航空用钛合金的发展概况.docx

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航空用钛合金的发展概况

航空用钛合金的发展概况

航空用钛合金的发展概况

　　GeneralDevelopmentSituationofTitaniumAlloysforAviation

　□北京航空材料研究院　曹春晓

　　摘要：

航空用钛合金近期工程化发展中呈现出一些技术创新的"亮点"，其中工艺创新的亮点比成分创新的亮点更多一些。

这些亮点包括阻燃钛合金、钛基复合材料、纤维/钛层板、超塑性钛合金、特大整体结构件锻造工艺、金属型精铸工艺、大型整体结构件精铸工艺、激光成形工艺、摩擦焊工艺和β热处理工艺等。

　　关键词：

钛合金　飞机　发动机　热处理工艺

　　２０世纪５０年代，军用飞机进入了超声速时代，航空发动机相应地进入喷气发动机时代，原有的铝、钢结构已不能满足新的需求。

钛合金恰恰在这个时候进入了工业性发展阶段，由于它具有比强度高、使用温度范围宽（－２６９～６００℃）、抗蚀性好和其他一些可利用的特性，因此很快被选用于飞机及航空发动机。

５０年来的世界钛市场中最大的用户始终属于航空。

当前，航空仍然占５０％左右市场份额。

　　受２００２年"９．１１"事件影响，美国２００３年钛工业产品发货量降至１５６２５ｔ（２００２年为１６０７１ｔ），日本２００３年钛加工材发货量则降至１３８３８ｔ（２００２年为１４４８１ｔ），而中国从２０００～２００４年的钛加工材销售量却一直以很高的速度增长（见表１）。

　　１９９３年以后，几乎看不到新推出的工业性钛合金，而钛合金工艺方面的创新却屡见不鲜。

这既与冷战时代的结束有关，也与工艺创新往往起到事半功倍之效有关。

　　一、钛合金在飞机及航空发动机上的用量不断扩大

　　1.飞机机体的钛用量

　　表２中列出的F/A－１８E/F、F/Ａ－２２、Ｆ－３５三大战斗/攻击机和Ｂ－２轰炸机是美国在２０１５年前保持空中优势的４块"王牌"。

由表２可知，总的发展趋势是钛在飞机机体上的用量不断扩大。

F/A－１８在不断改型的过程中其钛用量也不断增多。

　　民用飞机的钛用量也在不断扩大（图１和表３）。

　　我国战斗机的钛用量也在不断扩大：

２０世纪８０年代开始服役的歼八系列的钛用量为２％，两种新一代战斗机的钛用量分别为４％和１５％，更新一代的高性能新型战斗机的钛用量将达２５％～３０％。

　　2.航空发动机的钛用量

　　从表４和图２可知，国外先进发动机上的钛用量通常保持在２０％～３５％的水平。

　　我国早期生产的涡喷发动机均不用钛，１９７８年开始研制并于１９８８年初设计定型的涡喷１３发动机的钛用量达到１３％。

２００２年设计定型的昆仑涡喷发动机是我国第一个拥有完全自主知识产权的航空发动机，钛用量提高至１５％。

即将设计定型的我国第一台拥有自主知识产权的涡扇发动机又进一步把钛用量提高到２５％的水平。

　　二、航空用钛合金近期工程化发展中的一些"亮点"

ＡＲＥ（玻璃纤维铝合金层板）、第三代ＣＡＲＥ（碳纤维铝合金层板）到第四代ＴｉＧｒ（石墨纤维钛合金层板）的发展过程。

　　一航材料院研制的ＡＲＡＬＬ已用于我国歼八Ⅱ的方向舵上，解决了原铝合金方向舵铆钉孔处裂纹扩展的问题。

ＧＬＡＲＥ已大面积地用于Ａ３８０机身壁板和尾翼上，而ＴｉＧｒ则用于制造Ｂ７Ｅ７的机翼和机身蒙皮。

ＴｉＧｒ还可用于蜂窝夹层的面板。

实践表明，自动铺放的ＴｉＧｒ层板的性能优于手工铺叠的ＴｉＧｒ层板。

ＣＡＲＥ因很难解决碳纤维与铝合金之间的接触腐蚀问题，迄今无商业化产品。

而ＴｉＧｒ既无电化学腐蚀问题，又可进一步提高综合性能（特别是比强度和高温性能）。

　　4.超塑性钛合金独树一帜

　　超塑性成形、等温锻造、近等温锻造等先进工艺技术所具有的优越性促进了自身的发展。

然而，锻造成形温度过高带来的模具制造、加热费用昂贵问题，影响了产品成本的进一步降低和工艺技术进一步的扩大应用。

据此，日本推出了ＳＰ７００（Ｔｉ－４．５Ａｌ－３Ｖ－２Ｆｅ－１Ｍｏ）合金。

这是第一个以ＳＰ（超塑的英文缩写）为牌号的钛合金。

与Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ相比，其等温锻造或超塑成形的温度降低了１２０℃（即从９００℃降至７８０℃），最佳超塑条件下的延伸率提高一倍（即从１０００％增至２０００％）。

ＳＰ７００还具有优于Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ的综合力学性能、热处理淬透性和冷加工性。

ＳＰ７００呈现上述优越特性的重要原因之一是在同样工艺条件下ＳＰ７００能获得更细于Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ的晶粒尺寸（分别为２μｍ和５μｍ）。

正缘于此，ＳＰ７００当前已作为一种新型工程合金用于制造高尔夫球头等体育用品和活动扳手等工具，而且已引起各国航空界的密切关注，正在考虑应用于飞机及发动机零件的可能性。

　　5.特大整体结构件锻造工艺余音绕梁

　　为了提高结构效率、减轻结构重量、缩短生产周期和降低生产成本，结构整体化是先进飞机的重要发展方向。

F/A－２２的机身隔框就采用了整体结构，这就需要提供前所未有的特大规格的钛合金模锻件，从而显著增加了充填成型和组织控制方面的困难。

F/A－２２的中机身有４个很大的Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ整体式隔框，其中最大的"５８３"隔框锻件重２７７０ｋｇ，投影面积５．５３ｍ２，是迄今为止最大的航空用钛合金锻件。

F/A－２２后机身的一个发动机舱的隔框也很大。

魏曼戈登公司在４５０００ｔ水压机上生产了该隔框模锻件，锻件长３．８ｍ，宽１．７ｍ，投影面积５．２ｍ２，重１５９０ｋｇ。

按通常的Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金的模锻变形抗力来计算，这么大投影面积的锻件是不可能模锻出来的。

已知的情况表明，该公司采用以下三大关键技术确保特大钛合金锻件的形状尺寸和组织性能：

一是采用优良的润滑剂以降低变形抗力；二是采用计算机有限元方法模拟模锻时金属流变、充填情况以确定可保证最终形状尺寸的工艺（包括模具和预制坯的设计方案）；三是搞好全过程（从开坯至最终模锻）的工艺设计以确保最终锻件的组织性能。

虽然我们可以从中粗略地感觉到这首"协奏曲"的美妙之处，但仍不能完全理解在４５０００ｔ水压机上能模锻出如此大规格锻件的理由，还得细细品味其绕梁的余音以探究存在其他"奥妙之处"的可能性。

　　6.金属型精铸工艺重开天日

　　很早以前，人们就否定了金属型（长久性铸型）用于钛合金铸造的可能性。

然而，美国普·惠公司近期的实践表明，金属型不仅适用于钛合金铸造，而且与陶瓷型（熔模）相比，可以降低４０％成本，减少污染，获得拉伸强度、疲劳强度更好的钛合金精铸件，甚至可以和钛合金锻件的性能相媲美。

普·惠公司已应用金属型精铸技术制造了Ｆ１１９发动机的第４、５级高压压气机阻燃钛合金导流叶片。

该公司还打算探索金属型精铸工艺用于制造转子叶片（含风扇叶片）的可能性。

　　7.大型整体结构件精铸工艺方兴未艾

　　航空用钛合金领域近期工程化发展中最耀眼的"亮点"当属大型整体结构件熔模精铸工艺。

美国和我国一些先进发动机都用该工艺制造了整体机匣。

更引人注目的是，由Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金制造的F/A－２２垂尾方向舵作动筒支座等６个大型整体结构件和Ｖ－２２倾转旋翼飞机的转接座都采用了该新型精铸工艺。

以Ｖ－２２转接座为例，原来由４３个零件和５３６个紧固件装配而成。

改为整体精铸件后则由３个零件和３２个紧固件装配而成，既显著缩短了生产周期（加工和安装时间减少６２％）和减轻了结构重量，又降低成本３０％。

F/Ａ－２２上最大的两个整体精铸件是机翼与机身侧边连接的两个Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ接头（加工后成品重量分别为８７ｋｇ和５８ｋｇ）。

如此关键的零件都敢选用铸件主要靠关键技术及其显著的效果。

三大关键技术：

一是高水平和准确的计算机模拟技术，二是热等静压技术（包括大型装备），三是新型的β热处理技术。

显著的效果是往往能一次成功地研制出形状尺寸、组织性能、冶金质量均获得精确控制的大型复杂精铸件，其许用应力和安全可靠性可等同于锻件。

　　8.激光成形工艺前程似锦

　　这是一种由高功率激光镀覆技术与快速原型技术结合而成的金属粉末熔化和直接沉积的新工艺，是美国两所大学与两家公司联合研究成功的。

激光成形（Ｌａｓｆｏｒｍ）工艺的主要特点是：

不需要模具、工夹具等硬件而在软件驱动下进行柔性加工；生产周期短，可对各种新设计或改变设计的产品作出快速反应；成本低；近净成形；特别适用于大型复杂薄壁整体结构件的制造；力学性能达到或超过锻件水平；可裁缝式地制成"变成分"的材料或零件。

Ｆ／Ａ－１８E/F已选定４个Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ大型构件应用此工艺。

美国国防后勤局最近与ＡｅｒｏＭｅｔ公司签订了１９００万美元的协议，用激光成形法为军用飞机与发动机制造钛合金结构件的试生产件。

[B]我国西工大、北航等单位也在积极开展激光成形工艺的研究工作。

例如西工大最近研制了我国某新型战斗机用的ＴＣ４钛合金典型构件，其室温拉伸性能达到或超过锻件水平[/B]。

9.摩擦焊工艺梅开三度

　　美国在ＣＦＭ５６等航空发动机中通常采用钛合金盘与盘之间的惯性摩擦焊。

普·惠公司已成功地采用线性摩擦焊工艺将转子叶片与盘连接成整体叶盘（Ｂｌｉｓｋ），并实际应用于Ｆ１１９发动机多级钛合金风扇和压气机转子。

未来摩擦焊将会应用到今后发展的整体叶环（Ｂｌｉｎｇ）中。

近期发展的搅拌摩擦焊又为摩擦焊工艺在飞机零件中的广泛应用开辟了道路。

北京航空制造工程研究所已购买了英国焊接研究所有关搅拌摩擦焊的专利，预期在我国也将取得迅速发展。

　　10.β热处理工艺一箭三雕

　　首先突破传统的α＋β热处理工艺而采用β热处理工艺的是高温钛合金领域，其初衷是为了提高蠕变抗力（相应地提高使用温度），这是β热处理工艺射中的第一"雕"。

其次，β热处理工艺被广泛应用于高损伤容限钛合金，其主要目的是大幅度地提高断裂韧性（ＫＩＣ）和降低疲劳裂纹扩展速率（ｄａ/dＮ）。

例如F/A－２２飞机上占结构重量４１％的钛合金，主要是Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ和Ｔｉ－６２２２２（Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｓｎ－２Ｚｒ－２Ｃｒ－２Ｍｏ）这两种牌号，均大量采用了β热处理工艺（包括５个特大的Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ钛合金隔框锻件），以适应损伤容限设计的要求。

β热处理工艺射中的第三"雕"是铸造钛合金，其主要目的是显著提高铸件的疲劳强度，以保证钛合金铸件的使用可靠性。

这是设计师们敢于在一些关键部位选用钛合金铸件的重要原因之一。

一航材料院以钛合金伞舱梁和压气机盘为对象开展了较系统的研究，创立了具有自己特色的新型β热处理工艺--ＢＲＣＴ热处理工艺，其综合性能优于英、美常用的β热处理工艺。

　　航空用钛合金的发展历程反映了一个辩证关系：

成分创新与工艺创新是材料技术创新主要的两大途径。

从钛合金近期工程化发展的情况来看，工艺创新的"亮点"似乎更多一些。

　　航空钛合金的发展历程又告诉我们：

性能驱动和成本驱动是材料技术发展永恒的两大动力。

两者不可偏废，必须综合考虑，但可根据不同使用对象和不同历史时期有所侧重。

从钛合金近期工程化发展的情况来看，成本驱动的"马力"似乎更大一些。

从一定意义上说，近期发展中工艺创新"亮点"较多的原因主要是工艺创新途径往往能更好、更快、更省地达到高性能、低成本的效果。