钛及钛合金的性能特点及其在航空航天领域的应用

1、钛及钛合金性能特点

钛属于轻金属材料，密度约为4.5g/cm³，焰点为1668°C。比强度高、耐热性好，耐腐烛性能优异。钛有两种同素异构体，在低温下，纯钛结晶成接近理想状态的密排六方结构（HCP)，称为α钛，在高温下体心立方结构（BCC)的钱比较稳定,称为β钛。加入一些合金元素使之合金化，可以改变相的稳定存在旳温度范围，根据对β转变温度的影响，钛的合金化元素可分为α相稳定元素和β相稳定元素。α相稳定元素将α相区忙扩展到更高的温度，主要有A1、O、Zr、Sn等；β相稳定元素使β相区向较低的温度移动，主要是Mo、Fe、Cr、Mn、V等。

根据组织结构的不同，钛合金通常划分为α型、α+β型和β型三类，每个国家对钛合金的编号各不相同，我国标准规定TA代表α钛合金，TB代表β钛合金，TC代表α+β钛合金。钛合金的主要性能特点如下：

(1)钛合金具有高比强度钛合金的密度相对较小纯钛的密度为4.5g/cm³，仅为钛、镍以及铜金属密度的50%左右；但是钛合金具有很高的强度，屈服强度可达l000MPa，某些高强度钛合金的强度甚至超过了许多合金结构钢的强度，因而就比强度（强度与密度比）而言，钛合金优于其他金属；可用于制造单位强度高、刚性好、质轻的零部件；

(2)高、低温性能好钛合金材料热稳定性好，高温强度高，在300~500℃温度下，其强度约比铝合金高10倍，TC11长期使用温度最高可达500℃，Ti-6246合金长期使用温度最高为450℃；在低温和超低温下，仍能保持良好的韧性，钛合金也被用于制作低温液体储存箱；

(3)耐腐蚀能力好，钛及钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作其耐腐烛性能远优于铝合金、不绣钢，对点蚀、酸蚀、应力腐蚀，具有很强的抵抗力；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐烛能力；

(4)钛合金的化学活性大，与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应；含碳量超过0.2%时，钛合金中的Ti元素与C元素会在表层中形成硬质TiC;当温度较高时，Ti元素与N元素作用也会形成TiN硬质层；在600°C以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬脆层TiO和TiO2;氧含量上升，也会形成脆化层。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象；

(5)导热系数和弹性模量都比较小钛合金的导热系数只有Fe的1/4，Cu的1/7，A1的1/14;钛合金的弹性模量约为115GPa,约为钢的1/2，所以刚性差、易变形；

(6)与复合材料结构匹配不易产生电偶腐烛，由于二者电位比较接近，不易产生电偶腐烛，并且鈦合金与复合材料的强度、刚度匹配较好，随着先进飞机上复合材料的大量使用，钛合金被广泛用于制造与复合材料相接触部位的结构件和紧固件。

2、钛合金在航空航天领域的应用

钛合金利用其优异的综合力学性能、低密度以及良好的耐烛性是航空航天工业最主要的消费材料。2011年，全球钛材产量达到14.8万吨，其中商用航空用钛材约6.4万吨，消费比例达到42.6%，军用航空钛材比例为6.5%，整个航空领域消耗钛材比例接近50%;早在二十世纪中叶，美国就巳将钛材用于飞机制造，美国航空工业是钛材的主要应用市场，约占钱材总消费量的80%。因此美国航空业的发展状况已成为钛工业发展的风向标。由国际钛协会之前公布的一组数据，表明目前飞机用钛合金的实际情况：

(1)波音客机：用钱合金量占其总重的15%~17%(净重）；

(2)F15战斗机：结构用钛合金5.75吨，2台喷气发动机用钛合金5吨；

(3)F22战斗机：结构用钛合金36吨，2台发动机用钬合金5吨；

(4)F35战斗机：结构用钛合金10吨，弟台发动机用钛合金5吨；

(5)F18舰载机：用钛合金量占其总重的12~13%;

(6)C-17大型运输机：用钛合金量占其总重的10%。

用钛合金制造飞机零部件，不仅可以延长飞机使用寿命，而且可以减轻其重量，降低燃料消耗，从而大大提高其飞行性能钛合金在航空工业中主要用于制造飞机结构的骨架、起落架、框梁、蒙皮和翼梁等，如图1-1(a)、(b)所示及燃气祸轮发动机压气机和风扇的盘件和叶片、压气机机梗、外涵道壳体、轴承壳体、尾喷口调节器等见图1-2(a)、(b)。

钛合金在现代航空燃气祸轮发动机中的使用越来越多，己占其重量的30%，其中压气机是钛合金使用最集中的部件，其重量占发动机钛用量的95%。

图1-3显示了在现代大型商用飞机A330/340中钦合金在机架和发动机材料中所占的比例。由图可以看出其机身几乎2/3釆用招合金制造，钛合金和钢的结构质量均占7%，然而钛合金是继镍基超合金后的第二大喷气式发动机常用材料占结构质量的1/3以上。多种资料和数据表明，飞机发动机用钛合金取代钢材料，可减轻发动机结构重量的30%~40%，常用的大尺寸祸轮风扇叶片用钛合金有： Ti-6A1-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si等，随着现代飞机对减轻结构重量、提高结构效率、改善结构可靠性、提高机体寿命、满足高温及腐蚀环境等方面性能要求的提高，钛合金材料应用水平已成为衡量飞机结构选材先进程度的重要指标，是影响飞机性能的重要方面。新型机A380钛用量占到10%左右，A350的钛用量达到14%，B787的钛用量甚至超过了无载重量的15%。随着航空工业的发展，钛合金材料的应用将越来越广泛。目前我国飞机的用钛量达到15%左右，与国外先进水平相比仍有一定的差距。