鈦與航空有著不解之緣。1953年,在美國道格拉斯公司生產的DC-T機發動機吊艙和防火壁上首次使用鈦材,從而揭開了鈦航空應用的歷史。從那時以來,鈦在航空上已應用了半個多世紀。鈦能在航空上廣泛應用是由于它有適于飛機應用的許多寶貴特性。今天我們就來講講航空材料為什么必須要用鈦合金。
1948年美國杜邦公司才用鎂法成噸生產海綿鈦——這標志著海綿鈦即鈦工業化生產的開始。而鈦合金因具有比強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領域。
鈦在地殼中含量較豐富,含量排第九位,遠高于銅、鋅、錫等常見金屬。鈦廣泛存在于許多巖石中,特別是砂石和粘土中。
02鈦的特性強度高:是鋁合金的1.3倍,鎂合金的1.6倍,不銹鋼的3.5倍,金屬材料中的冠軍。
熱強度高:使用溫度比鋁合金高幾百度,可在450~500℃的溫度下長期工作。
抗蝕性好:耐酸、耐堿、耐大氣腐蝕,對點蝕、應力腐蝕的抵抗力特別強。
低溫性能好:間隙元素極低的鈦合金TA7,在-253℃下還能保持一定的塑性。
化學活性大:高溫時化學活性很高,輕易與空氣中的氫、氧等氣體雜質發生化學反應,生成硬化層。
導熱系數小、彈性模量?。簩嵯禂导s為鎳的1/4,鐵的1/5,鋁的1/14,而各種鈦合金的導熱系數比鈦的導熱系數約下降50%。鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2。
03鈦合金的分類及用途鈦合金按用途可分為:耐熱合金、高強合金、耐蝕合金(鈦-鉬,鈦-鈀合金等)、低溫合金以及特殊功能合金(鈦-鐵貯氫材料和鈦-鎳記憶合金)等。
盡管鈦及其合金應用的歷史不長,但由于它那超眾的性能,已經獲得了多個光榮稱號。首先榮獲的稱號就是“空間金屬”。它重量輕、強度大又耐高溫,特別適于制造飛機和各種航天器。目前世界上生產的鈦及鈦合金,大約有四分之三都用于航空航天工業。許多原來用鋁合金的部件,都改用了鈦合金。
04鈦合金的航空應用鈦合金主要用于飛機及發動機的制造材料,如鍛造鈦風扇、壓氣機盤和葉片、發動機罩、排氣裝置等零件以及飛機的大梁隔框等結構框架件。航天器主要利用鈦合金的高比強度,耐腐蝕和耐低溫性能來制造各種壓力容器、燃料貯箱、緊固件、儀器綁帶、構架和火箭殼體。人造地球衛星、登月艙、載人飛船和航天飛機也都使用鈦合金板材焊接件。
1950年美國首次在F-84戰斗轟炸機上用作后機身隔熱板、導風罩、機尾罩等非承力構件。60年代開始鈦合金的使用部位從后機身移向中機身、部分地代替結構鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構件。70年代起,民用機開始大量使用鈦合金,如波音747客機用鈦量達3640公斤以上占機重28%。隨著加工工藝技術的發展,在火箭、人造衛星和宇宙飛船上,也用了大量的鈦合金。
飛機越先進,使用的鈦越多。美國F—14A戰斗機使用的鈦合金,約占機重的25%;F—15A戰斗機為25.8%;美國第四代戰斗機用鈦量為41%,其F119發動機用鈦量為39%,是目前用鈦量最高的飛機。
05鈦合金在航空中被大量應用的原因現代飛機的航行最高時速已達到音速的2.7倍以上。這么快的超音速飛行,會使飛機與空氣摩擦而產生大量的熱。當飛行速度達到音速的2.2倍時,鋁合金就經受不住了。必須采用耐高溫的鈦合金。
當航空發動機的推重比從4~6提高到8~10,壓氣機出口溫度相應地從200~300℃增加到500~600℃時,原來用鋁制造的低壓壓氣機盤和葉片就必須改用鈦合金。
近年來科學家們對鈦合金性能的研究工作,不斷取得新的進展。原來由鈦、鋁、釩組成的鈦合金,最高工作溫度為550℃~600℃,而新研制的鈦化鋁(TiAl)合金,最高工作溫度已提高到1040℃。
用鈦合金代替不銹鋼制造高壓壓氣機盤和葉片,可以減輕結構重量。飛機每減輕重10%,可節省燃料4%。對火箭來說,每減輕1kg的重量,就可增加15km的射程。
06鈦合金機加工特性分析首先,鈦合金導熱系數低,僅是鋼的1/4,鋁的1/13,銅的1/25。因切削區散熱慢,不利于熱平衡,在切削加工過程中,散熱和冷卻效果很差,易于在切削區形成高溫,加工后零件變形回彈大,造成切削刀具扭矩增大、刃口磨損快,耐用度降低。
其次,鈦合金的導熱系數低,使切削熱積于切削刀附近的小面積區域內不易散發,前刀面摩擦力加大,不易排屑,切削熱不易散發,加速刀具磨損。最后,鈦合金化學活性高,在高溫下加工易與刀具材料起反應,形成溶敷、擴散,造成粘刀、燒刀、斷刀等現象。
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