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航空航天

       鈦合金在航空工業上的應用分為飛機結構鈦合金和發動機結構鈦合金。航天方面,鈦合金主要作為火箭、導彈及宇宙飛船等的結構、容器制造材料。飛機結構鈦合金使用溫度要求一般為350℃以下,要求具有高的比強度、良好的韌性、優異的抗疲勞性能、良好的焊接工藝性能等。發動機用鈦合金要求具有高的比強度、熱穩定性好、抗氧化、抗蠕變等性能。航天飛行器除航空用鈦合金的性能需求外,還要求能夠耐高溫、抗輻射等。

       飛機鈦合金結構件主要應用部位有起落架部件、框、梁、機身蒙皮、隔熱罩等。俄羅斯的伊爾-76飛機采用高強度BT22鈦合金制造起落架和承力梁等關鍵部件。波音747主起落架傳動橫梁材料為Ti-6Al-4V,鍛件長6.20米、寬0.95米,質量達1545千克。高強高韌Ti-62222S鈦合金被用在C-17飛機水平安定面轉軸關鍵部位。F-22飛機發動機所處的后機身區域及機尾隔熱罩設計為鈦合金薄壁結構,具備良好的耐溫性能。

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       航空發動機方面,鈦合金材料的應用領域有壓氣機盤、葉片、鼓筒、高壓壓氣機轉子、壓氣機機匣等。現代渦輪發動機結構重量的30%左右為采用鈦合金材料制造,鈦合金的應用降低了壓縮機葉片和風扇葉片的質量,同時還延長了零部件的壽命與檢查間隔。波音747-8GENX發動機風扇葉片的前緣與尖部,采用了鈦合金防護套,在10年的服役期內僅做過3次更換。

       航空用鈦合金鍛件需要經過鑄錠、制坯、模鍛、機加等過程,獲得所需要的材料組織和性能,往往用其來制造飛機骨架主承力構件和發動機轉子等。按照HB5024-1989,大型鍛件的外徑不小于500毫米。隨著飛機和發動機的發展,航空鍛件的質量要求越來越高、尺寸越來越大、形狀越來越復雜。飛機結構件外形復雜,材料利用率一般不超過10%。F-22飛機四個大型主承力加強框材料為Ti-6Al-4V ELI,模鍛件的投影面積為4.06~5.67平方米。近年來,我國航空鈦合金的專業化鍛造設備有了大幅度提升,現已經可以生產出5平方米級別的鈦合金整體鍛件。

       航天飛行器在超高溫、超低溫、高真空、高應力、強腐蝕等極端條件下工作,除需要高超的結構設計技術外,還依賴材料所具有的優異特性和功能。鈦合金在制造燃料儲箱、火箭發動機殼體、火箭噴嘴導管、人造衛星外殼等方面得到了典型應用。

       由于鈦合金材料優異的性能,某些航空飛行器的重點部位也采用鈦合金材料制造。如進氣道唇口是采用鈦合金材料3D打印方式制造的零件,實現了結構件與功能件的整體化設計、制造等。

       航空航天工業中常用的鈦合金緊固件主要包括鉚釘、螺栓及特種緊固件等。

       美國F-22飛機上使用的鈦合金緊固件有:高強鈦合金螺栓、環槽釘、光桿錐度高鎖螺栓、自夾持螺栓、鈦鈮鉚釘及粘接螺母。我國2014年首飛的國產商用大飛機C919,單機鈦合金緊固件用量達20萬件以上。鈦合金緊固件的開發和應用,為飛機結構的進一步減重提供了可能。波音747飛機緊固件以鈦代鋼后,其結構重量減輕1814千克。俄羅斯的伊爾-96飛機一架用14.2萬緊固件,以鈦代鋼后減重600千克。

       鈦合金具有優異的耐腐蝕性能,其正電位與碳纖維復合材料相匹配,可有效防止緊固件的電位腐蝕。Ti45Nb合金是美國航空航天工業大量應用的鉚釘材料,該材料在退火狀態具有較好的拉伸性能和剪切強度,可替代純鈦鉚釘。Ti45Nb材料還具有較高的塑性,適合于復合材料制造用連接鉚釘。

       近年來,美鋁公司開發的Timeta1555鈦合金高強螺栓,其固溶時效后抗拉強度達1300MPa以上、雙剪切強度大于745MPa,延伸率大于10%。為了緊跟國際高端鈦合金緊固件的發展趨勢,西工大超晶公司與信陽航天標準件廠聯合研發了緊固件專用TB8鈦合金棒絲材,用其制造的螺栓抗拉強度高達1280MPa。鈦合金緊固件研發是一項非常復雜和長期的工作。


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