發(fā)布日期：2022-10-14 22:53:54
鈦合金因比強(qiáng)度大、抗腐蝕性好、溫度適應(yīng)范圍廣、無磁性、高韌性、可焊接等突出特性，在航空、航天、軍事、化工、冶金、醫(yī)療、海水淡化、海洋石油開采、日常用品等領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用，擁有“太空金屬”、“海洋金屬”、“未來金屬”、“智能金屬”等美譽(yù)。
鈦合金是一種對(duì)發(fā)展國(guó)防高新技術(shù)武器裝備有重要作用的新型金屬結(jié)構(gòu)材料[1]，已被世界多個(gè)軍事強(qiáng)國(guó)列為重點(diǎn)發(fā)展的21世紀(jì)具有戰(zhàn)略意義的新型結(jié)構(gòu)金屬材料[2]。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，鈦合金已在航空航天及武器裝備領(lǐng)域獲得普遍應(yīng)用，中國(guó)對(duì)鈦合金的需求量更是以每年20%～30%的速度增加。
1、鈦合金在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用
1.1 在飛機(jī)上的應(yīng)用
鈦合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，主要是利用其優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、密度小和良好的抗腐蝕性能，如用于制造噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦合金要求有高溫抗拉強(qiáng)度和穩(wěn)定性，并結(jié)合良好的蠕變、疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性。鈦合金是繼鋼鐵和鋁合金以后應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的又一種新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，它的應(yīng)用水平已成為衡量飛機(jī)選材先進(jìn)程度的一個(gè)重要標(biāo)志[3]。鈦 合金是飛機(jī)機(jī)體和發(fā)動(dòng)機(jī)的重要結(jié)構(gòu)材料之一，作為減重效果良好的機(jī)體材料，近50年來鈦合金在商用及軍用飛機(jī)領(lǐng)域的用量伴隨各自產(chǎn)品的升級(jí)換代呈穩(wěn)步增長(zhǎng)趨勢(shì)。在軍用飛機(jī)方面，國(guó)外第3代戰(zhàn)斗機(jī)用鈦量占機(jī)體結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的20%～25%，美國(guó)第5代戰(zhàn)斗機(jī)Ｆ－35用鈦量已高達(dá)27%，Ｆ－22戰(zhàn)機(jī)用鈦量更是高達(dá)41%，鈦合金在Ｆ－22戰(zhàn)機(jī)上的使用部位如圖1所示。
美國(guó)運(yùn)輸機(jī)用鈦量也由早期服役的Ｃ5的6%增至Ｃ17的10.3%，俄羅斯伊爾76運(yùn)輸機(jī)用鈦量更是達(dá)到了12%[4]。在民用飛機(jī)方面，鈦合金用量也在逐步增長(zhǎng)，空客飛機(jī)鈦用量已從第3代Ａ320的4.5%增至第4代Ａ340的6%，Ａ380的用鈦量增加到了10%，單機(jī)用鈦量就達(dá)60ｔ，而即將問世的Ａ350客機(jī)的鈦用量進(jìn)一步提高到14%左右[5]。波音飛機(jī)用鈦量已從最初波音707的0.5%增至波音787的14%，用鈦量增速基本與空客飛機(jī)保持同步，如圖2所示。
現(xiàn)代飛機(jī)上鈦合金的應(yīng)用范圍越來越廣泛，主要有飛機(jī)機(jī)身、液壓管道、起落架、座艙窗戶框架、蒙皮、緊固件、艙門、機(jī)翼結(jié)構(gòu)、風(fēng)扇葉片、壓縮機(jī)葉片等。為防止飛機(jī)外部蒙皮潛在的疲勞裂紋出現(xiàn)突發(fā)擴(kuò)展，一般飛機(jī)機(jī)身采用鈦合金做成薄且窄的環(huán)狀結(jié)構(gòu)；為使飛機(jī)液壓管道減重40%，多采用易變形且強(qiáng)度足夠高的兩相Ｔｉ－3Ａｌ－2.5Ｖ合金；因高強(qiáng)度鋼具有應(yīng)力腐蝕敏感性，在飛機(jī)上使用壽命較短，起落架大多都采用鈦合金制造，如波音777起落架幾乎都采用ＴＩＭＥＴＡＬ10－2－3鍛件制造[6－7]；由于飛機(jī)存在潛在的高載荷沖擊，如氣流或飛鳥，座艙窗戶框架多采用有足夠強(qiáng)度的鈦合金鍛件制造；鈦合金與碳纖維復(fù)合材料有相近的熱膨脹系數(shù)，化學(xué)相容性較高，從而可避免化學(xué)腐蝕，因此優(yōu)先選擇鈦合金作為與碳纖維復(fù)合材料的連接件和支撐件[8－9]；因飛機(jī)蒙皮表面與空氣摩擦產(chǎn)生高溫，大多數(shù)鋁合金抗高溫能力無法達(dá)到要求，蒙皮也多采用鈦合金制造；由于鈦合金質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、低導(dǎo)磁率等優(yōu)良特性，在飛機(jī)上鈦合金緊固件的用量不斷增加，以計(jì)劃于2014年首飛的國(guó)產(chǎn)商用大飛機(jī)Ｃ919為例，單機(jī)鈦合金緊固件用量達(dá)20萬件以上，按2018年達(dá)到年產(chǎn)150架計(jì)算，總需求量達(dá)3000萬件。
燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)是航空鈦合金應(yīng)用的主要領(lǐng)域，現(xiàn)代渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的30%左右為鈦合金，最早應(yīng)用鈦合金的發(fā)動(dòng)機(jī)部件是壓縮機(jī)葉片，現(xiàn)代噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)大型前端風(fēng)扇葉片也由鈦合金制成[10]。發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)采用鈦合金材料，可進(jìn)一步降低壓縮機(jī)葉片和風(fēng)扇葉片的質(zhì)量，同時(shí)還可延長(zhǎng)部件的壽命和檢修周期，從而保證飛機(jī)的安全穩(wěn)定性， 如波音747－8ＧＥＮＸ發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的前緣與尖部，采用了鈦合金護(hù)套，在10年使用過程中僅更換過3次，風(fēng)扇葉片在波音777客機(jī)上經(jīng)受住了嚴(yán)格考驗(yàn)。
1.2 太空應(yīng)用
隨著人類探索太空步伐的加快，對(duì)航天飛行器的要求越來越高。航天飛行器在超高溫、超低溫、高真空、高應(yīng)力、強(qiáng)腐蝕等極端條件下工作，除依靠?jī)?yōu)化機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，還依賴材料所具有的優(yōu)異特性和功能[11]。圖3為美國(guó)航天飛機(jī)計(jì)劃中飛行器用鈦合金壓力罐，在航天工業(yè)中，因鈦合金集航天產(chǎn)品所需的特質(zhì)于一身，在制造燃料儲(chǔ)箱、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、火箭噴嘴導(dǎo)管、人造衛(wèi)星外殼等方面得到了典型應(yīng)用，例如燃料儲(chǔ)箱制備可將鈦合金板塑性成形為半球狀，通過擴(kuò)散連接和常規(guī)焊接，降低其加工程度，從而制備燃料儲(chǔ)箱；衛(wèi)星艙半球形殼體可采用Ｔｉ－15－3合金通過簡(jiǎn)單旋壓成形工藝生產(chǎn)等[10]。鈦合金在太空領(lǐng)域的應(yīng)用雖有一定局限性，但近幾年 用量也呈穩(wěn)步增長(zhǎng)趨勢(shì)。
2、鈦合金在武器裝備領(lǐng)域中的應(yīng)用
除上述航空航天方面的應(yīng)用外，鈦合金在艦船、戰(zhàn)車、坦克、火炮、導(dǎo)彈等武器裝備領(lǐng)域也獲得了普遍應(yīng)用。在艦船方面，鈦合金除能達(dá)到減重和耐腐蝕的要求外，還具備高沖擊韌性、高耐應(yīng)力腐蝕性能和高斷裂韌性等特質(zhì)[12]，主要應(yīng)用部位有：耐壓殼體、螺旋槳、管道系統(tǒng)、熱交換器、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、升降裝置及發(fā)射裝置、聲納系統(tǒng)、系泊裝置等[13－14]。俄羅斯、美國(guó)、日本、法國(guó)、中國(guó)都在不同程度上用鈦合金作為艦船材料，在鈦合金使用規(guī)模和應(yīng)用技術(shù)上，俄羅斯領(lǐng)先于其他國(guó)家。如俄羅斯阿庫拉級(jí)攻擊核潛艇、塞拉級(jí)攻擊核潛艇、阿爾法級(jí)核潛艇、蘇聯(lián)臺(tái)風(fēng)級(jí)潛艇均采用鈦合金材料建造，其中阿爾法級(jí)核潛艇用鈦量達(dá)3000t，蘇聯(lián)臺(tái)風(fēng)級(jí)潛艇采用鈦合金雙殼體結(jié)構(gòu)，兩層殼體間距約為3ｍ，大大增強(qiáng)耐水下沖撞能力，每艘臺(tái)風(fēng)級(jí)潛艇的用鈦量約9000ｔ[15－16]。
世界上現(xiàn)役或在研武器裝備中，很多都使用了鈦及鈦合金結(jié)構(gòu)件，隨著現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)模式的轉(zhuǎn)變，強(qiáng)烈要求軍隊(duì)有突出的快速機(jī)動(dòng)能力，如對(duì)于陸軍戰(zhàn)車來說必須要求其質(zhì)量輕、運(yùn)輸方便、機(jī)動(dòng)性能好，鈦合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)戰(zhàn)車中的裝甲鋼零件，有效實(shí)現(xiàn)了陸軍粗重武器裝備的輕量化。美國(guó)Ｍ1Ａ1“艾布拉姆斯”主戰(zhàn)坦克在發(fā)動(dòng)機(jī)頂蓋、武器對(duì)抗防護(hù)蓋、炮 塔樞軸架、進(jìn)出艙口等部位用鈦合金部件替換了鋼制部件，減重可達(dá)475kg。鈦合金在火炮領(lǐng)域的發(fā)展前途同樣光明，如美國(guó)的Ｍ777輕型榴彈炮，使用鈦合金外殼，戰(zhàn)斗全質(zhì)量降至3.175t，可以使用V22或者Ｃ130空運(yùn)[17]，達(dá)到快速機(jī)動(dòng)的能力；英國(guó)的ＵＦＨ 超輕型155ｍｍ火炮，鈦合金用量達(dá)到總質(zhì)量的25%以上。鈦合金鑄件在導(dǎo)彈的尾翼、彈頭殼體、火箭殼體和連接座等部位的使用也比較普遍，它的密度小、比強(qiáng)度高，抗腐蝕和易成形的優(yōu)點(diǎn)非常適應(yīng)導(dǎo)彈制造的需要[18]。
3、鈦合金發(fā)展前景分析
國(guó)內(nèi)對(duì)于鈦合金研究多，應(yīng)用少的現(xiàn)象比較突出，由于鈦合金自身的加工特性，采用傳統(tǒng)制造技術(shù)進(jìn)行加工存在周期長(zhǎng)、利用率低、成本高等劣勢(shì)，這使其在航空航天及武器裝備領(lǐng)域的普遍應(yīng)用受到限制。近幾年，中國(guó)鈦合金已由完全仿制過渡到創(chuàng)新與仿制相結(jié)合的新階段，在高溫鈦合金、高強(qiáng)鈦合金、耐蝕鈦合金、阻燃鈦合金、低溫鈦合金的開發(fā)上 取得重大突破。在鈦合金材料加工方面，隨著激光成形及修復(fù)技術(shù)（LRF/LR）、超塑性成形／擴(kuò)散連接技術(shù)（SPF/DB）的出現(xiàn)，提高了鈦合金材料的利用率，縮短了制造周期，降低了生產(chǎn)成本，基本滿足了鈦合金在航空航天及武器裝備領(lǐng)域的應(yīng)用需求；中國(guó)在高性能金屬構(gòu)件激光直接制造技術(shù)上已經(jīng)走在世界前列，以王華明教授為首的科研團(tuán)隊(duì)在飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)上取得重大科研成果，圖4為北京航空航天大學(xué)部分激光快速成形的飛機(jī)零件[19－20]。當(dāng)前，雖然中國(guó)鈦合金的研究 水平與國(guó)外大致相當(dāng)，但在生產(chǎn)規(guī)模、材料利用率、發(fā)展速度等方面還有較大差距。
伴隨航空航天及武器裝備領(lǐng)域鈦合金用量穩(wěn)步增長(zhǎng)的現(xiàn)狀，針對(duì)國(guó)內(nèi)外鈦合金研發(fā)情況，筆者預(yù)測(cè)未來鈦合金的發(fā)展趨勢(shì)如下：
（1）新型鈦合金設(shè)計(jì)。開發(fā)新型鈦合金專家設(shè)計(jì)系統(tǒng)，指導(dǎo)新合金的設(shè)計(jì)。
（2）低成本、高綜合性能鈦合金。研究低成本鈦合金合金化機(jī)理[21]，實(shí)現(xiàn)低成本與高綜合性能的良好匹配，提高低成本鈦合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用水平[22]。
（3）鈦合金低成本化加工與制造技術(shù)。改進(jìn)成形工藝，采用先進(jìn)的加工與制造技術(shù)，如粉末冶金、LRF/LR、SPF/DB、精密鑄造、精確塑性成形等技術(shù)，提高鈦合金材料的利用率。
（4）發(fā)展鈦合金近凈成形技術(shù)。近凈成形技術(shù)以優(yōu)質(zhì)、高效、高精度、低成本、輕量化為特點(diǎn)，有效降低鈦合金加工成本，縮短加工周期，近幾年在鈦合金加工領(lǐng)域備受關(guān)注。
（5）鈦合金材料制備及加工過程的計(jì)算機(jī)模擬。運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算設(shè)計(jì)加工工藝，節(jié)省資源，同時(shí)極大地提高新材料制備和加工工藝設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性[23]。
（6）強(qiáng)化高性能損傷容限型鈦合金研究。此類鈦合金是新一代飛機(jī)的主要材料，加強(qiáng)品種規(guī)格系列化和應(yīng)用批量穩(wěn)定化，擴(kuò)大其用量和應(yīng)用范圍，進(jìn) 一步提升技術(shù)成熟度[24]。
（7）加強(qiáng)ＴｉＡｌ金屬間化合物和鈦基復(fù)合材料的研究。目的是在一定應(yīng)力和溫度范圍內(nèi)用鈦合金替換鎳基、鐵基合金等傳統(tǒng)材料。一種新材料的推行，除取決于高性能和可能的創(chuàng)新外，還取決于應(yīng)用材料為零部件生產(chǎn)所制訂的工藝路線的有效性。
（8）積極開發(fā)海綿鈦新型制備技術(shù)。采用先進(jìn)的熔煉技術(shù)和設(shè)備[25]，探索海綿鈦新型制備技術(shù)，為航空航天及武器裝備領(lǐng)域用特殊鈦合金提供可靠的原材料。
4、結(jié)語
鈦合金在航空航天及武器裝備領(lǐng)域的應(yīng)用情況折射出它作為一種新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的技術(shù)發(fā)展與進(jìn)步，通過分析其綜合材料特性即可預(yù)測(cè)出未來它在航空航天及武器裝備領(lǐng)域的用量必然呈穩(wěn)步增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，現(xiàn)階段材料技術(shù)在軍事需求牽引和高新技術(shù)的推動(dòng)下正在高速向前推進(jìn)，材料技術(shù)發(fā)展的又一次飛躍即將到來。
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