航空航天工程用鈦合金的分類與國內外應用案例

鈦合金在航空航天領域的應用

航天工業是一個國家經濟實力和科技水平的綜合體現,是國家綜合國力強大的重要標志.  高性能鈦合金及鈦基復合材料在航天結構材料中的應用對于降低結構重量和提高飛行器的結構效率、服役可靠性及延長壽命具有極其主要的作用,因此近些年國內外鈦合金研究和生產單位研發了大量高性能鈦合金新材料,具有其他金屬無法比擬的高比強度、高耐腐蝕性、高耐久性等特點.鈦金屬材料零部件,包括合金棒材、鍛件、環材、管材、板材等在東方紅衛星、長征系列火箭和系列導彈等關鍵結構中做出了巨大貢獻.展望未來,航天工業對鈦材料的需求將呈高速增長態勢,鈦及鈦合金憑借其獨特而優越的性能將會在航天市場大放異彩。

1、高溫鈦合金

鈦合金零部件

航天飛行器要求鈦合金必須具有優異的耐高溫性能。國際上第一個高溫鈦合金是美國研制的Ti-6Al-4V合金。

Ti-6Al-4V合金兼具α+β兩相特征,在航天領域得到廣泛應用.為最大限度發揮Al 固溶熱強化作用,鈦合金中還加入了Sn、Zr、Mo 和Si 等元素,相繼開發了IMI679、Ti6242 以及IMI685、Ti6242S、IMI834、Ti1100、BT36 等合金。

目前,國際先進的高溫鈦合金主要有美國研發的Ti1100 合金(Ti-6Al-2.75Sn-4.0Zr-0.4Mo-0.45Si-0.07O2-0.02Fe), 其使用溫度可達600℃,它具備較低的韌性和較大的疲勞裂紋擴展速率;英國的I MI 83 4(Ti -5.5Al-4Sn-4Zr-0.3Mo-1Nb-0.5Si-0.06C),同時具備了優異的高溫蠕變性能和疲勞性能,使用溫度590℃ ;俄羅斯研制的BT36(Ti-6.2Al-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-0.15Si-5W)、BT18Y(Ti-6.5Al-2.5Sn-4Zr-0.7Mo-1Nb-0.2 5 S i)、Ti633G(Ti- 6.5A l-3 S n-3 Z r-1N b - 0.3Mo - 0.3 S i- 0.2 G d)和T i 18(T i- 6 A l-2 S n - 4 Z r 4Mo -1W-0.2Si)合金,其使用溫度分別為600 ℃、550 ~ 600 ℃、550 ℃ 和550 ℃.

我國研制的高溫合金主要有Ti55(Ti-5.5Al-4Sn-2Zr-1Mo-0.25Si-1Nd)、Ti6 0(Ti-5.8A l-4.8 Sn-2Zr-1Mo-0.35Si-0.85Nd)和Ti600(Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.5Mo-0.4Si-1Y),其使用溫度分別為550℃、600℃、600℃。

2、低溫鈦合金

鈦合金在發動機上的應用 

一些鈦和鈦合金在低溫和超低溫下仍能保持其原有的機械性能.許多退火的鈦合金在-195.5℃溫度下還具有足夠使用的延性和斷裂韌性.含間隙元素特別低的Ti-5Al-2.5SnELI 的強度隨溫度的降低而提高,但塑性降低的不多,在低溫下仍有較好的延性及韌性,可在-252.7℃溫度下使用.

NINCT20 合金是我國研制的用于火箭發動機液氫管路的新型低溫鈦合金,該合金具有強度適中(600 ~ 700MPa)、低溫性能、焊接性能、冷成型性能及液氫相容性優異的特點,在-253℃(20K)溫度下,強度可達1200MPa 以上,延伸率可達10% 以上.

3、高強鈦合金

鈦合金在飛機上的應用

高強鈦合金是指經熱處理后室溫強度大于1000MPa 的鈦合金.國外高強鈦合金研發主要以美國和俄羅斯為主,而且產品都得到了廣泛應用.我國高強鈦合金研究則由仿制逐漸轉型為自主研發,如北京有色金屬研究總院研究的TB10 合金(Ti-3Al-5Mo-5V-2Cr)典型性能為:σb=1360MPa,KIC=67MPam1/2,已用于航天結構件、飛機機身、機翼.西北有色金屬研究院創新研制的Ti-1300、Ti-5322 等  高強鈦合金.Ti-1300 的抗拉強度超過1350MPa,延伸率超過8%,斷裂韌性超過55MPa.m1/2.Ti-5322 抗拉強度超過1300MPa,延伸率超過7%.

4、高強高韌鈦合金

高韌損傷容限型鈦合金在發動機葉片上的應用

典型的高強高韌鈦合金是美國研制的Ti62222S 合金.該合金具有良好的強度、塑性和斷裂韌性匹配;疲勞裂紋擴展抗力高;具有深淬透性;高彈性模量;中溫有良好的抗蠕變性能,室溫斷裂強度和屈服強度分別大于1300MPa和1200MPa,且其高溫性能也很好.

TC21(Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-1Nb-0.1Si) 是我國創新研制的高強高韌損傷容限型鈦合金.該合金具有良好的強度、塑性、斷裂韌性、裂紋擴展速率的匹配,是一種非常有應用前景的高強高韌損傷容限型結構鈦合金.由該合金生產的大規格棒材在保證室溫高強度的前提下,斷裂韌性可高達90MPa.m1/2.

BT i-65 5 4 ( T i-6Cr-5Mo-5V-4Al) 是寶鈦集團研制的高強高韌鈦合金,該材料的力學性能可以達到Rm=1270MPa,Rp0.2=1230MPa,KIC=77.8MPam1/2.

北京有色金屬研究院和寶鈦集團共同研制的Ti-63高強高韌鈦合金(Ti-Al-V-Cr-Mo-Sn-Zr-Si),其Rm=1200MPa,KIC=77MPa.m1/2.

鈦及鈦合金在航天領域的應用當今,鈦應用最活躍的領域是航天。

1、美國

美國鈦及鈦合金在航天工程上的應用始于1955 年,美國的火箭發動機殼體材料廣泛使用了鈦合金.鈦合金還廣泛用于各種結構件."阿波羅"宇宙飛船共有約50 個壓力容器,其中85% 是用鈦制成.大力神Ⅲ過渡級發動機,改用鈦合金推進劑貯箱后重量減輕35%."阿波羅"號宇宙飛船的托架、夾具和緊固件均用鈦制成,共使用68 噸鈦材.航天工程用的壓力容器中也使用了大量的鈦材,使用最多的是Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn.導彈的彈頭上也使用了鈦合金.美國大多采用輻射冷卻式發動機噴管,這種噴管的一部分用鈦合金制造。

美國生產的Ti3Al 基鈦合金Ti-21Nb-14Al 和Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo 鈦合金箔材已制成導彈尾翼和燃燒室噴管密封片等.美國的超高聲速載人飛行器的熱防護系統采用了Ti1100 鈦合金作為防熱瓦,火箭運載器X-33 采用鈦合金作為其機身背風面大面積防熱系統材料.美國鈦金屬公司(Timet)研制的β21S(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si)已被美國國家宇航局確定用于美國國家航空航天飛機的機身和機翼壁板.美國的Bodycote、ADMA等公司采用粉末冶金方法生產各種導彈武器用的鈦合金部件.美國的休斯公司、BAE 公司等采用超塑成形技術制造鈦合金導彈外殼,推進劑貯箱等,不但減輕了重量,而且減少費用30% ~ 40%。

2、日本

鈦合金在火箭上的應用

日本在火箭上應用鈦合金的歷史可追溯到1968 年.日本第一顆試驗衛星"大角"號使用了Ti-2Al-2Mn 鈦合金.

其他應用的例子有機翼的前緣部位、噴嘴的夾持器、多級火箭的斷裂接頭部位等.日本研制的低溫結構鈦合金LT700(Ti-3Al-5Sn-1Mo-0.2Si)已用來制作液氫渦輪泵.

3、俄羅斯

鈦合金在地球衛星上的應用

1957 年10 月,世界上第一顆人造地球衛星Sputnik1 在俄羅斯發射成功,開創了人類航天新紀元.俄羅斯鈦在航天工程上應用的實例很多.如"能源- 暴風雪"號、"和平-1"號、"進步"號、"金星"號、"月球"號航天器中均廣泛使用了鈦及鈦合金材料,用OT4合金板材制造液體燃料火箭發動機的燃燒倉和"和平-1"號軌道站對接件,用OT4-1 合金制造發動機吊架構件、燃料箱、管接頭和托架等.BT5-1 和ПT3B 合金用于制造容器- 增壓系統蓄壓器和低溫液體儲存箱,BT5-1 合金還用于制造液氫輸送泵的葉輪.此外,TH1 合金還用作天線、推桿、接觸器及航天減震部件.

4、中國

鈦合金發動機中國在"太空之路"上已取得了令世界矚目的成就.從1970 年4 月24 日長征一號運載火箭將"東方紅一號"衛星送上預定的軌道以來,我國已經發射了長征系列運載火箭和神舟系列飛船,這些航天器上均使用了鈦材.如我國研制的液氫環境下使用的低溫TA7ELI 鈦合金氣瓶已用于CZ-XX 系列運載火箭;我國還用BT20 鈦合金制造導彈的外殼體和燃料油箱殼體;用TC4ELI 鈦合金制造運載火箭的低溫液氧、液氫高壓氣瓶等。

寶鈦集團有限公司作為國家高新科技企業,曾先后為我國神舟1 ~ 10 號飛船提供了重要的鈦金屬材料,包括合金棒材、鍛件、環材、管材、板材等,為神舟系列的發射成功做出了貢獻,也為東方紅衛星、長征系列火箭和系列導彈等提供了關鍵的結構材料。

我國載人飛船各艙段的結構材料的內部結構為耐熱鈦合金;我國航天飛機的軌道器的支承主發動機的推力結構用鈦合金制造.此外,鈦合金還用于制造火箭機盤、導彈基座構件、導彈動力葉片套等。

鈦合金手表

我國研制的TB2 合金(Ti-3Al-5Mo-5V-8Cr),于1984 年首次應用于衛星星箭連接帶,目前已用于各種型號衛星20 多次;TB10 合金(Ti-3Al-5Mo-5V-2Cr)已用于航天結構件、飛機機身、機翼結構中的鍛造零件;NINCT20 鈦合金不僅可用于火箭發動機管路系統,而且還可廣泛用于宇航工業形狀復雜的低溫管路系統.此外,我國制造的航天鈦手表也引起了世人的關注.這種鈦合金手表重量僅為94 克,且精確無比。