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Ti-6Al-4V钛合金在民用飞机上的应用及发展趋势

发布时间:2021-07-03 12:05:13 浏览次数 :

钛及钛合金由于具有比强度高、耐蚀性好、耐高温等优点,因而在航空领域得到广泛应用。钛合金零件的成形方式不受限制,并且可焊接和机械加工,因此,在航空工业中钛合金被用于制造飞机上各种零件(如较小的螺钉、螺母等紧固件,较大的机身骨架、发动机叶片、蒙皮、隔框和起落架等结构件)。目前,先进的民用飞机普遍提高了钛合金的用量[1-3],钛及钛合金已成为民用飞机不可缺少的结构材料。

TC4钛合金棒

1、钛合金在民用飞机中的应用

由于钛合金材料的密度小、比强度高,并且与碳纤维复合材料的相容性较好等特点,因此,钛合金作为航空结构材料得到了广泛的应用。

B777 上大约采用了8% 的钛合金,可锻性好的近β 型钛合金Ti-10V-2Fe-3Al 用作B777 的起落架,每架用钛5.9t。具有抗氧化性及腐蚀性的Ti-15Mo-10.7Nb-3Al-0.2Si 主要用于后整流罩[1]。B787 飞机除了吊挂、起落架结构等传统部位使用钛合金外,由于B787 飞机复合材料用量的大幅度增加,以及钛合金和复合材料相容性好的特点,钛合金在某些部位也取代了铝合金,使B787 飞机上的钛用量达到了15%。

空中客车飞机的钛合金用量比较稳定,比钢的用量低,但随着复合材料用量的逐渐增加,钢的用量减少,而钛合金的用量逐渐增加。例如空中客车复合材料的用量从第三代客机A320 的5.5% 增至第四代客机A340 的8%,相应的钛用量从4.5% 增至6%,A380 客机的复合材料用量达到25%,钛合金用量增至10%。除波音787 外,A350 是目前应用复合材料最多的机型,用量约为52%,相应钛合金的用量也增加到14%。A350 客机使用钛合金的主要部位包括发动机悬架、舱门、机翼结构、座椅导轨、起落架、和辅助动力舱的隔热屏等。

C 系列飞机钛合金的用量达到了8%。中机身后梁框和尾锥对接框采用了与符合材料相容性好的Ti-6Al-4V,APU 防火墙采用了纯钛薄板,考虑强度、刚度和耐冲击性,舱门挡块和一些重要的接头等普遍选用了钛合金材料。

我国一些飞机机体结构中的钛合金用量也在不断提高,商用客机ARJ21 的钛合金用量为4.8%,而C919 客机用钛量已达到9.3%,和波音777 相比略高,波音777 为8%。C919飞机上应用的钛合金有CP-3、Ti-6Al-4V 和Ti-55531等,主要部位有机头、吊挂、尾翼、外翼和中央翼盒等。

钛合金管

2、钛合金产品近净成型工艺特点及应用

由于钛合金热导率低,机加工时产生的热量不易散失,引起刀具温度升高,粘刀,刀具磨损严重导致零件加工效率低,产品交付周期较长等缺点,使钛合金在航空领域的应用受到限制。因此,近净成型技术是钛合金产品未来的发展趋势。近净成型工艺包括等温锻造(固态成型)、熔模精密铸造(液态成型)和粉末激光成型。

2.1 熔模精密铸造

熔模精密铸造同其他铸造方法和零件成形方法相比较,具有以下基本特点:①铸件尺寸精确、表面粗糙度低;②能够铸造形状复杂的铸件;③可以提高金属材料的利用率,并 且生产灵活性高、适应性强。B777 客机的发动机后安装框架采用钛合金精铸件,这是首次在民机上获得成功应用。由于客机在安全可靠性方面要求高,因此,具有重要意义。英 国Doncasters 公司采用离心熔模精铸技术制成的钛合金刹车扭力管用于A380 客机,这是欧洲首次采用钛合金刹车扭力管精铸件取代以往的锻件[3,4]。

2.2 等温锻造

等温锻造与常规锻造相比的优点是①能够密切控制锻件尺寸,可锻出形状复杂精度高的锻件,并节省原料,减少机加工,降低成本;②锻造载荷小,所需成型设备吨位小;③产品 具有均匀一致的微观组织,粗晶粒较少,机械性能较好。等温锻造工艺将成为国内外钛合金锻件生产工艺的重要发展方向。

目前,采用等温锻造的钛合金锻件产品已应用于民用飞机和发动机,近β 高强高韧钛合金Ti1023 用于波音777 飞机的起落架部件中,使得波音777 飞机上的钛用量几乎翻了一番,每架飞机减重近270kg。A380 使用Ti1023 合金大型锻件作为主起落架的传动装置。在飞机发动机中,钛合金锻件也是不可或缺的材料,典型的使用部位有风扇叶片、盘件和压气机叶片。

2.3 粉末激光成型

钛合金粉末激光成型技术是一种基于“高功率激光熔覆”+“快速原型制造”技术。采用高能激光束熔化钛合金粉末,熔化的钛合金粉末以微小液滴的形式在基材上凝固,通过计 算机控制的激光头往复运动,逐层堆积,获得所需零件外形。钛合金粉末激光成型技术的优点是:①成型过程不需要模具;②无需大型锻造设备,前期投入少。③毛坯的后续加工量小,提高材料利用率。该技术有助于推动飞机结构件向整体化发展,减少连接件数量,缩短装配时间,可达到增效减重、降低成本的双重效果。适用于制造大型、曲面复杂、装配要求高的结构件,目前,该技术已成功用于C919 的机头天窗骨架。

钛合金板

3、我国航空用钛合金的发展趋势

民用飞机的选材原则侧重于经济性和安全性。迄今为止民用飞机上钛的用量均小于15%。有些零部件选用钛合金后即使可以减轻结构重量,但在综合考虑经济性时就可能不再选用,而采用铝合金替代。因此,我国航空界和材料界应充分重视相关钛合金材料及其热工艺的研究开发和应用工作,不断提高使用性能,降低生产成本,以满足民用飞机发展的需求。

3.1 研究高性能航空钛合金材料

尽管钛合金有良好的综合性能,但现有钛合金的强度仍不能完全满足航空领域的应用,其强韧性仍不如超高强韧合金钢,因此,需要继续研制抗拉强度高并且韧性良好的高强 钛合金。

3.2 扩大航空钛合金精密铸件的应用范围

钛合金锻件相比,钛合金精密铸件能够大大降低产品的生产成本和生产周期,并可批量生产。我国钛合金精密铸造技术近年来发展较快,已广泛应用于航天和军工等领域,但由于航空钛合金铸件内部质量和表面质量要求很高,关键航空部件还很难采用钛合金铸件,并且目前我国的钛合金铸件的成品率还不是很高,因此,我国航空钛合金精密铸造技术需要提升。

3.3 研制低成本航空钛合金

目前,钛合金作为飞机结构材料,从20 世纪60 年代开始应用以来,由于其具有良好的综合力学性能,并且能够减轻零件本身的重量,至今备受航空领域的青睐,但因钛合金 中含有昂贵的Nb、Mo 和V 元素,导致原材料成本较高,因此,低成本航空钛合金受到极大的关注,用便宜的Fe 元素替代昂贵的Nb、Mo 和V 等元素[4],在保证强度和韧性均满 足材料的性能要求时,降低钛合金原材料的成本。

参考文献

【1】黄张洪,曲恒磊等. 航空用钛及钛合金的发展及应用[J]. 材料导报,2011,25(1):102-107

【2】李重河, 朱明等. 钛合金在飞机上的应用[J]. 稀有金属,2009,33(1):84-91

【3】杨建. 钛合金在飞机上的应用[J]. 航空制造技术,2006(11):41-43

【4】朱知涛,商国强,王新南等. 低成本高性能钛合金研究进展[J]. 钛工业进展,2012,29(6):1-5

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