國際航空用鈦合金市場情況
來源:    發布時間: 2017-03-31 09:33   308 次瀏覽   大小:  16px  14px  12px

 鈦合金具有密度低、比強度高、耐蝕性好、導熱率低、無毒無磁、可焊接、生物相容性好、表面可裝飾性強等特性,是一種輕質高強度耐蝕結構材料,在武器裝備中具有廣泛應用前景,并已經廣泛應用于航空、航天、化工、石油、電力、醫療、建筑、體育用品等領域。作為飛機機體結構和飛機發動機的主要結構材料之一,鈦合金的應用水平是衡量飛機選材先進程度的重要標志之一,是影響飛機戰術性能的一個重要方面。在國外第三代戰斗機上,鈦合金用量占機體結構重量比為20%~25%,在第四代戰斗機F-22(EMD)上已高達41%,其應用呈大幅度上升趨勢。航空發動機的用鈦量也在逐步增加,國外先進航空發動機的鈦用量已達30%左右,例如V2500發動機的鈦用量就高達31%,第四代發動機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(圖1)。空中客車的鈦用量已從第三代A320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%。世界各國國防系統和民航系統日新月異的發展,要求飛機及其發動機通過減輕結構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,鈦合金通過持續的合金創新、工藝創新和工程應用,永不止步地一再挖掘出鈦潛在的能力,其比強度、耐熱性、抗蝕性等方面的優越性日益充分地發揮出來,成本較高的問題則逐漸得到不同程度的解決,使用可靠性也隨設計應用經驗的日積月累而不斷提高。鈦合金的發展態勢恰恰適應了航空工業不斷提升的需求,甚至在某些方面以超前的姿態促進了飛機及其發動機的發展。

飛機結構用鈦合金

飛機結構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。低強度結構鈦合金抗拉強度<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。根據低強度結構鈦合金在各應用領域的應用情況分析,確定低強度結構鈦合金主干牌號有TA17(板材)、TC2(板材)、TA18(管材)、Ti31(板材、鍛件、管材)、Ti70(板材)、ZTi60(鑄件)等。

中強度結構鈦合金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良的焊接性能,多用于制造承力構件與厚板。經分析,中強度結構鈦合金主干牌號有TA7(板材、鍛件)、TC4(厚板、鍛件、絲材)、TA15(厚板、鍛件)、Ti75(鍛件)、Ti80(板材、鍛件)。

高強度結構鈦合金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構件、鈑金零件和緊固件等。經綜合分析,高強度結構鈦合金主干牌號確定為TC21(鍛件)、TC16(絲材)、TB6(鍛件)。

其中,TC21鈦合金是“十五”期間我國自主研發的第一個具有自主知識產權的高強、高韌、高模量、損傷容限型鈦合金,其綜合力學性能比在美F-22飛機上應用的Ti-6-22-22S(美)和蘇-27系列飛機廣泛應用的BT20(俄)鈦合金更加優異,特別是具有非常優異的電子束焊接性能,焊接接頭的強度、斷裂韌性、疲勞性能等綜合性能與母材相當,特別適合制造飛機大型整體框、梁、接頭類等重要承力構件。

TC16鈦合金退火狀態的組織中含有約25%的?相,可以通過熱處理進行強化。冷變形加工的TC16螺栓的工作量與成本大約是熱鐓和固溶時效工藝制造的TC4螺栓的1/2~1/3,但疲勞性能比TC4低。

由于直升機起飛重量不斷提高,原來采用的Ti-6Al-4V鈦合金已經不能滿足要求,必須采用強度更高、高周疲勞壽命更長和剛性較低的TB6鈦合金,使用的拉伸強度水平為1170MPa。許多直升機公司都選用TB6鈦合金制造半剛性旋翼,其中包括槳轂、套筒、支座、旋翼軸、槳葉與軸的連接接頭等零件。

超高強度結構鈦合金抗拉強度≥1250MPa,屬于可熱處理強化的亞穩定?型鈦合金,目前主要牌號有TB8、TB19、TB20等。其主要特點是:經過合金化和熱處理強化等手段,在獲得超高強度的同時,合金仍具有較高的斷裂韌性、可焊接性和成形性能等。經綜合分析,確定超高強度鈦合金主干牌號為TB19(鍛件)。

發動機結構用鈦合金類型

高溫鈦合金航空發動機用鈦合金是指具有較高的高溫蠕變抗力、持久強度、高溫強度、熱穩定性和高溫疲勞等性能,能夠滿足航空發動機零件在高溫環境下長期工作要求的鈦合金,主要用于制造航空發動機壓氣機葉片、輪盤和機匣等零件。航空發動機用鈦合金以能滿足發動機高溫零部件長期工作的最高溫度進行分類。

400℃使用的高溫鈦合金主干材料為TC17鈦合金和TC6鈦合金。TC17應用于FWS10和推重比10等新型號發動機高壓壓氣機盤,目前已經研制出TC17整體葉盤。TC6鈦合金應用于WP13和WS11等發動機緊固件、風扇葉片等多種零件。

450℃使用的TA11鈦合金是我國仿制美國的Ti-811鈦合金,只應用于WS10發動機1~3級高壓轉子葉片,其它機型未選用,而且該合金可用TC11鈦合金替代,因此不作為主干材料。

500℃使用的高溫鈦合金主干材料為TC11,該合金是我國航空發動機上應用數量最多的鈦合金,綜合力學性能好,生產TC11葉片和盤件及其半成品的工藝穩定,二十多年在我國航空發動機的使用中沒有發生過因TC11合金材料問題造成的故障,因此推薦TC11合金用于生產航空發動機500℃及以下溫度使用的壓氣機葉片、盤和軸頸等。

550℃使用的高溫鈦合金有TA12,但該合金尚未在我國的航空發動機上獲得應用。

600℃使用的高溫鈦合金有Ti60,尚處于研制階段,新研制的推重比10發動機高壓壓氣機整體葉盤選用了該合金。

650℃工作時固溶強化型鈦合金性能已經無法滿足使用要求,Ti3Al基金屬間化合物TD3合金是可以在該溫度下長期工作的較好材料。

TiAl系合金它的主要應用優勢體現在:(1)TiAl合金比航空發動機其他常用結構材料的比剛性高約50%,高剛性對要求低間隙的部件(如箱體、構件以及支撐件等)有利,同時可延長葉片等部件的使用壽命;(2)TiAl合金在700℃~850℃具有高于普通高溫合金的比強度,設計上可以實現結構減重或減少對相關支撐件的負荷;(3)TiAl合金具有良好的阻燃性,可替換一些昂貴的阻燃設計用Ti合金。基于上述特點,TiAl合金被認為是新型高推比航空發動機與航天推進系統的靜止件和轉動件極具潛力的候選材料,亦為制造其他部件如汽車發動機用增壓渦輪和排氣閥等的理想材料。

Ti3Al基合金是Ti-Al系金屬間化合物中重要的一類,是650℃~700℃溫度范圍長期使用的輕質結構材料。通過添加Nb等元素使Ti3Al基合金的室溫塑性、韌性有了較大幅度的提高,因此得到了廣泛深入研究,而且多種零件進行了試車考核。

由于Ti3Al基合金鑄錠開坯、鍛造及板坯軋制都可利用常規的鈦合金加工設備來完成,在上世紀80年代末,國外Ti3Al的研制就已從實驗規模發展到工業生產規模。Ti3Al基合金鑄錠重達4500kg,并且能夠提供棒材、板材和箔材。

阻燃鈦合金由于鈦合金具有很高的氧化生成熱同時導熱性又很差,一旦出現諸如葉片與機匣間的高能摩擦,就會增加在發動機這種高溫、高壓以及高的氣流速度發生“鈦火”的傾向性,典型的“鈦火”燃燒持續時間僅為4~20秒,且難以采取有效的滅火措施,由此帶來了嚴重的安全隱患。為此,美國、俄羅斯、英國、中國都開展了阻燃鈦合金的研究,主要有Ti-V-Cr系和Ti-Cu-Al系兩種合金體系的阻燃鈦合金。

與Ti-6Al-4V合金相比,Alloy C合金具有良好的阻燃性能,Alloy C合金可制成厚板、薄板、帶材、棒材、鍛件以及鑄件,長期使用溫度為540℃。該合金已用于F119-PW-100發動機的內環、靜子葉片和噴口調節片等多種零部件。Ti40合金是我國自主研發的阻燃鈦合金,在500℃時具有優異的蠕變性能,但500℃以上蠕變抗力急劇降低,由此決定了Ti40合金長期使用溫度不能超過500℃。目前能夠制備Ti40噸級鑄錠、大規格棒材和環鍛件。

BTT-1和BTT-3是俄羅斯研制的兩種Ti-Cu-Al系阻燃鈦合金。BTT-1合金適合加工棒材和鍛件,使用溫度為450℃;BTT-3合金由于具有更好的工藝塑性,適合加工板材、箔材,使用溫度為400℃。

SiC纖維增強鈦基復合材料以SiC連續纖維增強鈦基復合材料(SiCf/Ti)為主要代表的金屬基復合材料在航空發動機上的應用潛力已明顯呈現出急速上升的趨勢,據美國航空航天及宇航總署(NASA)預測,在未來的航空發動機用材料中,鈦基復合材料約占30%,鈦鋁基復合材料約占15%。SiCf/Ti具有高比強度、高比剛度、耐高溫、抗蠕變、疲勞性能,是理想的適用于600℃?800℃的輕質結構材料。研究表明,SiCf/Ti具有良好的高溫性能,可使發動機的推重比大大提高,由于鈦基復合材料單向排布性能優異,在環類轉動件上的優勢尤其明顯,與鎳合金與鈦合金相比分別減重80%和60%。

 

 

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