航空材料為什么非得要用鈦合金？

twq19810302

. V8 V$ @& t# G8 N鈦與航空有著不解之緣。1953年，在美國道格拉斯公司生產(chǎn)的DC-T機發(fā)動機吊艙和防火壁上首次使用鈦材，從而揭開了鈦航空應(yīng)用的歷史。從那時以來，鈦在航空上已應(yīng)用了半個多世紀。鈦能在航空上廣泛應(yīng)用是由于它有適于飛機應(yīng)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。

  t/ k) W) R/ N" C. t+ P7 o一、鈦的簡介
$ G, d4 M& A% c- a) M4 S3 T2 k; Q" M
1948年美國杜邦公司才用鎂法成噸生產(chǎn)海綿鈦——這標志著海綿鈦即鈦工業(yè)化生產(chǎn)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(lǐng)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。

* I/ w6 u6 n& \! e# [二、鈦的特性
" \+ x: O& x& `9 \
% d- u: G/ p# ]( ^1 l4 b! M& X% [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。

3 E- w) F9 O( e5 D" C, S抗蝕性好：耐酸、耐堿、耐大氣腐蝕，對點蝕、應(yīng)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。

; i: O  [& g$ W0 [7 ?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(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)，生成硬化層。
, C( A; e3 M$ s' K# p1 o$ U1 g) e
8 |* {* V; b$ h# r1 S" C導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量�。簩�(dǎo)熱系數(shù)約為鎳的1/4，鐵的1/5，鋁的1/14，而各種鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)比鈦的導(dǎo)熱系數(shù)約下降50％。鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2。
- n: X9 @% D: b/ l% j( f9 T/ G: n; i
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。

/ r5 [9 H$ x. {0 g* ]盡管鈦及其合金應(yīng)用的歷史不長，但由于它那超眾的性能，已經(jīng)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(chǎn)的鈦及鈦合金，大約有四分之三都用于航空航天工業(yè)。許多原來用鋁合金的部件，都改用了鈦合金。

% H  t; _& Z$ p: I" }4 d) y四、鈦合金的航空應(yīng)用

鈦合金主要用于飛機及發(fā)動機的制造材料，如鍛造鈦風扇、壓氣機盤和葉片、發(fā)動機罩、排氣裝置等零件以及飛機的大梁隔框等結(jié)構(gòu)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(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也都使用鈦合金板材焊接件。

6 e# Z' a! A& Z6 l

1950年美國首次在F-84戰(zhàn)斗轟炸機上用作后機身隔熱板、導(dǎo)風罩、機尾罩等非承力構(gòu)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(jié)構(gòu)鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構(gòu)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(shù)的發(fā)展，在火箭、人造衛(wèi)星和宇宙飛船上，也用了大量的鈦合金。
, G  P0 V( r3 \( }& ~# g+ X
飛機越先進，使用的鈦越多。美國F—14A戰(zhàn)斗機使用的鈦合金，約占機重的25%；F—15A戰(zhàn)斗機為25.8%；美國第四代戰(zhàn)斗機用鈦量為41%，其F119發(fā)動機用鈦量為39%，是目前用鈦量最高的飛機。
' ?2 k& X2 A! y8 _# R6 L# c

五、鈦合金在航空中被大量應(yīng)用的原因
& f% ~* V4 b, `# i9 {2 M7 Y
現(xiàn)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(chǎn)生大量的熱。當飛行速度達到音速的2.2倍時，鋁合金就經(jīng)受不住了。必須采用耐高溫的鈦合金。

+ U9 U# G, Y: w+ z3 m當航空發(fā)動機的推重比從4～6提高到8～10，壓氣機出口溫度相應(yīng)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。
% y* g% Q8 I3 ^$ S2 G
5 X; F5 `! q! U# I# m9 m5 r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℃。

- {4 k* T& g0 I& H, N5 G8 W' [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(jié)構(gòu)重量。飛機每減輕重10%，可節(jié)省燃料4%。對火箭來說，每減輕1kg的重量，就可增加15km的射程。
# z) v4 x0 l  [# l

  `/ d. k/ z3 G3 ?- q

六、鈦合金機加工特性分析
' J8 l& h: M; s- I
3 W1 c4 v. y- k, o& e! `首先，鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低，僅是鋼的1/4，鋁的1/13，銅的1/25。因切削區(qū)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(qū)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。
5 O. {+ v3 z$ P7 O4 o5 e5 [$ @
) u1 d1 G% `) ~+ `% l其次，鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)低，使切削熱積于切削刀附近的小面積區(qū)域內(nèi)不易散發(fā)，前刀面摩擦力加大，不易排屑，切削熱不易散發(fā)，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(yīng)，形成溶敷、擴散，造成粘刀、燒刀、斷刀等現(xiàn)象。

尹志春

鈦螺絲斷了，掉了N架飛機，可查空難事件，
7 n% [# l9 D) b. O' i3 B不要老以為鈦強度高，跟合金鐵鋼比，差幾個檔次理解，我做模具沖壓不鈦，但鈦做的模具沖不了模具鋼，他兩強度，硬度，差幾個等 級，
9 M3 }, L6 h+ w' r只能說用鈦綜合成本低而已
( t9 H* f7 G( D

加肥貓devil

尹志春 發(fā)表于 2023-11-8 11:03
* v+ C; A/ G0 |& D; f鈦螺絲斷了，掉了N架飛機，可查空難事件，
不要老以為鈦強度高，跟合金鐵鋼比，差幾個檔次理解，我做模具 ...

這一點很對啊，好多人都覺得鈦合金比鋼牛逼，都是走入誤區(qū)了，實際上比鋼的強度差遠了，鈦合金是比較輕的材料里強度比較大的所以綜合性能比較好罷了，之前還有人說鈦合金刀比鋼刀好，也不知道是怎么想的。

電氣學徒2

講的很細致，謝謝分享。