīng)用，例如燃料儲箱制備可將鈦合金板塑性成形為半球狀，通過擴散連接和常規(guī)焊接，降低其加工程度，從而制備燃料儲箱；衛(wèi)星艙半球形殼體可采用Ｔｉ－15－3合金通過簡單旋壓成形工藝生產(chǎn)等[10]。鈦合金在太空領(lǐng)域的應(yīng)用雖有一定局限性，但近幾年 用量也呈穩(wěn)步增長趨勢。
2、鈦合金在武器裝備領(lǐng)域中的應(yīng)用
除上述航空航天方面的應(yīng)用外，鈦合金在艦船、戰(zhàn)車、坦克、火炮、導(dǎo)彈等武器裝備領(lǐng)域也獲得了普遍應(yīng)用。在艦船方面，鈦合金除能達(dá)到減重和耐腐蝕的要求外，還具備高沖擊韌性、高耐應(yīng)力腐蝕性能和高斷裂韌性等特質(zhì)[12]，主要應(yīng)用部位有：耐壓殼體、螺旋槳、管道系統(tǒng)、熱交換器、發(fā)動機零部件、升降裝置及發(fā)射裝置、聲納系統(tǒng)、系泊裝置等[13－14]。俄羅斯、美國、日本、法國、中國都在不同程度上用鈦合金作為艦船材料，在鈦合金使用規(guī)模和應(yīng)用技術(shù)上，俄羅斯領(lǐng)先于其他國家。如俄羅斯阿庫拉級攻擊核潛艇、塞拉級攻擊核潛艇、阿爾法級核潛艇、蘇聯(lián)臺風(fēng)級潛艇均采用鈦合金材料建造，其中阿爾法級核潛艇用鈦量達(dá)3000t，蘇聯(lián)臺風(fēng)級潛艇采用鈦合金雙殼體結(jié)構(gòu)，兩層殼體間距約為3ｍ，大大增強耐水下沖撞能力，每艘臺風(fēng)級潛艇的用鈦量約9000ｔ[15－16]。
世界上現(xiàn)役或在研武器裝備中，很多都使用了鈦及鈦合金結(jié)構(gòu)件，隨著現(xiàn)代化戰(zhàn)爭模式的轉(zhuǎn)變，強烈要求軍隊有突出的快速機動能力，如對于陸軍戰(zhàn)車來說必須要求其質(zhì)量輕、運輸方便、機動性能好，鈦合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)戰(zhàn)車中的裝甲鋼零件，有效實現(xiàn)了陸軍粗重武器裝備的輕量化。美國Ｍ1Ａ1“艾布拉姆斯”主戰(zhàn)坦克在發(fā)動機頂蓋、武器對抗防護蓋、炮 塔樞軸架、進出艙口等部位用鈦合金部件替換了鋼制部件，減重可達(dá)475kg。鈦合金在火炮領(lǐng)域的發(fā)展前途同樣光明，如美國的Ｍ777輕型榴彈炮，使用鈦合金外殼，戰(zhàn)斗全質(zhì)量降至3.175t，可以使用V22或者Ｃ130空運[17]，達(dá)到快速機動的能力；英國的ＵＦＨ 超輕型155ｍｍ火炮，鈦合金用量達(dá)到總質(zhì)量的25%以上。鈦合金鑄件在導(dǎo)彈的尾翼、彈頭殼體、火箭殼體和連接座等部位的使用也比較普遍，它的密度小、比強度高，抗腐蝕和易成形的優(yōu)點非常適應(yīng)導(dǎo)彈制造的需要[18]。
3、鈦合金發(fā)展前景分析
國內(nèi)對于鈦合金研究多，應(yīng)用少的現(xiàn)象比較突出，由于鈦合金自身的加工特性，采用傳統(tǒng)制造技術(shù)進行加工存在周期長、利用率低、成本高等劣勢，這使其在航空航天及武器裝備領(lǐng)域的普遍應(yīng)用受到限制。近幾年，中國鈦合金已由完全仿制過渡到創(chuàng)新與仿制相結(jié)合的新階段，在高溫鈦合金、高強鈦合金、耐蝕鈦合金、阻燃鈦合金、低溫鈦合金的開發(fā)上 取得重大突破。在鈦合金材料加工方面，隨著激光成形及修復(fù)技術(shù)（LRF/LR）、超塑性成形／擴散連接技術(shù)（SPF/DB）的出現(xiàn)，提高了鈦合金材料的利用率，縮短了制造周期，降低了生產(chǎn)成本，基本滿足了鈦合金在航空航天及武器裝備領(lǐng)域的應(yīng)用需求；中國在高性能金屬構(gòu)件激光直接制造技術(shù)上已經(jīng)走在世界前列，以王華明教授為首的科研團隊在飛機鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)上取得重大科研成果，圖4為北京航空航天大學(xué)部分激光快速成形的飛機零件[19－20]。當(dāng)前，雖然中國鈦合金的研究 水平與國外大致相當(dāng)，但在生產(chǎn)規(guī)模、材料利用率、發(fā)展速度等方面還有較大差距。
伴隨航空航天及武器裝備領(lǐng)域鈦合金用量穩(wěn)步增長的現(xiàn)狀，針對國內(nèi)外鈦合金研發(fā)情況，筆者預(yù)測未來鈦合金的發(fā)展趨勢如下：
（1）新型鈦合金設(shè)計。開發(fā)新型鈦合金專家設(shè)計系統(tǒng)，指導(dǎo)新合金的設(shè)計。
（2）低成本、高綜合性能鈦合金。研究低成本鈦合金合金化機理[21]，實現(xiàn)低成本與高綜合性能的良好匹配，提高低成本鈦合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用水平[22]。
（3）鈦合金低成本化加工與制造技術(shù)。改進成形工藝，采用先進的加工與制造技術(shù)，如粉末冶金、LRF/LR、SPF/DB、精密鑄造、精確塑性成形等技術(shù)，提高鈦合金材料的利用率。
（4）發(fā)展鈦合金近凈成形技術(shù)。近凈成形技術(shù)以優(yōu)質(zhì)、高效、高精度、低成本、輕量化為特點，有效降低鈦合金加工成本，縮短加工周期，近幾年在鈦合金加工領(lǐng)域備受關(guān)注。
（5）鈦合金材料制備及加工過程的計算機模擬。運用計算機模擬計算設(shè)計加工工藝，節(jié)省資源，同時極大地提高新材料制備和加工工藝設(shè)計的準(zhǔn)確性[23]。
（6）強化高性能損傷容限型鈦合金研究。此類鈦合金是新一代飛機的主要材料，加強品種規(guī)格系列化和應(yīng)用批量穩(wěn)定化，擴大其用量和應(yīng)用范圍，進 一步提升技術(shù)成熟度[24]。
（7）加強ＴｉＡｌ金屬間化合物和鈦基復(fù)合材料的研究。目的是在一定應(yīng)力和溫度范圍內(nèi)用鈦合金替換鎳基、鐵基合金等傳統(tǒng)材料。一種新材料的推行，除取決于高性能和可能的創(chuàng)新外，還取決于應(yīng)用材料為零部件生產(chǎn)所制訂的工藝路線的有效性。
（8）積極開發(fā)海綿鈦新型制備技術(shù)。采用先進的熔煉技術(shù)和設(shè)備[25]，探索海綿鈦新型制備技術(shù)，為航空航天及武器裝備領(lǐng)域用特殊鈦合金提供可靠的原材料。
4、結(jié)語
鈦合金在航空航天及武器裝備領(lǐng)域的應(yīng)用情況折射出它作為一種新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的技術(shù)發(fā)展與進步，通過分析其綜合材料特性即可預(yù)測出未來它在航空航天及武器裝備領(lǐng)域的用量必然呈穩(wěn)步增長態(tài)勢，現(xiàn)階段材料技術(shù)在軍事需求牽引和高新技術(shù)的推動下正在高速向前推進，材料技術(shù)發(fā)展的又一次飛躍即將到來。
參考文獻(xiàn)：
[1] 曲恒磊，周義剛，周廉，等.近幾年新型鈦合金的研究進展[Ｊ].材料導(dǎo)報，2005，19（2）：94.
[2] 張英明，韓明臣，倪沛彤，等.航空、航天用鈦合金的發(fā)展與應(yīng)用[Ｊ].真空與低溫，2011（Ｚ2）：43.
[3] 薛松.ＴＡ15鈦合金大型航空結(jié)構(gòu)件成形特性與工藝研究[Ｄ].重慶：重慶大學(xué)，2011.
[4] 黃張洪，曲恒磊，鄧超，等.航空用鈦及鈦合金的發(fā)展及應(yīng)用[Ｊ].材料導(dǎo)報，2011，25（1）：103.
[5] 黃旭.航空用鈦合金發(fā)展概述[Ｊ].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2012（7）：12.
[6] Ｂｏｙｅｒ�。摇。�.Ａｎ�。铮觯澹颍觯椋澹鳌。铮睢。簦瑁濉。酰螅濉。铮妗。簦椋簦幔睿椋酰怼。椋睢。幔澹颍铮螅穑幔悖濉。椋睿洌酰螅簦颍鵞Ｊ].Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ�。幔睿洹ｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，1996，213A：103.
[7] Ｂｏｙｅｒ�。摇。�，Ｗｉｌｌｉａｍｓ Ｊ�。�，Ｐａｔｏｎ�。巍。�.Ｅｖｏｌｖｉｎｇ�。幔澹颍铮螅穑幔悖濉。幔穑穑欤椋悖幔簦椋铮睢。妫铮颉。裕椤。幔欤欤铮骩Ｃ]∥Ｔｉｔａｎｉｕｍ′99：Ｓｃｉｅｎｃｅｓ�。幔睿洹。裕澹悖瑁睿铮欤铮纾�.Ｒｕｓｓｉａ，Ｓｔ�。校澹簦澹颍螅猓酰颍纾海茫遥桑樱�，2000：1007.
[8] 沙愛學(xué)，李興無，李紅恩，等.ＢＴ16鈦合金沉頭螺栓的加工工藝[Ｊ].中國有色金屬學(xué)報，2010，20（1）：ｓ942.
[9]�。疲澹颍颍澹颍铩。�，Ｈｕｔｔ Ａ，Ｓｗｅｅｔ�。�.Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ�。悖铮恚穑幔颍椋螅铮睢。妫铮颉。觯幔颍椋铮酰螅猓澹簦帷。幔睿洹。幔欤穑瑁幔猓澹簦帷。幔欤欤铮骩Ｃ]∥Ｔｉ－2003Ｓｃｉｅｎｃｅ�。幔睿洹。裕澹悖瑁睿铮欤铮纾�.Ｈａｍｂｕｒｇ：Ｗｉｌｅｙ－ＶＣＨ，2004：385.
[10]�。蹋澹澹睿蟆。�，Ｐｅｔｅｒ�。�.Ｔｉｔａｎｉｕｍ�。幔睿洹。簦椋簦幔睿椋酰怼。幔欤欤铮� [Ｍ].Ｗｅｉｎｈｅｉｍ：Ｗｉｌｅｙ－ＶＣＨ�。牵恚猓取。幔睿洹。茫�.ＫＧａＡ，2005.
[11] 張緒虎，單群，陳永來，等.鈦合金在航天飛行器上的應(yīng)用和發(fā)展[Ｊ].中國材料進展，2011，3（6）：28.
[12] 程德彬.船用鈦合金與航空鈦合金的使用性能差異[Ｊ].材料開發(fā)與應(yīng)用，2012，27（3）：60.
[13] 黃曉艷，劉波.船艦用結(jié)構(gòu)材料的現(xiàn)狀與發(fā)展[Ｊ].船舶，2004（6）：23.
[14] 周廉.美國、日本和中國鈦工業(yè)發(fā)展評述[Ｊ].稀有金屬材料與工程，2003，32（8）：576.
[15] 黃曉艷，劉波，李雪.鈦合金在軍事上的應(yīng)用[Ｊ].輕金屬，2005（9）：51.
[16] 庾晉，周潔.鈦、鈦合金和鈦化合物的應(yīng)用[Ｊ].輕金屬，2003（7）：40.
[17] 何擎.美國海軍陸戰(zhàn)隊的間接瞄準(zhǔn)火炮系統(tǒng)新發(fā)展[Ｊ].世界航空航天博覽，2005（116）：45.
[18] 張喜燕，趙永慶，白晨光.鈦合金及應(yīng)用[Ｍ].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.
[19] 王華明，張述泉，湯海波，等.大型鈦合金結(jié)構(gòu)激光快速成形技術(shù)研究進展[Ｊ].航空精密制造技術(shù)，2008，44（6）：28.
[20] 楊健.民用飛機機體用鈦合金的新技術(shù)探討[Ｊ].航空制造技術(shù)，2011（13）：51.
[21] 李朋歡，葉健松，胡文豪，等.鈦合金化對鋁鎮(zhèn)靜鋼中夾雜物的影響[Ｊ].鋼鐵研究學(xué)報，2013，25（10）：5.
[22] 朱知壽，商國強，王新南，等.低成本高性能鈦合金研究進展[Ｊ].鈦工業(yè)進展，2012，29（6）：1.
[23] 張文毓.鈦合金技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[Ｊ].中國有色金屬，2010（1）：76.
[24] 朱知壽.航空結(jié)構(gòu)用新型高性能鈦合金材料技術(shù)研究與發(fā)展[Ｊ].航空科學(xué)技術(shù)，2012（1）：5.
[25] 肖冰，康鳳，胡傳凱，等.國外輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料在國防工業(yè)中的應(yīng)用[Ｊ].兵器材料科學(xué)與工程，2011，34（1）：94.
tag標(biāo)簽:鈦合金