航空材料為什么非得要用鈦合金？

[復制鏈接]

twq19810302

電梯直達

1^#

發表于 2023-11-8 10:55:57 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

本帖最后由 twq19810302 于 2023-11-8 10:56 編輯

鈦與航空有著不解之緣。1953年，在美國道格拉斯公司生產的DC-T機發動機吊艙和防火壁上首次使用鈦材，從而揭開了鈦航空應用的歷史。從那時以來，鈦在航空上已應用了半個多世紀。鈦能在航空上廣泛應用是由于它有適于飛機應用的許多寶貴特性。今天我們就來講講航空材料為什么非得要用鈦合金。

一、鈦的簡介

1948年美國杜邦公司才用鎂法成噸生產海綿鈦——這標志著海綿鈦即鈦工業化生產的開始。而鈦合金因具有比強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領域。

鈦在地殼中含量較豐富，含量排第九位，遠高于銅、鋅、錫等常見金屬。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。

熱強度高：使用溫度比鋁合金高幾百度，可在450～500℃的溫度下長期工作。

抗蝕性好：耐酸、耐堿、耐大氣腐蝕，對點蝕、應力腐蝕的抵抗力特別強。

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。

化學活性大：高溫時化學活性很高，輕易與空氣中的氫、氧等氣體雜質發生化學反應，生成硬化層。

導熱系數小、彈性模量小：導熱系數約為鎳的1/4，鐵的1/5，鋁的1/14，而各種鈦合金的導熱系數比鈦的導熱系數約下降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。

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

四、鈦合金的航空應用

鈦合金主要用于飛機及發動機的制造材料，如鍛造鈦風扇、壓氣機盤和葉片、發動機罩、排氣裝置等零件以及飛機的大梁隔框等結構框架件。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、構架和火箭殼體。人造地球衛星、登月艙、載人飛船和航天飛機也都使用鈦合金板材焊接件。

1950年美國首次在F-84戰斗轟炸機上用作后機身隔熱板、導風罩、機尾罩等非承力構件。60年代開始鈦合金的使用部位從后機身移向中機身、部分地代替結構鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構件。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公斤以上占機重28%。隨著加工工藝技術的發展，在火箭、人造衛星和宇宙飛船上，也用了大量的鈦合金。

飛機越先進，使用的鈦越多。美國F—14A戰斗機使用的鈦合金，約占機重的25%；F—15A戰斗機為25.8%；美國第四代戰斗機用鈦量為41%，其F119發動機用鈦量為39%，是目前用鈦量最高的飛機。

五、鈦合金在航空中被大量應用的原因

現代飛機的航行最高時速已達到音速的2.7倍以上。這么快的超音速飛行，會使飛機與空氣摩擦而產生大量的熱。當飛行速度達到音速的2.2倍時，鋁合金就經受不住了。必須采用耐高溫的鈦合金。

當航空發動機的推重比從4～6提高到8～10，壓氣機出口溫度相應地從200～300℃增加到500～600℃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。

近年來科學家們對鈦合金性能的研究工作，不斷取得新的進展。原來由鈦、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盤和葉片，可以減輕結構重量。飛機每減輕重10%，可節省燃料4%。對火箭來說，每減輕1kg的重量，就可增加15km的射程。

六、鈦合金機加工特性分析

首先，鈦合金導熱系數低，僅是鋼的1/4，鋁的1/13，銅的1/25。因切削區散熱慢，不利于熱平衡，在切削加工過程中，散熱和冷卻效果很差，易于在切削區形成高溫，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，鈦合金的導熱系數低，使切削熱積于切削刀附近的小面積區域內不易散發，前刀面摩擦力加大，不易排屑，切削熱不易散發，加速刀具磨損。最后，鈦合金化學活性高，在高溫下加工易與刀具材料起反應，形成溶敷、擴散，造成粘刀、燒刀、斷刀等現象。