航空用鈦合金的發(fā)展概況

1、航空用鈦合金的發(fā)展概況General Development Situation of Titanium Alloys for Aviation 北京航空材料研究院曹春曉摘要： 航空用鈦合金近期工程化發(fā)展中呈現(xiàn)出一些技術(shù)創(chuàng)新的"亮點(diǎn)"，其中工藝創(chuàng)新的亮點(diǎn)比成分創(chuàng)新的亮點(diǎn)更多一些。這些亮點(diǎn)包括阻燃鈦合金、鈦基復(fù)合材料、纖維/鈦層板、超塑性鈦合金、特大整體結(jié)構(gòu)件鍛造工藝、金屬型精鑄工藝、大型整體結(jié)構(gòu)件精鑄工藝、激光成形工藝、摩擦焊工藝和熱處理工藝等。 關(guān)鍵詞：鈦合金飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)熱處理工藝世紀(jì)年代，軍用飛機(jī)進(jìn)入了超聲速時(shí)代，航空發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)地進(jìn)入噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)代，原有的鋁、鋼結(jié)構(gòu)已不能

2、滿足新的需求。鈦合金恰恰在這個(gè)時(shí)候進(jìn)入了工業(yè)性發(fā)展階段，由于它具有比強(qiáng)度高、使用溫度范圍寬（）、抗蝕性好和其他一些可利用的特性，因此很快被選用于飛機(jī)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)。年來(lái)的世界鈦市場(chǎng)中最大的用戶始終屬于航空。當(dāng)前，航空仍然占左右市場(chǎng)份額。受年""事件影響，美國(guó)年鈦工業(yè)產(chǎn)品發(fā)貨量降至（年為），日本年鈦加工材發(fā)貨量則降至（年為），而中國(guó)從年的鈦加工材銷售量卻一直以很高的速度增長(zhǎng)（見表）。年以后，幾乎看不到新推出的工業(yè)性鈦合金，而鈦合金工藝方面的創(chuàng)新卻屢見不鮮。這既與冷戰(zhàn)時(shí)代的結(jié)束有關(guān)，也與工藝創(chuàng)新往往起到事半功倍之效有關(guān)。 一、鈦合金在飛機(jī)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的用量不斷擴(kuò)大1. 飛機(jī)機(jī)體

3、的鈦用量表中列出的F/AE/F、F/、三大戰(zhàn)斗/攻擊機(jī)和轟炸機(jī)是美國(guó)在年前保持空中優(yōu)勢(shì)的塊"王牌"。由表可知，總的發(fā)展趨勢(shì)是鈦在飛機(jī)機(jī)體上的用量不斷擴(kuò)大。F/A在不斷改型的過(guò)程中其鈦用量也不斷增多。民用飛機(jī)的鈦用量也在不斷擴(kuò)大（圖和表）。我國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)的鈦用量也在不斷擴(kuò)大：世紀(jì)年代開始服役的殲八系列的鈦用量為，兩種新一代戰(zhàn)斗機(jī)的鈦用量分別為和，更新一代的高性能新型戰(zhàn)斗機(jī)的鈦用量將達(dá)。2. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦用量從表和圖可知，國(guó)外先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)上的鈦用量通常保持在的水平。我國(guó)早期生產(chǎn)的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)均不用鈦，年開始研制并于年初設(shè)計(jì)定型的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦用量達(dá)到。年設(shè)計(jì)定型的昆侖渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)是我國(guó)

4、第一個(gè)擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，鈦用量提高至。即將設(shè)計(jì)定型的我國(guó)第一臺(tái)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)又進(jìn)一步把鈦用量提高到的水平。 二、航空用鈦合金近期工程化發(fā)展中的一些"亮點(diǎn)" 1. 阻燃鈦合金閃亮登場(chǎng)為了避免"鈦火"，俄羅斯曾研制了含高量的和阻燃鈦合金，但由于其力學(xué)性能和熔鑄性能差而未能工程化。美國(guó)發(fā)明的（）阻燃鈦合金近期已成功地應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)（F/A戰(zhàn)斗機(jī)的動(dòng)力裝置）的高壓壓氣機(jī)機(jī)匣、導(dǎo)向葉片和矢量尾噴管。這是高溫鈦合金領(lǐng)域的最新亮點(diǎn)，也是鈦發(fā)展史中第一個(gè)進(jìn)駐航空發(fā)動(dòng)機(jī)的型鈦合金和阻燃鈦合金。 的阻燃原理有三：其一，國(guó)外和一航材料院的研究結(jié)果表

5、明，在轉(zhuǎn)子零件與靜子零件相對(duì)摩擦而升溫時(shí)，低熔點(diǎn)（）的的首先熔化起到了吸熱、潤(rùn)滑和降低氧化膜內(nèi)應(yīng)力的作用；其二，西北有色院的試驗(yàn)表明， 的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于普通鈦合金；其三，北京有色院利用技術(shù)計(jì)算得到的結(jié)果表明，該合金成分設(shè)計(jì)符合"絕熱燃燒溫度"盡可能低的要求。西北有色院、一航材料院等聯(lián)合研制的低成本阻燃鈦合金已研制出機(jī)匣并裝機(jī)，等待試車。利用滲金屬技術(shù)形成表面阻燃合金是另一條成本更低的技術(shù)途徑。2. 鈦基復(fù)合材料初見曙光世界各國(guó)為鈦基復(fù)合材料（）的工程化已奮斗很多年，近期終于在發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得了應(yīng)用，即選用纖維/T復(fù)合材料制成矢量噴管驅(qū)動(dòng)器活塞。不久前，荷蘭飛機(jī)起落架開發(fā)公司航宇

6、公司又宣稱，荷蘭皇家空軍試飛了裝有鈦基復(fù)合材料主起落架下部后撐桿的。與原用的鋼相比，新材料可減重，成本也已接近戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計(jì)認(rèn)可的指標(biāo)，因此洛克希德·馬丁公司也打算在聯(lián)合攻擊機(jī)上采用這種材料制造起落架零件。據(jù)稱用取代合金制造的空心寬弦風(fēng)扇葉片，其成本更低。3. 纖維/鈦層板嶄露頭角層間混合材料（如圖所示）因其比強(qiáng)度和疲勞壽命遠(yuǎn)高于單金屬材料且成本遠(yuǎn)低于纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，已引起人們的廣泛興趣。從世紀(jì)年代以來(lái)該材料已經(jīng)歷了第一代（芳綸纖維鋁合金層板）、第二代（玻璃纖維鋁合金層板）、第三代（碳纖維鋁合金層板）到第四代（石墨纖維鈦合金層板）的發(fā)展過(guò)程。一航材料院研制的已用于我國(guó)殲八的方向舵上，

7、解決了原鋁合金方向舵鉚釘孔處裂紋擴(kuò)展的問(wèn)題。已大面積地用于機(jī)身壁板和尾翼上，而則用于制造的機(jī)翼和機(jī)身蒙皮。還可用于蜂窩夾層的面板。實(shí)踐表明，自動(dòng)鋪放的層板的性能優(yōu)于手工鋪疊的層板。因很難解決碳纖維與鋁合金之間的接觸腐蝕問(wèn)題，迄今無(wú)商業(yè)化產(chǎn)品。而既無(wú)電化學(xué)腐蝕問(wèn)題，又可進(jìn)一步提高綜合性能（特別是比強(qiáng)度和高溫性能）。4. 超塑性鈦合金獨(dú)樹一幟超塑性成形、等溫鍛造、近等溫鍛造等先進(jìn)工藝技術(shù)所具有的優(yōu)越性促進(jìn)了自身的發(fā)展。然而，鍛造成形溫度過(guò)高帶來(lái)的模具制造、加熱費(fèi)用昂貴問(wèn)題，影響了產(chǎn)品成本的進(jìn)一步降低和工藝技術(shù)進(jìn)一步的擴(kuò)大應(yīng)用。據(jù)此，日本推出了（）合金。這是第一個(gè)以（超塑的英文縮寫）為牌號(hào)的鈦合金。

8、與相比，其等溫鍛造或超塑成形的溫度降低了（即從降至），最佳超塑條件下的延伸率提高一倍（即從增至）。還具有優(yōu)于的綜合力學(xué)性能、熱處理淬透性和冷加工性。呈現(xiàn)上述優(yōu)越特性的重要原因之一是在同樣工藝條件下能獲得更細(xì)于的晶粒尺寸（分別為和）。正緣于此，當(dāng)前已作為一種新型工程合金用于制造高爾夫球頭等體育用品和活動(dòng)扳手等工具，而且已引起各國(guó)航空界的密切關(guān)注，正在考慮應(yīng)用于飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)零件的可能性。5. 特大整體結(jié)構(gòu)件鍛造工藝余音繞梁為了提高結(jié)構(gòu)效率、減輕結(jié)構(gòu)重量、縮短生產(chǎn)周期和降低生產(chǎn)成本，結(jié)構(gòu)整體化是先進(jìn)飛機(jī)的重要發(fā)展方向。F/A的機(jī)身隔框就采用了整體結(jié)構(gòu)，這就需要提供前所未有的特大規(guī)格的鈦合金模鍛件，從

9、而顯著增加了充填成型和組織控制方面的困難。F/A的中機(jī)身有個(gè)很大的整體式隔框，其中最大的""隔框鍛件重，投影面積，是迄今為止最大的航空用鈦合金鍛件。F/A后機(jī)身的一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的隔框也很大。魏曼戈登公司在水壓機(jī)上生產(chǎn)了該隔框模鍛件，鍛件長(zhǎng) ，寬 ，投影面積 ，重 。按通常的合金的模鍛變形抗力來(lái)計(jì)算，這么大投影面積的鍛件是不可能模鍛出來(lái)的。已知的情況表明，該公司采用以下三大關(guān)鍵技術(shù)確保特大鈦合金鍛件的形狀尺寸和組織性能：一是采用優(yōu)良的潤(rùn)滑劑以降低變形抗力；二是采用計(jì)算機(jī)有限元方法模擬模鍛時(shí)金屬流變、充填情況以確定可保證最終形狀尺寸的工藝（包括模具和預(yù)制坯的設(shè)計(jì)方案）；三是搞好全

10、過(guò)程（從開坯至最終模鍛）的工藝設(shè)計(jì)以確保最終鍛件的組織性能。雖然我們可以從中粗略地感覺(jué)到這首"協(xié)奏曲"的美妙之處，但仍不能完全理解在水壓機(jī)上能模鍛出如此大規(guī)格鍛件的理由，還得細(xì)細(xì)品味其繞梁的余音以探究存在其他"奧妙之處"的可能性。6. 金屬型精鑄工藝重開天日很早以前，人們就否定了金屬型（長(zhǎng)久性鑄型）用于鈦合金鑄造的可能性。然而，美國(guó)普·惠公司近期的實(shí)踐表明，金屬型不僅適用于鈦合金鑄造，而且與陶瓷型（熔模）相比，可以降低成本，減少污染，獲得拉伸強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度更好的鈦合金精鑄件，甚至可以和鈦合金鍛件的性能相媲美。普·惠公司已應(yīng)用金屬型精鑄

11、技術(shù)制造了發(fā)動(dòng)機(jī)的第、級(jí)高壓壓氣機(jī)阻燃鈦合金導(dǎo)流葉片。該公司還打算探索金屬型精鑄工藝用于制造轉(zhuǎn)子葉片（含風(fēng)扇葉片）的可能性。7. 大型整體結(jié)構(gòu)件精鑄工藝方興未艾航空用鈦合金領(lǐng)域近期工程化發(fā)展中最耀眼的"亮點(diǎn)"當(dāng)屬大型整體結(jié)構(gòu)件熔模精鑄工藝。美國(guó)和我國(guó)一些先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)都用該工藝制造了整體機(jī)匣。更引人注目的是，由合金制造的F/A垂尾方向舵作動(dòng)筒支座等個(gè)大型整體結(jié)構(gòu)件和傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)的轉(zhuǎn)接座都采用了該新型精鑄工藝。以轉(zhuǎn)接座為例，原來(lái)由個(gè)零件和個(gè)緊固件裝配而成。改為整體精鑄件后則由個(gè)零件和個(gè)緊固件裝配而成，既顯著縮短了生產(chǎn)周期（加工和安裝時(shí)間減少）和減輕了結(jié)構(gòu)重量，又降低成本。F/上最

12、大的兩個(gè)整體精鑄件是機(jī)翼與機(jī)身側(cè)邊連接的兩個(gè)接頭（加工后成品重量分別為 和）。如此關(guān)鍵的零件都敢選用鑄件主要靠關(guān)鍵技術(shù)及其顯著的效果。三大關(guān)鍵技術(shù)：一是高水平和準(zhǔn)確的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，二是熱等靜壓技術(shù)（包括大型裝備），三是新型的熱處理技術(shù)。顯著的效果是往往能一次成功地研制出形狀尺寸、組織性能、冶金質(zhì)量均獲得精確控制的大型復(fù)雜精鑄件，其許用應(yīng)力和安全可靠性可等同于鍛件。8. 激光成形工藝前程似錦這是一種由高功率激光鍍覆技術(shù)與快速原型技術(shù)結(jié)合而成的金屬粉末熔化和直接沉積的新工藝，是美國(guó)兩所大學(xué)與兩家公司聯(lián)合研究成功的。激光成形（）工藝的主要特點(diǎn)是：不需要模具、工夾具等硬件而在軟件驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行柔性加工；

13、生產(chǎn)周期短，可對(duì)各種新設(shè)計(jì)或改變?cè)O(shè)計(jì)的產(chǎn)品作出快速反應(yīng)；成本低；近凈成形；特別適用于大型復(fù)雜薄壁整體結(jié)構(gòu)件的制造；力學(xué)性能達(dá)到或超過(guò)鍛件水平；可裁縫式地制成"變成分"的材料或零件。E/F已選定個(gè)大型構(gòu)件應(yīng)用此工藝。美國(guó)國(guó)防后勤局最近與公司簽訂了萬(wàn)美元的協(xié)議，用激光成形法為軍用飛機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)制造鈦合金結(jié)構(gòu)件的試生產(chǎn)件。B我國(guó)西工大、北航等單位也在積極開展激光成形工藝的研究工作。例如西工大最近研制了我國(guó)某新型戰(zhàn)斗機(jī)用的鈦合金典型構(gòu)件，其室溫拉伸性能達(dá)到或超過(guò)鍛件水平/B。9. 摩擦焊工藝梅開三度美國(guó)在等航空發(fā)動(dòng)機(jī)中通常采用鈦合金盤與盤之間的慣性摩擦焊。普·惠公司已成功地

14、采用線性摩擦焊工藝將轉(zhuǎn)子葉片與盤連接成整體葉盤（），并實(shí)際應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)多級(jí)鈦合金風(fēng)扇和壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子。未來(lái)摩擦焊將會(huì)應(yīng)用到今后發(fā)展的整體葉環(huán)（）中。近期發(fā)展的攪拌摩擦焊又為摩擦焊工藝在飛機(jī)零件中的廣泛應(yīng)用開辟了道路。北京航空制造工程研究所已購(gòu)買了英國(guó)焊接研究所有關(guān)攪拌摩擦焊的專利，預(yù)期在我國(guó)也將取得迅速發(fā)展。10. 熱處理工藝一箭三雕首先突破傳統(tǒng)的熱處理工藝而采用熱處理工藝的是高溫鈦合金領(lǐng)域，其初衷是為了提高蠕變抗力（相應(yīng)地提高使用溫度），這是熱處理工藝射中的第一"雕"。其次，熱處理工藝被廣泛應(yīng)用于高損傷容限鈦合金，其主要目的是大幅度地提高斷裂韌性（）和降低疲勞裂紋擴(kuò)展速率（/d）。例如F/A飛機(jī)上占結(jié)構(gòu)重量的鈦合金，主要是和（）這兩種牌號(hào)，均大量采用了熱處理工藝（包括個(gè)特大的鈦合金隔框鍛件），以適應(yīng)損傷容限設(shè)計(jì)的要求。熱處理工藝射中的第三"雕"是鑄造鈦合金，其主要目的是顯著提高鑄件的疲勞強(qiáng)度，以保證鈦合金鑄件的使用可靠性。這是設(shè)計(jì)師們敢于在一些關(guān)鍵部位選用鈦合金鑄件的重要原因之一。一航材料院以鈦合金傘艙梁和壓氣機(jī)盤為對(duì)象開展了較系統(tǒng)的研究，創(chuàng)立了具有自己特色的新型熱處理工藝-熱處理工藝，其綜合性能優(yōu)于英、美常用的熱處理工藝。航空用鈦合金的發(fā)展歷程反映了一個(gè)辯證關(guān)系：成分創(chuàng)新與工藝創(chuàng)新是材料技術(shù)創(chuàng)新主要的兩大