钛合金在飞行器制造中的应用

1钛合金在飞行器制造中的应用

1791年，英国牧师格累高尔发现了一种新元素。1795年，法国化学家克拉普罗特以日耳曼神话中女神坦的名字为它命名，译成中文就是“钛”。从此，钛便进入了科学家的实验室。钛是一种新金属，由于它具有一系列优异特性，被广泛用于航空、航天、化工、石油、冶金、轻工、电力、海水淡化、舰艇和日常生活器具等工业生产中，它被誉为现代金属。金属钛生产从1948年至今才有半个世纪的历史，它是伴随着航空和航天工业而发展起来的新兴工业。它的发展经受了数次大起大落，这是因为钛与飞机制造业有关的缘故。但总的说来，钛发展的速度是很快的，它超过了任何一种其他有色金属的发展速度。钛第2页,共53页，2024年2月25日，星期天

钛的蕴藏量十分丰富，在地球上钛的储量约占地壳总重的0.61%，在所有元素中占第十位，居于氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢之后，按金属元素计，为第7位；在常用金属中则仅次于铝、铁和镁，占第四位；比铜、镍、铅、锌的总和还多十余倍。但由于它的高温性质特别活泼，很难提纯，因此金属钛直到二十世纪四十年代才生产出来。第二次世界大战后首先在真空炉中成功地用镁还原四氯化钛获得了海绵钛，工业上开始少量应用。冶炼技术一经突破并投入工业生产后，这种新材料迅速受到人们的重视。随着钛材需求量的增加，钛及钛合金的产量一定会有大的增长。钛及钛合金由于具有优良的耐腐蚀性能、较高的强度和比强度以及能耐较高的温度，已作为一种工业材料在飞行器制造行业得到了广泛的应用。第3页,共53页，2024年2月25日，星期天

1、记忆功能钛-镍合金在一定环境温度下具有单向、双向和全方位的记忆效应，被公认是最佳记忆合金。在工程上做管接头用于战斗机的油压系统；石油联合企业的输油管路系统；直径0.5mm丝做成的直径500mm抛物网状天线用于宇航飞行器上；在医学工程上用于制作鼾症治疗；制成螺钉用于骨折愈合等。上述应用均获得了明显效果。

2、超导功能铌-钛合金在温度低于临界温度时，呈现出零电阻的超导功能。

3、贮氢功能钛-铁合金具有吸氢的特性，把大量的氢安全的贮存起来，在一定的环境中又把氢释放出来。这在氢气分离、氢气净化、氢气贮存及运输、制造以氢为能源的热泵和蓄电池等方面应用很有前途。

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1密度小,比强度高金属钛的密度为4.51g/cm3,高于铝而低于钢、铜、镍，但比强度高于铝合金和高强合金钢。

2弹性模量低钛的弹性模量在常温时为106.4GPa,为钢的57%。

3导热系数小金属钛的导热系数小，是低碳钢的五分之一，铜的二十五分之一。

4抗拉强度与其屈服强度接近钛的这一性能说明了其屈强比（屈服强度/抗拉强度）高，表示了金属钛材料在成形时塑性变形差。由于钛的屈服极限与弹性模量的比值大，使钛成型时的回弹能力大。第5页,共53页，2024年2月25日，星期天

5无磁性、无毒钛是无磁性金属，在很大的磁场中也不会被磁化，无毒且与人体组织及血液有好的相溶性，所以被医疗界采用。

6抗阻尼性能强金属钛受到机械振动、电振动后，与钢、铜金属相比，其自身振动衰减时间最长。利用钛的这一性能可作音叉、医学上的超声粉碎机振动元件和高级音响扬声器的振动薄膜等。

7耐热性能好新型钛合金可在600℃或更高的温度下长期使用。

8耐低温性能好钛合金TA7（Ti-5Al-2.5Sn）,TC4(Ti-6Al-4V)和Ti-2.5Zr-1.5Mo等为代表的低温钛合金,其强度随温度的降低而提高,但塑性变化却不大。在-196~-253℃低温下保持较好的延性及韧性,避免了金属冷脆性,是低温容器,贮箱等设备的理想材料。

9吸气性能钛是一种化学性质非常活泼的金属,在高温下可与许多元素和化合物发生反应。钛吸气主要指高温下与碳、氢、氮、氧发生反应。第6页,共53页，2024年2月25日，星期天

10耐腐蚀性能

钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向大。但实际上钛在许多介质中很稳定，如钛在氧化性、中性和弱还原性等介质中是耐腐蚀的。这是因为钛和氧有很大的亲和力，在空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密的、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀。即使由于机械磨损也会很快自愈或重新再生。这表明了钛是具有强烈钝化倾向的金属。介质温度在315℃以下钛的氧化膜始终保持这一特性。

为了提高钛的耐蚀性，研究出氧化、电镀、等离子喷涂、离子氮化、离子注入和激光处理等表面处理技术，对钛的氧化膜起到了增强保护性作用，获得了所希望的耐腐蚀效果。针对在硫酸、盐酸、甲胺溶液、高温湿氯气和高温氯化物等生产中对金属材料的需要，开发出钛-钼、钛-钯、钛-钼-镍等一系列耐蚀钛合金。钛铸件使用了钛-32钼合金，对常发生缝隙腐蚀或点蚀的环境使用了钛-0.3钼-0.8镍合金或钛设备的局部使用了钛-0.2钯合金,均获得了很好的使用效果。第7页,共53页，2024年2月25日，星期天1.在飞机上的应用

钛合金是现代飞机承力结构中最有应用前景的材料。同铝合金及钢相比，它具有更高的比强度。同时，其耐腐蚀性、疲劳抗力均很高。在高温下不可能采用铝合金时，钛合金却能有效地工作。考虑到飞机结构承力部件（壁板、缘条、隔框、梁、接头及起落架等）的特点，制造时要用到厚板、模锻件（锻件）、铸件，以及挤压型材、轧制型材和薄板等半成品。设计此类疲劳危险的结构部件，要求选用高比强度,最大断裂韧性和最小裂纹扩展速率的材料。钛合金可满足要求，方法是对不同半成品采用不同的变形加工和热处理，形成必需的冶金组织；针对钛合金的所有特点，研究制订出钛合金零部件的加工工艺。4.1钛合金在飞行器结构上的应用第8页,共53页，2024年2月25日，星期天

结构的重量效率是主要的质量指标之一。改进半成品及决定结构件采用何种连接，对提高结构重量总效率起着十分重要的作用。这不仅取决于设计任务书，还取决于结构材料的工艺性能。对两块壁板的等寿命对接结构分析得知，焊接接头具有最高的重量效益，且电子束焊接优于其它焊接，因此选择钛合金制造飞机结构的主要要求之一是合金本身要有良好的可焊性。而钛合金Ti-6Al-4V就具有良好的可焊性。第9页,共53页，2024年2月25日，星期天

从技术和质量上考虑，飞行器制造工业都是金属钛的最大用户，从板、管材到铸件、锻件，消耗钛加工材达60%以上。在1980年前，民用机与军用机都想在机体上采用钛制部件，但因成本问题而受到限制。然而燃料费在美国各主要航空公司的经营成本中所占的比例自1970年以来一直在上升（1970年占12%，1980年占28%，1990年占31%），从而推动了具有高比强度的钛部件在飞机上的广泛应用。因使用钛部件而使初期投资增加的部分，可因节省航运费和维修费而完全抵消。加上定期客机效率的改善，使得波音公司投资数十亿美元，开发了节能效率好的757型和767型客机。第10页,共53页，2024年2月25日，星期天

随着燃料成本的连续上升，可以预计到新的民用客机中钛的用量将增加。当前正在为改善结构效率，降低部件成本而积极地开发有力的新合金和新的加工方法。这样一来预计钛合金的用量将进一步增加。对飞机制造厂来说，把燃料消耗降低到最小限度，对提高民用机的经济性，提高战斗机的留空时间具有重要的作用。从机体断面的形状、新机翼技术、恰当地选择发动机等基本设计方面，应尽可能以提高燃料效率为目标。因为重量是节省燃料的主要因素，飞机制造厂家必须尽全力谋求轻量化。使用改良铝、复合材料，再和钛复合使用，具有可靠性的轻量化就成为可能了。第11页,共53页，2024年2月25日，星期天

据估计，歼击机铝合金原材料成本约占飞机总成本的1%。如果歼击机完全用钛合金制造，则原材料成本占总成本的3.5%。如果钛成本降低一半，则歼击机总成本总共也只能减少1%。因而，飞机的成本主要不取决于原材料成本，而是取决于生产费用。根据这一分析，可以认为在飞机制造中应用钛不存在成本障碍，或即使存在也影响很小，因而可以预计钛将来在飞机制造中会得到比现在更为广泛的应用。2.在宇宙飞船和航天飞机上的应用（略）3.在宇宙火箭上应用（略）第12页,共53页，2024年2月25日，星期天第13页,共53页，2024年2月25日，星期天第14页,共53页，2024年2月25日，星期天第15页,共53页，2024年2月25日，星期天第16页,共53页，2024年2月25日，星期天第17页,共53页，2024年2月25日，星期天

4.2航空用钛合金的分类与一般性能1.钛及合金的分类牌号名义成分合金类型工作温度（C）TA7Ti-5A-2.5Snα500TC1Ti-2Al-1.5Mn近α350TC3Ti-5Al-4Vα+ß400TC4Ti-6Al-4Vα+ß400TC6Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Siα+ß450TC11Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si

α+ß500TB2Ti-5Mo-5V-8Cr-3Alß300Ti-22Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Alß30047121Ti-7Mo-10V-2Fe-1Zr-4Alß300ZTC4Ti-6Al-4Vα+ß350ZT3Ti-5Al-5Mo-2Sn-0.3Si-0.02Ceα+ß500按照合金在平衡和亚稳定状态的相组成，钛合金可分为α、近α、α+ß、近ß、ß等五类；但习惯上将钛合金分为α、α+ß和ß三大类。若按照使用性能特点，则可分为结构钛合金、耐热（热强）钛合金和耐蚀钛合金和功能钛合金等类。我国钛合金国标牌号中，TA系列代表α型钛合金；TB系列代表ß型钛合金；TC系列代表α+ß型钛合金。第18页,共53页，2024年2月25日，星期天钛有两种同素异构晶型。低于882.5℃为低温α晶型，呈密排六方晶格；在882.5℃到熔点（1668℃±10℃）为稳定的高温β晶型，呈体心立方晶格。钛可以与多种元素形成合金，合金元素的加入对钛的物理和机械性能产生很大的影响，并引起多晶型转变温度的变化。加入钛中的各元素的总量影响着相变温度的变化程度。合金元素使钛的晶体结构畸变并引起强化；相变行为的能力随元素的不同的而不同。钛与间隙元素（即处于钛晶格内间隙位置）氧、氮、碳以及金属元素铝、锡等构成的合金具有稳定的α相类型，称为α稳定元素，能够提高纯钛的相变温度。钛与过渡元素如钒、铌、钽、钼及锰、镁、铁、铬等构成的合金则具有β相或α+β相类型，称为β稳定元素，它们不同程度地降低纯钛的相变温度。第19页,共53页，2024年2月25日，星期天α型钛合金主要以α稳定元素为合金元素，在室温下具有α单相组织，不能通过热处理使之强化，通常只进行退火处理；组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在500℃～600℃的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，室温强度不高。β型钛合金中则含有相当数量的β稳定元素，它们当中有的能无限地溶于β钛中（如钼、铌、钒、钽等），有的则只是有限地固溶于β钛中（如铬、铁、锰等）。工业用β合金均系在β相区内加热后淬火，将β相保持下来，在室温时得到稳定的β单相组织。经固溶处理（淬火）后再进行时效而使合金强化；未热处理即具有较高的强度，淬火、时效后合金得到进一步强化，室温强度可达1372～1666MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。第20页,共53页，2024年2月25日，星期天α+β合金退火后由α相加β相组成，也能够通过固溶加时效强化，但强化效果不如β型钛合金。双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50％～100％；高温强度高，可在400℃～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金。第21页,共53页，2024年2月25日，星期天航空航天用钛合金主要有α型钛合金、钛铝化合物为基的高温钛合金和铸造钛合金等。非航空航天用钛合金方面则主要应用于化工装置、有色冶金、发电站冷凝器、海水淡化设备和汽车零件、人工关节等领域。

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4.2航空用钛合金的分类与一般性能2.工业纯钛的主要物理性能第23页,共53页，2024年2月25日，星期天3.钛的耐腐蚀性

如上所述，由于氧对钛的亲和力很高，在钛表面常有一层薄而坚固的氧化膜。这层氧化膜的存在使得钛在许多强腐蚀介质中呈钝化状态，因而钛具有十分突出的耐腐蚀性能。工业纯钛在中性和碱性溶液、氧化性酸中均有高的耐腐蚀性。此外在海水中钛不受腐蚀，甚至有名的王水（一份硝酸加三份盐酸）在常温下对钛的作用也很小。氢氟酸、盐酸、磷酸、硫酸以及为数不多的几种热、浓有机酸：草酸、甲酸、三氯（代）乙酸、三氟（代）乙酸、氯化铝及卤素元素与钛发生作用，主要是由于它们侵蚀和破坏了钛的保护层。加入氧化剂或离子时此种腐蚀情况可得到改善。第24页,共53页，2024年2月25日，星期天4.钛的力学性能(1)室温性能纯钛具有一定的强度，钛合金则具有较高的强度。工业纯钛 =265~617MPa 45钢：900MPa，抗拉

650MPa屈服钛合金 =686~1176MPa 高强钛合金 ≥1176MPa

由于钛的比重仅为钢的60%，所以钛具有较高的比强度。第25页,共53页，2024年2月25日，星期天第26页,共53页，2024年2月25日，星期天第27页,共53页，2024年2月25日，星期天(2)高温性能大多数钛合金在500℃时仍具有一定的机械性能，但一般只在450℃左右使用。

钛合金高温性能的改善主要是靠寻找理想的合金系统以及改进工艺来达到的。如调整合金元素，提高材料的蠕变强度、热稳定性以及抗盐应力腐蚀的能力，改进热处理制度，注意合理的操作，防止可能的气体和其它物质的污染等均能达到上述目的。但要研制出一种性能优良、工艺简单、成本低廉的材料也却非易事。因为往往由于注意了一方面的要求（如高强度），却很可能在另一种性能（如蠕变性能）方面受到影响。所以，尽管各国都在大力研究，但能长期经受生产、使用实践的考验，具有优异的综合性能的钛合金为数并不很多。第28页,共53页，2024年2月25日，星期天第29页,共53页，2024年2月25日，星期天(3)低温性能某些压力容器（航天装置上的液氧、氢及氟贮箱）工作温度分别为-183℃、-253℃、-269℃及-212℃，要求材料在极低温度下仍具有较好的物理和机械性能。工业纯钛可以在-196℃的环境里应用，而Ti-5Al-2.5Sn(TA7)以及Ti-5Al-4V(TC3)使用温度可达-253℃，AT2系合金（以Ti-Zr为基体，用铌、钒或钼构成的三元合金）低温性能很好。第30页,共53页，2024年2月25日，星期天第31页,共53页，2024年2月25日，星期天5.钛的工艺性能(1)切削加工性

钛合金零件的机械加工比铝合金、结构钢困难得多。原因在于钛合金的特性，屈服极限与强度极限之比很高为0.85~0.95（钢0.65~0.75）；导热性较差；钛易粘附于刀具；高温下与气体的化学活性很强；合金元素的偏析使切削层性能不一等。

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屈服极限与强度极限之比很高，使钛合金冷作硬化增高，即冷作硬化层增大，从而降低合金塑性，使刀具磨损加剧。基于这个因素，再加上导热性差，致使切削区温度升高，因而使合金的有害气体含量增加（特别是对于薄截面）。金属气体含量过高，切屑便无法塑性变形，而且收缩率变为负值。刀具前刀刃面与切屑的摩擦而迅速磨损，后刀刃面与加工表面也迅速磨损。金属基体，特别是零件表层的性能不一，促使刀具磨损。同时，即使在连续加工时也造成断续切削。第33页,共53页，2024年2月25日，星期天

切屑与刀前表面的接触面积比钢小50~66%，而刀尖上的接触压力却增大同样的幅度，因而局部温度很高，足以引起氧化和形成薄的坚硬层，使切削加工困难。合金的导热性低，使刀刃难以导热和冷却。此外，刀刃前面不形成积屑，而加工钢时有积屑，它有利于导热。

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钛合金表面有一层α硬壳，加工性很差。由于硬壳的硬度和厚度不均匀，对切削加工性影响也不相同。钛合金切削加工与钢的主要区别是增加进给量和切削深度时降低切削速度。切削速度应比钢降低2～3倍，以保证刀具的必要寿命。因此，生产率要降低。第35页,共53页，2024年2月25日，星期天第36页,共53页，2024年2月25日，星期天

加工钛合金比加工钢一般要求更高的切削力，因此必须采用高刚性机床。切削力大而弹性模量低，会加大毛坯的弹性变形，很难制成尺寸精确的加工件。因此，零件的固定和加工必须使刀具相对于零件支点的扭矩和弯矩为最小。第37页,共53页，2024年2月25日，星期天

钛合金的铣削采用中等进给量，铣削速度为14~18m/min。锯切时，采用有波纹形锯齿的锯条，齿距5~6mm。钛的磨削则有些困难，为防止金属温度升高及磨削工具与金属发生相互作用，磨削时严禁采用高速度。因此选择成分适宜的冷却液和把冷却液送至加工区的压力起着重要作用。金属钛的细屑被滑油油污后易自燃，钛的粉尘有爆炸危险。在熄灭正在燃烧的钛时，不能使用普通灭火剂（水、泡沫灭火剂和二氧化碳），必须使用镁火焰用的干砂、白云石灰以及适宜的灭火器。第38页,共53页，2024年2月25日，星期天

(2)成形性能钛板的成形性能与其内部组织、力学性能以及变形条件有关。五十年代开始，在飞机结构上采用了钛板零件。由于钛屈服强度高，弹性模量低，因而回弹极大。这样，在钛板零件生产过程中便遇到了大量的成形问题。比如将一块厚度为1mm的退火TC4平板压入半径为100mm的弧形模中，取出时仍为平板。就其弹性大小而论，它超过了弹簧钢板。热压机床问世之前，美国北美航空公司曾组织了70多人的手工校形工段，专门解决零件的成形精度问题。第39页,共53页，2024年2月25日，星期天

国内在开始生产钛零件时，碰到的问题也很多。原因是对铝板零件熟悉的钣金工和技术人员，对钛板成形却很不适应。首先下料切边工序就因剪刀刀刃磨损太快而成为难题；校形时锤头极易镦粗，敲修过程中锤头弹回很高，零件、模具上锤击印痕累累仍未能使零件贴模就范。难怪国内都把钛称为难成形材料，有人则称它是热成形材料，这是对钛板成形性能笼统的和偏于感性的评价。但这不应妨碍人们对其进行具体分析，掌握其特性，以便作出恰当的处理。第40页,共53页，2024年2月25日，星期天钛的主要成形性能可以归纳如下：钛板强度较高，要求成形机床的吨位较大，单位成形力高。在常温下钛的抗拉强度与屈服强度十分接近，因而决定了材料的塑性变形范围窄，成形过程中变形稍大就有可能产生破坏。这对拉弯和拉形等要求控制应力的成形工艺很不利。钛及其合金的弹性模量E小，仅为钢材的一半左右，因而反映冲压回弹大小的/E的比值比钢大得多；均匀延伸率δ值或稳定性指数n值较低，所以拉伸发生失稳前的应变较小。同时断面收缩率亦较低，而且波动范围大。因此容易发生破坏而出现废品，或只能作变形程度较小的零件。第41页,共53页，2024年2月25日，星期天钛板的弯曲能力差，只有普通材料的五分之一左右。凡有弯曲变形的工序（如闸压和橡皮成形），工件的弯曲半径都应加大。受压时的稳定性较低，仅为一般材料的一半左右，易失稳起皱。再加上弯曲性能不好，在起皱部件波纹部常可见到弯裂（即所谓“皱裂”），这也是钛板成形中的一大问题。硬度比钢约高出一倍，加上强度高，因此用于成形钛材的模具材料应当有较高的强度和硬度。钛的抗磨损能力比不锈钢还低，极易损伤零件和模具。由于存在较高的残余应力，在冲压件上产生裂纹，冲压之后，零件产生翘曲。为了消除应力，零件于冲压后应进行退火处理。冷变形后发生急剧硬化，因而需要增加中间退火次数。对于缺口、缺陷以及变形速度敏感性大，给冲压成形带来不利影响。第42页,共53页，2024年2月25日，星期天

为了克服钛合金在室温下成形的困难，改善钛及钛合金的冲压性能，往往不得不采用加热成形方法。随着钛板应用的扩大，热成形与热校形技术也得到发展。此外，某些具有超塑性特性的钛板，还可以利用超塑性原理进行加工。综合钛的各种有关特性，可以简要地归纳成以下几点：比重小，强度大，比强度高；能耐多种介质的腐蚀，特别是对海水的抗蚀性能突出；在高温下化学性能活泼，易受污染；屈强比高，塑性变形区小，常温下加工困难；弹性模量低，回弹大；延性较低；对切口、划伤以及其它表面缺陷敏感，易产生裂纹、擦伤，容易粘接；热传导率小；细小粒子容易着火。第43页,共53页，2024年2月25日，星期天第6章钛合金钣金零件的成形

在飞机各种结构件中，钣金件占65~70%，其中钛合金的应用越来越多。用板材成形制作的零件有各种蒙皮、包括整流包皮和整流罩在内的复杂形状零件、带孔或下陷的直线和曲线型板制零件、带翻边及波纹槽的平面零件等。零件的可成形性在很大的程度上取决于合金的工艺性。所谓工艺性是指合金材料及由这种合金制作的结构的综合性能，它能采用最完善的工艺，在材料消耗最少、时间最短的条件下保证较高的质量。第44页,共53页，2024年2月25日，星期天

6.0钛板的基本力学试验数据第45页,共53页，2024年2月25日，星期天

钛合金的比值脆性

钛合金的E/回弹量大，手工修整极其困难

n值大材料均匀变形的能力强

值大表明在同样受力条件下，板料厚度方向上的变形能力低，减少起皱，有利于拉延进行和产品质量提高。第46页,共53页，2024年2月25日，星期天

6.1钛板的成形特性

要制作一个形状复杂的优质钣金件，需要涉及板材许多方面的性质。从一块平板变成复杂形状的零件，反映出材料的变形性（塑性变形的可能与程度）、稳定性（变形过程是否起皱或颈缩）、抗磨损性（板料与模具接触磨擦损伤的程度）、回弹（工件从模具中取出后的精度或贴模程度）等诸多特性。现简述如下：第47页,共53页，2024年2月25日，星期天1.变形性

常用的变形性指标是单向拉伸时的相对延伸率δ和拉断时的断面收缩率ψ。δ指的是在一定长度上的相对变形。拉伸断裂时包括整个长度上的均匀变形和局部细颈区的集中变形，把延伸率细分为出现细颈前的均匀延伸率和细颈区的局部延伸率，对使用来说更方便。前者与试样长度无关，后者则代表局部达到破裂时的变形程度。