鈦金屬具有的強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕性優(yōu)、生物相容等優(yōu)點(diǎn),得到國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)行業(yè)的廣泛而重要的應(yīng)用。鈦金屬的重要性僅次于鐵和鋁,被人們稱為“第三金屬”“海洋金屬”“宇航金屬”及生物材料等。1781年1月6日,英國牧師兼化學(xué)家威廉·格雷戈?duì)栐诜治鰪挠⒏裉m西部密那漢采來的黑色磁性砂時(shí),發(fā)現(xiàn)了一種跟鐵類似的新金屬元素,并以“密那漢”命名。1795年,德國化學(xué)家馬丁·海因里希·克拉普洛特也發(fā)現(xiàn)了這種新元素的氧化物,命名為“泰坦”,同時(shí),克拉普洛特確認(rèn)了格里戈?duì)査l(fā)現(xiàn)的新元素“密那漢”就是鈦[1]。從發(fā)現(xiàn)鈦元素到實(shí)驗(yàn)室中制出鈦金屬用了120年,從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)生產(chǎn)又經(jīng)歷了40年。
中國在1955年研制出海綿鈦樣品,在1956年鈦被當(dāng)作戰(zhàn)略金屬寫入中國的發(fā)展規(guī)劃。隨著1970年9月17日中國生產(chǎn)出第一爐海綿鈦的歷史時(shí)刻到來,其向全世界宣布:中國是繼美國、前蘇聯(lián)和日本之后的第四個(gè)具有完整鈦工業(yè)體系的國家[2]。進(jìn)入新世紀(jì)以來,鈦金屬在全球范圍內(nèi)得到快速的發(fā)展,在中國的發(fā)展更為迅猛,鈦的年產(chǎn)量及銷售量躋身到世界第一的位置,引領(lǐng)鈦金屬前沿的科學(xué)技術(shù)和應(yīng)用研究。
1、鈦金屬的主要性能及在交通領(lǐng)域的用量
鈦金屬“泰坦”誕生就具有“神”一樣的能力,在物理性能方面主要表現(xiàn)在密度小(4.51g/cm3)、熔點(diǎn)高(1668℃)、熱導(dǎo)率低(僅為鐵的1/5、鋁的1/10)、線膨脹系數(shù)小等優(yōu)異的性能。特別是在力學(xué)性能方面,其展現(xiàn)出高強(qiáng)度、高比強(qiáng)度(強(qiáng)度與密度之比)、強(qiáng)韌性、高疲勞性等,成為現(xiàn)代交通領(lǐng)域的“先進(jìn)新材料”[3]。鈦合金的比強(qiáng)度高、抗疲勞性能好使其成為宇航領(lǐng)域的核心材料,其用在飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)上可大幅度降低飛機(jī)的重量,用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比,延長發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。而將鈦用在飛機(jī)起落架系統(tǒng)中,可增強(qiáng)起落架的強(qiáng)度和抗腐蝕性能,使飛機(jī)能承受起降時(shí)的巨大沖擊,保障飛機(jī)的安全。在為“降低飛行器一克重量”而努力的航天領(lǐng)域,則將鈦合金比強(qiáng)度高的性能發(fā)揮到極致。此外,鈦金屬在海水中腐蝕速率<1μm/年,且在海水中不發(fā)生應(yīng)力腐蝕,故鈦合金成了潛艇、海洋探測(cè)器等海洋裝備的核心材料。
從鈦金屬的誕生一直相伴的是其應(yīng)用的開發(fā)研究。在現(xiàn)代交通運(yùn)輸領(lǐng)域中,航天航空、海洋船舶是主要的用鈦大戶。各個(gè)國家有產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不同,其在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的用鈦方向有一定的差異。美國是傳統(tǒng)的航空航天大國,特別是在航空領(lǐng)域性能先進(jìn)的軍機(jī)和民機(jī),長時(shí)間處于世界領(lǐng)先地位,且在該領(lǐng)域鈦金屬的用量占比也處于領(lǐng)先地位。前蘇聯(lián)在船舶用鈦金屬方面,處于世界領(lǐng)先地位,建立了系統(tǒng)的船舶用鈦體系,制造出全鈦潛艇。日本在航空、船舶領(lǐng)域的用鈦量與其他國家相比較低,但在現(xiàn)代交通領(lǐng)域有著穩(wěn)定的用量,在汽車領(lǐng)域的用鈦量處于世界領(lǐng)先地位。日本在2015~2017年間,汽車領(lǐng)域的用鈦量逐年增加,最高的2017年達(dá)到637t,如表1所示[4-5]。
表 1 日本 2015~2017 年在航空、汽車、船舶領(lǐng)域的用鈦量 [4-5]
| 年份 | 總量 /t | 航空領(lǐng)域 | 汽車領(lǐng)域 | 船舶領(lǐng)域 | |||
| 用量 /t | 占比 / % | 用量 /t | 占比 / % | 用量 /t | 占比 / % | ||
| 2015 | 5400 | 615 | 11.39 | 311 | 5.76 | 67 | 1.24 |
| 2016 | 5288 | 600 | 11.34 | 550 | 10.4 | 72 | 1.36 |
| 2017 | 6339 | 918 | 14.48 | 637 | 10.05 | 45 | 0.71 |
在中國現(xiàn)代交通領(lǐng)域中,航空航天的用鈦量一直在持續(xù)增加。如表2所示,從2003年到2023年的21年間,航空航天領(lǐng)域用鈦量不斷增加,到2023年其用鈦量占鈦金屬總量的20%,也可以說是航空航天的發(fā)展加速了中國鈦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。在海洋船舶領(lǐng)域,2003~2014年隨著中國發(fā)展海洋工業(yè),在海洋船舶行業(yè)中掀起了強(qiáng)勁的用鈦高潮,但由于中國前期在海洋船舶領(lǐng)域鈦應(yīng)用的基本數(shù)據(jù)積累和基礎(chǔ)研究成果較少,用鈦處于初級(jí)階段,前期的用量較少,鈦金屬用量增加緩慢。2015年是一個(gè)里程碑的節(jié)點(diǎn),船舶和海洋用鈦量突破了1000t,之后均呈快速增長的趨勢(shì),2024年達(dá)到了5000t[5-27]。
表 2 中國 2003~2023 年在航空、海洋、船舶等領(lǐng)域的用鈦量 [5-27]
| 年份 | 航空航天領(lǐng)域用鈦量 /t | 船舶領(lǐng)域用鈦量 /t | 海洋領(lǐng)域用鈦量 /t | 總量 /t |
| 2003 | 680.8 | 57.8 | 10 | 26159.8 |
| 2004 | 1041.6 | 212.6 | 31.8 | 10629 |
| 2005 | 1540.5 | 121.8 | 60.5 | 10135.4 |
| 2006 | 1338.8 | 294 | 87 | 23640 |
| 2007 | 4061 | 197 | 374 | 23640 |
| 2008 | 3576 | 934.5 | 1086 | 27736.6 |
| 2009 | 2518.8 | 836.1 | 622 | 24965 |
| 2010 | 3603 | 625 | 766 | 37054 |
| 2011 | 4099 | 740 | 1333 | 49392 |
| 2012 | 4261 | 1279 | 1343 | 50331 |
| 2013 | 4666 | 352 | 880 | 41269 |
| 2014 | 4861 | 881 | 807 | 44468 |
| 2015 | 6862 | 1279 | 1041 | 43717 |
| 2016 | 8519 | 1296 | 1512 | 44156 |
| 2017 | 8986 | 2452 | 2145 | 55130 |
| 2018 | 10295 | 1481 | 2253 | 57441 |
| 2019 | 12600 | 1755 | 3162 | 68850 |
| 2020 | 17228 | 2743 | 3240 | 47513 |
| 2021 | 22450 | 3710 | 3704 | 124461 |
| 2022 | 32798 | 4855 | 3457 | 145404 |
| 2023 | 29377 | 4855 | 2323 | 148439 |
中國鈦金屬在高鐵、汽車等交通領(lǐng)域的應(yīng)用處于前期的開發(fā)階段,使用量較少,但研究工作開展得如火如荼,這可能也是實(shí)現(xiàn)大量鈦金屬應(yīng)用的前奏期。鈦金屬在交通領(lǐng)域中的應(yīng)用主要涉及航空、船舶和汽車等方面,且各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展情況不盡相同,本文主要對(duì)鈦在航空領(lǐng)域方面的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。
2、鈦金屬在航空領(lǐng)域的應(yīng)用
鈦金屬的高比強(qiáng)、耐高低溫、耐腐蝕、無磁等優(yōu)異的性能使之成為當(dāng)之無愧“宇航材料”,其主要優(yōu)勢(shì)是減重效果明顯,耐熱耐高溫性能優(yōu)良,高溫環(huán)境服役穩(wěn)定可靠,且與復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度匹配性能好,并具有優(yōu)異的抗腐蝕、抗疲勞性能,可以顯著延長結(jié)構(gòu)件的使用壽命等[28]。例如在飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部位使用鈦合金,能夠在不降低結(jié)構(gòu)性能的前提下,顯著降低飛機(jī)的整體重量。鈦金屬優(yōu)良的耐高溫性能可在保證材料在高溫環(huán)境下具有較好的力學(xué)性能,可以承受航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的高溫及壓氣機(jī)葉片葉盤的高溫高壓,不僅提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率,而且延長了發(fā)動(dòng)機(jī)的服役壽命。并且,鈦金屬在低溫環(huán)境下仍能具有較高的強(qiáng)度和韌性,能夠保障飛機(jī)在高空的低溫環(huán)境下飛行安全可靠,特別是飛行高度更高的軍用飛機(jī),材料的耐低溫性能尤其重要。此外,鈦金屬的無磁性能能夠屏蔽磁場(chǎng),減少電磁波對(duì)飛機(jī)電子設(shè)備和儀器的干擾,提高電子設(shè)備的可靠性和檢測(cè)精度。
2.1 在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用
基于鈦合金的優(yōu)異性能,美國早在20世紀(jì)50年代就在航空飛機(jī)中使用鈦合金制造機(jī)身隔熱板、導(dǎo)風(fēng)罩、機(jī)尾罩等關(guān)鍵部件。到20世紀(jì)60年代,則將鈦合金用于飛機(jī)機(jī)身中的隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構(gòu)件的制造上。隨著鈦合金在飛機(jī)上大量使用,人們充分認(rèn)識(shí)到使用鈦金屬在飛機(jī)性能提升方面的優(yōu)勢(shì),形成了“越是先進(jìn)的飛機(jī),鈦用量越大”的觀念。如1970年服役的C-5飛機(jī)鈦合金用量破紀(jì)錄的達(dá)到飛機(jī)重量的6%,后來設(shè)計(jì)的C-17大型運(yùn)輸機(jī)達(dá)到了10.3%,更先進(jìn)的第4代戰(zhàn)斗機(jī)F22的用鈦量高達(dá)42%。表3為美國各種飛機(jī)使用鈦合金的比例[29]。
表 3 美國各類型號(hào)飛機(jī)用鈦金屬的比例 [29]
| 機(jī)型 | 設(shè)計(jì)年份 | 鈦合金比例 /% | 復(fù)合材料比例 /% | 鋁合金比例 /% | 鋼比例 /% |
| F-14 | 1969 | 24 | 1 | 39 | 17 |
| F-15 | 1972 | 27 | 2 | 36 | 6 |
| F-16 | 1976 | 3 | 2 | 64 | 3 |
| F-18 | 1978 | 13 | 10 | 49 | 17 |
| AV-8B | 1982 | 9 | 26 | 44 | 8 |
| F-117A | 1983 | 25 | 40 | 20 | 5 |
| B-1 | 1984 | 22 | 1 | 41 | 15 |
| C-17 | 1986 | 9 | 7 | 77 | 13 |
| B-2 | 1988 | 26 | 38 | 19 | 6 |
| F-22 | 1989 | 42 | 24 | 20 | 5 |
截至目前,世界唯一款全鈦飛機(jī)SR-71(黑鳥)是由美國洛克希德公司研制的M3高空高速戰(zhàn)略偵察機(jī),從1963年2月開始研制,1964年12月試飛,1966年1月交付使用。為了提高高空性能,氣動(dòng)外形采用三角翼和雙垂翼,發(fā)動(dòng)機(jī)布置在機(jī)翼上。其鈦合金使用量高達(dá)93%,飛行馬赫數(shù)為3.0,飛行的高度達(dá)到26200m。圖1為SR-71黑鳥的照片[30]。

在軍機(jī)方面,中國的航空業(yè)發(fā)展較晚,從仿制蘇式飛機(jī)開始,到自行設(shè)計(jì)走過了漫長的歲月,在軍機(jī)鈦金屬應(yīng)用方面也走出了一條自己的路線。20世紀(jì)60年代服役的J-7飛機(jī)鈦零件的用量僅為9kg(如表4所示),20世紀(jì)80年代服役的J-8Ⅱ飛機(jī)鈦零件的用量就達(dá)到了93kg,而性能先進(jìn)的J-10和J-20分別達(dá)到了11%和20%,Y-20大型運(yùn)輸機(jī)的用鈦金屬材料更多,超過了20t[31]。中國軍用飛機(jī)用鈦金屬的比例如表4所示。
表 4 中國軍用飛機(jī)用鈦金屬的比例 [31]
| 型號(hào) | 首飛時(shí)間 / 年 | 鈦合金用量比例 /% |
| J-7 | 1966 | <2% (9 kg) |
| J-8 | 1969 | 2 |
| J-10 | 1998 | 11 |
| J-20 | 2011 | 20 |
| Y-20 | 2013 | 10 |
| J-31 | 2012 | 25 |
在民航飛機(jī)方面,美國的大型寬體客機(jī)從B777開始,后續(xù)的寬體客機(jī)也開始大量使用鈦金屬,如表5所示。從表5可以看出,空中“巨無霸”A380飛機(jī)的鈦用量達(dá)到飛機(jī)總重量的10%。中國設(shè)計(jì)的C909和C919繼承了先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念,鈦合金的用量處于先進(jìn)行列。
表 5 民航飛機(jī)用鈦金屬的比例 [32]
| 型號(hào) | 開始服役時(shí)間 / 年 | 鈦合金用量比例 /% |
| B777 | 1995 | 8 |
| B787 | 2011 | 11 |
| A320 | 1988 | 4.5 |
| A340 | 1993 | 6 |
| A350 | 2015 | 9 |
| A380 | 2011 | 10 |
| C909 | 2015 | 4.8 |
| C919 | 2023 | 9.3 |
A380飛機(jī)上有9個(gè)構(gòu)件中使用了鈦合金(如圖2所示),鈦合金的用量占總重量的10%,單機(jī)用鈦合金約65t。中國自主設(shè)計(jì)制造的C919客機(jī)也在發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛、尾翼、外翼、中央翼、機(jī)頭等采用了自主研發(fā)和生產(chǎn)的高性能Ti6Al4V和Ti-55531鈦合金,其重量也達(dá)到了總重量的10%。

2.2 在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用
隨著航空工業(yè)向著飛行高度更高,速度更快的方向發(fā)展,對(duì)飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)提出了大推力的要求,如發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比從6提高到10,壓氣機(jī)出口的溫度也要從300℃增加到600℃。早期使用的鋁合金低壓壓氣機(jī)盤和葉片就無法滿足更高的出口溫度的要求,必須使用耐溫性能好的鈦合金材料制造高壓壓氣機(jī)盤和葉片等部件。早期的發(fā)動(dòng)機(jī)推力較小,鈦合金的用量僅占發(fā)動(dòng)機(jī)材料的2%,到推力更大的TF89發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí),鈦合金的占比達(dá)到32%。因此,人們經(jīng)常用發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦量的多少衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能的先進(jìn)程度。表6是各種發(fā)動(dòng)機(jī)上使用鈦合計(jì)的占比,可以發(fā)現(xiàn)先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金用量占比不斷提升,飛機(jī)的綜合性能大幅提高。其中,波音B707-120飛機(jī)搭載著4臺(tái)JT-3C發(fā)動(dòng)機(jī),巡航速度為965km/h,搭載137名左右乘客,最大航程約為6700km。而同樣采用4臺(tái)推力更大JT-9D發(fā)動(dòng)機(jī)的波音B747飛機(jī),巡航速度為900~960km/h,搭載400~600名乘客,最大航程超過14000km。
表 6 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上使用鈦合金的占比 [32]
| 發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào) | 裝備的飛機(jī)型號(hào) | 鈦的重量占比 /% |
| J37 | B52、F100、F102 | 2 |
| 埃汶 | 彗星 - 4 | 3 |
| 斯貝 512 | 三叉戟 | 4 |
| JT-3C | DC-8、B707-120 | 6 |
| J93 | XB-70 | 7 |
| RB-211 | L-1011 | 20 |
| JT-9D | B747 | 25 |
| M53 | 幻影 F1、C8 | 30 |
| TF89 | C5A | 32 |
| F119 | F22 | 39 |
| GE90 | B777 | 40 |
| Trent 900 | A380 | 41 |
RollS-Royce公司在設(shè)計(jì)先進(jìn)性能飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)就是基于提高推重比的考量,在低溫段的風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)等使用了大量的高性能鈦合金(如圖3所示),鈦金屬材料的占比達(dá)到30%以上。中國2002年設(shè)計(jì)定型的昆侖渦輪發(fā)動(dòng)機(jī),鈦用量提高至15%。中國第1臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)鈦用量達(dá)到25%,彰顯著中國飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)入了世界先進(jìn)行列。

2.3 在航空伺服液壓作動(dòng)器上的應(yīng)用
航空作動(dòng)器系統(tǒng)是指航空器上從控制指令發(fā)生到執(zhí)行指令,實(shí)現(xiàn)一定的功率輸出或驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)的整套獨(dú)立系統(tǒng)。圖4是現(xiàn)有飛機(jī)上使用液壓作動(dòng)器的圖片,其中圖4(a)、(b)分別是發(fā)動(dòng)機(jī)矢量噴管控制的示意圖和照片;圖4(c)、(d)、(e)分別是三種飛機(jī)液壓起落架照片;圖4(f)是液壓控制的飛機(jī)減速板照片。

從物理架構(gòu)層面來看,航空作動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)包含操作裝置、控制器、傳動(dòng)裝置、執(zhí)行裝置(航空作動(dòng)器)和各種傳感器等。在航空領(lǐng)域,作動(dòng)系統(tǒng)典型應(yīng)用領(lǐng)域如圖5所示[33]。從圖5可以認(rèn)識(shí)到航空作動(dòng)系統(tǒng)是飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制的關(guān)鍵系統(tǒng),在飛行控制系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、進(jìn)氣道控制系統(tǒng)、反推力控制系統(tǒng)、矢量推力控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)等7個(gè)系統(tǒng)中的27套部件上均使用著液壓作動(dòng)器。空客A320飛機(jī)上僅飛行控制、起落架、剎車系統(tǒng)的作動(dòng)器至少就有37件(套)。如果將這些鋼制的作動(dòng)器換成比強(qiáng)度高的鈦合金作動(dòng)器,就可以實(shí)現(xiàn)減重40%以上。從目前應(yīng)用現(xiàn)狀來看,已經(jīng)出現(xiàn)了用高溫鈦合金制造的飛機(jī)作動(dòng)筒,但鈦合金在航空伺服液壓作動(dòng)器上大量使用還需要一定的時(shí)間,仍要攻克一系列技術(shù)難題,如鈦合金高壓油管接頭的加工成形技術(shù)等。

飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)是為駕駛員操縱控制各操縱面(升降舵、方向舵、副翼等)的活動(dòng)提供動(dòng)力的,這是因?yàn)榇笮惋w機(jī)上僅一對(duì)副翼的重量可達(dá)1噸以上,要使這個(gè)龐然大物運(yùn)動(dòng)就催生了液壓助力機(jī)構(gòu)。并且,龐大的飛機(jī)只有在液壓起落架作用下才能實(shí)現(xiàn)安全起降,有了液壓動(dòng)力,飛行員可以自如、安全地控制飛機(jī)。這些液壓動(dòng)力系統(tǒng)中主要包括液壓泵、液壓缸、液壓馬達(dá)、液壓閥、液壓油箱、液壓油管及接頭等零部件,而用高強(qiáng)度鈦合金進(jìn)行替代,以減輕液壓系統(tǒng)的重量是目前飛機(jī)控制系統(tǒng)追求的目標(biāo)[33-34]。第六代戰(zhàn)斗機(jī)要求超音速巡航速度、超機(jī)動(dòng)能力和超長航程,因此,在發(fā)動(dòng)機(jī)提供強(qiáng)大的推力情況下,需要飛機(jī)具有靈活的控制系統(tǒng),也就是說控制飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的作動(dòng)系統(tǒng)需要有非常精準(zhǔn)的動(dòng)作。因此,制造控制靈活、輕質(zhì)的鈦合金液壓作動(dòng)器系統(tǒng)也是航空飛行器追求的方向。
但在實(shí)際實(shí)踐中存在著兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn):(1)鈦合金作為飛機(jī)控制一般的液壓作動(dòng)筒從強(qiáng)度方面和抗疲勞方面問題不大,但作為大型飛機(jī)的起落架材料,現(xiàn)有的鈦合金還無法達(dá)到鋼1860MPa的抗拉強(qiáng)度及300MPa的抗疲勞極限指標(biāo),故還需開發(fā)強(qiáng)度更高的鈦合金材料。(2)鈦合金的耐磨性能差,作動(dòng)器受力復(fù)雜,磨損嚴(yán)重,只有經(jīng)過先進(jìn)的表面處理后才能滿足作動(dòng)器的苛刻要求。西北有色金屬研究院研究人員針對(duì)這一使用環(huán)境,發(fā)明了鈦合金表面無氫滲碳技術(shù),攻克了鈦合金作動(dòng)筒與活塞桿的摩擦失效難題,并且,表面改性層降低了摩擦副的摩擦系數(shù)[35-42],使作動(dòng)筒的動(dòng)作更加靈活,用該技術(shù)處理的鈦合金作動(dòng)筒成功地用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)矢量噴管的控制作動(dòng)筒上[34,43]。
3、鈦金屬在航空領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)
鈦合金在航空領(lǐng)域的應(yīng)用從大的方面講主要是飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)液壓系統(tǒng)。如前文所述,在飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)方面主要是飛機(jī)機(jī)身框架、蒙皮、窗戶框架、艙門、機(jī)翼結(jié)構(gòu)等。在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)方面主要是壓氣機(jī)葉片、葉盤、機(jī)匣,發(fā)動(dòng)機(jī)扇葉片及鈦合金保護(hù)罩等。而在飛機(jī)液壓方面主要是儲(chǔ)能器、作動(dòng)筒、輸油管及泵閥等。針對(duì)這樣不同的使用場(chǎng)景,對(duì)鈦合金的要求也不相同,研究方向也不相同,但對(duì)鈦合金材料需求的發(fā)展方向趨于一致,主要體現(xiàn)在高性能化、低成本化、制造精密化三個(gè)方面。
3.1 高性能化
鈦金屬的高性能化主要體現(xiàn)在:(1)抗高溫性能方面:為滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫環(huán)境下的工作需求,研發(fā)可穩(wěn)定應(yīng)用于600℃以上的高溫鈦合金是重要方向。如通過調(diào)整β平衡元素含量,提升鈦合金高熱抗拉強(qiáng)度;加入稀土金屬,增強(qiáng)鈦合金熱穩(wěn)定性;研發(fā)表面處理及合金化技術(shù),提高合金表層抗氧化性能等。(2)高強(qiáng)韌化方面:研制抗拉強(qiáng)度高且韌性良好的高強(qiáng)鈦合金,以滿足航空宇航設(shè)備結(jié)構(gòu)件在承受更高載荷時(shí)的應(yīng)用需求。持續(xù)研究以TC21為代表的α/β鈦合金,以及以Ti-5553為代表的β鈦合金等高強(qiáng)韌鈦合金,不斷深化應(yīng)用。(3)綜合性能優(yōu)化方面:針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的服役需求,研制綜合性能突出的鈦合金,如具有良好低溫性能的低溫鈦合金,具有阻燃性能的阻燃鈦合金等。深入研究高空、遠(yuǎn)程、低空等空域中飛機(jī)對(duì)材料的要求,細(xì)化服役條件,明確技術(shù)性能指標(biāo)。
3.2 低成本化
在合金成分優(yōu)化方面:用價(jià)格相對(duì)便宜的Fe元素等低成本金屬元素替代昂貴的Nb、Mo、V等元素,在保證材料性能要求的前提下,降低鈦合金原材料成本。在鈦合金低成本加工方面:研究創(chuàng)新性的短流程等材料加工技術(shù)、表面改性技術(shù)和鈦合金零件的低成本成形技術(shù),如低成本的等溫鍛造技術(shù)、近凈成型技術(shù)和3D打印技術(shù)等。
3.3 制造精密化
將數(shù)字制造與模擬技術(shù)相結(jié)合,借助數(shù)字加工手段,對(duì)鈦合金的加工過程進(jìn)行精確控制和優(yōu)化,研究鈦合金材料在加工過程中的流動(dòng)、應(yīng)力分布及表面狀態(tài)變化等,降低加工缺陷,提高制造質(zhì)量和效率,降低高精度零件的制造成本。
4、結(jié)束語
鈦合金在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用起步較早,但規(guī)模化應(yīng)用的帷幕剛剛開啟,通過深入研究鈦合金的服役要求,優(yōu)化鈦合金材料的加工過程,提高鈦合金零件的制造水平,并不斷地通過技術(shù)創(chuàng)新降低鈦合金零件的使用成本。同時(shí),隨著中國C919、C929等大型客機(jī)和五代機(jī)、六代機(jī)等先進(jìn)軍機(jī)以及大推力航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)鈦合金需求的發(fā)展,中國在航空領(lǐng)域每年使用鈦合金的重量達(dá)到20萬t的目標(biāo)可能很快就可以實(shí)現(xiàn)。
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(注,原文標(biāo)題:鈦金屬在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì):航空篇_周廉)
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