近幾年，受全球能源危機(jī)的影響，我國(guó)在航空航天的發(fā)展過(guò)程中，對(duì)符合其標(biāo)準(zhǔn)、高強(qiáng)度、耐高溫的新型結(jié)構(gòu)材料的需求保日漸緊張，鈦及其鈦合金由于具有良好的金屬性質(zhì)，促使了這一復(fù)合材料在航空航天的領(lǐng)域中的廣泛推廣和應(yīng)用，但是也受到其加工效率和生產(chǎn)成本的制約。伴隨著鈦合金的開(kāi)發(fā)和研制，鈦材料品種的爭(zhēng)奪以及價(jià)格的降低，使鈦在工業(yè)建造中的應(yīng)用范圍成倍增加。在航空航天的領(lǐng)域中，鈦的使用大國(guó)基本集中在西方國(guó)家，尤其是率先完成第二次工業(yè)革命的美國(guó)、英國(guó)等國(guó)家，他們將50%以上的鈦材料運(yùn)用在航空航天的事業(yè)中。但是相比之下，亞洲國(guó)家包括我國(guó)在航空航天的領(lǐng)域中鈦的投入量只有10%左右。但是近幾年隨著亞洲國(guó)家在航空航天領(lǐng)域的飛速發(fā)展，鈦在航空航天的消費(fèi)益將會(huì)隨之增長(zhǎng)，因此這種新型的鈦合金金屬將會(huì)成為目前乃至今后我國(guó)重點(diǎn)研究的對(duì)象。

1、鈦合金簡(jiǎn)介

新型鈦合金就是將鈦當(dāng)作基礎(chǔ)形式，以融入其他的合金元素或者是材料所構(gòu)成的復(fù)合金屬稱之為鈦合金。鈦合金在不同結(jié)構(gòu)和特性上可以分為多種。相比其他復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，新型鈦合金有瑭密度較低、韌性強(qiáng)、抗腐蝕性能高等金屬屬性，使其成為最理想的航空航天工程結(jié)構(gòu)的材料。

2、鈦合金的發(fā)展

自18世紀(jì)末年開(kāi)始發(fā)現(xiàn)鈦到現(xiàn)在為止已經(jīng)有200多年的歷史了。但是由于鈦金屬的熔點(diǎn)較高，并且化學(xué)性質(zhì)十分活潑，所以導(dǎo)致塑性良好的純鈦很難制取。鈦錠必須要在真空中進(jìn)行冶煉，在冶煉的過(guò)程中制造工藝復(fù)雜，從而使得鈦及其合金長(zhǎng)期不能被廣泛地用于工業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)建造。隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)涉及航空航天發(fā)展所運(yùn)用的材料也有了進(jìn)一步的探索和研究，從而推進(jìn)了鈦工業(yè)取得了迅速的發(fā)展，鈦及鈦合金的金屬屬性決定了鈦合金主要的應(yīng)用與發(fā)展。概括起來(lái)，鈦及鈦合金主要有以下的金屬特性：

1）相對(duì)于其他的復(fù)合材料，鈦的金屬特征具有密度小、強(qiáng)度性高等特點(diǎn)。其密度正好在鋁和鐵之間，但是在強(qiáng)度和韌性這一方面，鈦合金遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁和鋼。

2）鈦合金在使用和加工過(guò)程中所面臨的溫度程度較為廣闊，所以在加工和使用過(guò)程中，當(dāng)溫度降低到-200℃多時(shí)，它依舊可以保持原有的塑形，而在高溫加工的狀態(tài)或者是在高溫環(huán)境的使用過(guò)程中，它所承受的高溫可以達(dá)到500℃多，由此可見(jiàn)，在耐熱程度上遠(yuǎn)高于鋁合金和鎂合金。假如，在使用和加工過(guò)程中，能夠避免或者是防止更高溫度環(huán)境下因?yàn)檠趸l(fā)的環(huán)境污染問(wèn)題，那么它將可能會(huì)得到更進(jìn)一步的發(fā)展。

3）鈦及鈦合金還具有優(yōu)良的抗腐蝕性，特別是在海水和海洋大氣環(huán)境中抗腐蝕性極高，從而使得鈦及鈦合金在艦艇船舶和飛機(jī)上的應(yīng)用具有較大的競(jìng)爭(zhēng)力。

4）鈦具有非常高的化學(xué)性質(zhì)，在高溫加工的過(guò)程中非常容易受到氫、氧、氮所引發(fā)的污染問(wèn)題，使得它在冶煉和加工的過(guò)程中受到約束和限制，從而讓生產(chǎn)成本變得相對(duì)較高。

5）相對(duì)于其他的復(fù)合材料，鈦合金的導(dǎo)熱性較差，并且具有相對(duì)較低的抗磨性能。因此導(dǎo)致了在切削加工的工作過(guò)程中，避免不了由于工件及刀具的溫度升高所引發(fā)出現(xiàn)的黏刀的現(xiàn)象。

3、鈦合金鍛件在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

3.1鈦在早期航天事業(yè)發(fā)展的應(yīng)用范圍

應(yīng)用于航空、航天的鈦合金材料叫做銖合金鑄件，其應(yīng)用范圍非常廣泛，在物件接頭，一些柳件、鑄件都有。鈦合金在制作飛機(jī)的過(guò)程中，其主要運(yùn)用在發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件的組成零部件上，其次是在火箭的研發(fā)以及一些武器結(jié)構(gòu)件。進(jìn)入21世紀(jì)中期，鈦及其鈦合金已經(jīng)在一般的工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。

3.2鈦合金在飛機(jī)機(jī)架的革新

鈦合金鍛件、鈦合金板等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，比重和使用溫度介于鋁和鋼之間，但是其比強(qiáng)度高并具有優(yōu)異的抗海水腐蝕性能和超低溫性能。20世紀(jì) 60年代開(kāi)始鈦合金的使用部位從后機(jī)身移向中機(jī)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。隨著國(guó)防力量的不斷建設(shè)，鈦合金在軍用飛機(jī)中的用量迅速增加。在整架飛機(jī)結(jié)構(gòu)總重晝中，鈦合金的重晝就占據(jù)了20%~25%。隨著時(shí)間的推移，為了滿足社會(huì)的需求，民用飛機(jī)也開(kāi)始大晝使用鈦合金，比如在波音747客機(jī)上，鈦用噩的重量達(dá)到了3600于克以上。對(duì)于那些馬赫數(shù)小于2.5的飛機(jī)，鈦的應(yīng)用主要是為了代替鋼的使用晝，從而減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)的重晝。又如美國(guó)SR-72系列的高空高速偵察機(jī)，它的飛行馬赫數(shù)為3.0,飛行的高度更是達(dá)到了26200米，在它的建造過(guò)程中，鈦合金是重要的結(jié)構(gòu)材料，鈦合金更是占到了飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的91%,被稱為“全鈦“飛機(jī)。

3.3鈦合金氣壓機(jī)

當(dāng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比從4~6提高到8~10的時(shí)候，壓氣機(jī)出口的溫度也將隨之相應(yīng)地從200℃~300℃增加到500℃~600℃,那么原來(lái)由鋁來(lái)制造的低壓壓氣機(jī)盤和葉片就必須要改用以鈦合金來(lái)制造或者是用鈦合金替換不銹鋼制造高壓壓氣機(jī)盤和葉片，從而達(dá)到減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的目的。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，鈦合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)部件，如鍛造鈦風(fēng)扇、壓氣機(jī)盤和葉片、鑄鈦壓氣機(jī)機(jī)匣、中介機(jī)匣、軸承殼體等。而航天器主要是利用鈦合金的高比強(qiáng)度、耐腐蝕和耐低溫性能金屬特性，來(lái)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(jī)也都使用鈦合金板材焊接件。

3.4鈦合金旋壓件的應(yīng)用

在航空航天的領(lǐng)域中，將鈦棒、鈦鍛件投入到航天飛行器系統(tǒng)的使用，不僅是因?yàn)殁伜辖鹁哂休^強(qiáng)的組織特性和良好的物理性能，更重要的是具備輕晝及精密化的特征。新型鈦合金旋壓件的質(zhì)量可靠性需要進(jìn)行多次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析。由于鈦合金板材的成形方面極其復(fù)雜，所以使得航天703將TC4作為鈦合金板材的基礎(chǔ)，采取普旋和強(qiáng)力旋壓相結(jié)合的方法制造出新型鈦合金的半圓球體，同時(shí)將TC3和TC4作為鈦合金板材的配料，以熱旋壓作為技術(shù)手段制造出兩種新型鈦合金半球體。

3.5在燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

在航空航天領(lǐng)域中，鈦合金還有一大主要的應(yīng)用領(lǐng)域，那就是在飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的應(yīng)用。目前為止，我國(guó)的現(xiàn)代飛機(jī)所用的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量其中有1/3就是由鈦合金所組成的。但是，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)早在20世紀(jì)40~50年代，一些在工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，比如美國(guó)和英國(guó)，這兩個(gè)國(guó)家在早期生產(chǎn)飛機(jī)的過(guò)程中就應(yīng)用了鈦合金技術(shù)來(lái)改進(jìn)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)部件。最早的鈦合金發(fā)動(dòng)機(jī)部件就是壓縮機(jī)葉片，隨后鈦合金壓縮盤也緊跟著迅速發(fā)展?，F(xiàn)如今，大多數(shù)噴氣式的發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的風(fēng)扇葉片都是新型鈦合金制成的。

3.6高溫鈦合金的應(yīng)用

由于高溫的鈦合金有著較強(qiáng)的熱強(qiáng)性和高比強(qiáng)度的特性，促使了它在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的廣泛應(yīng)用。高溫鈦合金在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上主要運(yùn)用在發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇、葉片、精密的儀表或者是導(dǎo)航儀。運(yùn)用鈦合金來(lái)替代原有的銖基高溫合金，促使壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)重噩降低30%~35%。多年以來(lái)，為了滿足高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，就形成了一套健全的鈦合金體系。

4、航空航天工業(yè)中鈦合金的加工難點(diǎn)

目前，航空航天事業(yè)的不斷發(fā)展，為了達(dá)到減輕飛機(jī)重量這一目的，促使了在航空航天發(fā)展過(guò)程中對(duì)符合其標(biāo)準(zhǔn)的材料需求越來(lái)越嚴(yán)峻，鈦及鈦合金與普通材料對(duì)比之下，鈦合金這種復(fù)合材料重量更輕、強(qiáng)度和韌性更高。但在加工的過(guò)程中，特別是在切削加工過(guò)程中，它們各自面臨老不同的加工難題和困擾。在切削加工的工作過(guò)程中，制造商一定要盡可能達(dá)到最高的質(zhì)量水平。即使存在對(duì)領(lǐng)部構(gòu)件成本的堪憂，但在很多情況下，如何生產(chǎn)出高質(zhì)量的零部構(gòu)件是優(yōu)先考慮的事項(xiàng)，其次才是如何提高生產(chǎn)率。

5、結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)的科學(xué)技術(shù)手段已經(jīng)基本滿足了小型鈦合金的旋壓工藝技術(shù)的要求。但是由于鈦合金是一種新型的金屬，尤其是它本身化學(xué)活性很高，非常容易受到氫、氧、氮的污染影響，從而導(dǎo)致對(duì)其難以冶煉和加工，使得生產(chǎn)成本變得相對(duì)較高。在鈦合金的應(yīng)用過(guò)程中，它還有一些其他的優(yōu)良性能并未得到充分的驗(yàn)證，導(dǎo)致了在它使用的過(guò)程中具有一定的局限性。雖然在航空航天發(fā)展的過(guò)程中面臨著使用高性能復(fù)合材料的挑戰(zhàn)，但是隨著航空航天產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，新型的鈦合金技術(shù)將會(huì)步入一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期，它的旋壓成形技術(shù)將會(huì)在航空航天以及其他的領(lǐng)域中具有更加廣闊的發(fā)展空間和運(yùn)用范圍。

參考文獻(xiàn)

[1]趙樹(shù)萍，呂雙坤鈦合金在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2002,(6)

[2]張立武，寫(xiě)旭，楊延濤鈦合金精密熱成形技術(shù)在航空航天的應(yīng)用進(jìn)展m航空制造技術(shù)，2015,(19)

[3]錢九紅航空航天用新型鈦合全的研究發(fā)展及應(yīng)用[J].稀有金屬，2000,(3)

[4]張成，楊海成，韓冬，等鈦合金旋壓技木在國(guó)內(nèi)航天領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展[J]固體火箭技術(shù)，2013,(1)

[5]葉勇，王金彥鈦合金的應(yīng)用現(xiàn)狀及加工技術(shù)發(fā)展概況[J]材料導(dǎo)報(bào)，2012,(S2)

[6]胥軍TC4-DT鈦合金磨削及其表面性能研究[D]南京航空航天大學(xué)，2014

[7]李亞江，劉坤鈦合金在航空領(lǐng)域的應(yīng)用及其先進(jìn)連接技術(shù)[J]航空制造技木，2015,(16)

相關(guān)鏈接