航空航天工程用钛合金的分类与国内外应用案例

钛合金在航空航天领域的应用

航天工业是一个国家经济实力和科技水平的综合体现,是国家综合国力强大的重要标志.  高性能钛合金及钛基复合材料在航天结构材料中的应用对于降低结构重量和提高飞行器的结构效率、服役可靠性及延长寿命具有极其主要的作用,因此近些年国内外钛合金研究和生产单位研发了大量高性能钛合金新材料,具有其他金属无法比拟的高比强度、高耐腐蚀性、高耐久性等特点.钛金属材料零部件,包括合金棒材、锻件、环材、管材、板材等在东方红卫星、长征系列火箭和系列导弹等关键结构中做出了巨大贡献.展望未来,航天工业对钛材料的需求将呈高速增长态势,钛及钛合金凭借其独特而优越的性能将会在航天市场大放异彩。

1、高温钛合金

钛合金零部件

航天飞行器要求钛合金必须具有优异的耐高温性能。国际上第一个高温钛合金是美国研制的Ti-6Al-4V合金。

Ti-6Al-4V合金兼具α+β两相特征,在航天领域得到广泛应用.为最大限度发挥Al 固溶热强化作用,钛合金中还加入了Sn、Zr、Mo 和Si 等元素,相继开发了IMI679、Ti6242 以及IMI685、Ti6242S、IMI834、Ti1100、BT36 等合金。

目前,国际先进的高温钛合金主要有美国研发的Ti1100 合金(Ti-6Al-2.75Sn-4.0Zr-0.4Mo-0.45Si-0.07O2-0.02Fe), 其使用温度可达600℃,它具备较低的韧性和较大的疲劳裂纹扩展速率;英国的I MI 83 4(Ti -5.5Al-4Sn-4Zr-0.3Mo-1Nb-0.5Si-0.06C),同时具备了优异的高温蠕变性能和疲劳性能,使用温度590℃ ;俄罗斯研制的BT36(Ti-6.2Al-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-0.15Si-5W)、BT18Y(Ti-6.5Al-2.5Sn-4Zr-0.7Mo-1Nb-0.2 5 S i)、Ti633G(Ti- 6.5A l-3 S n-3 Z r-1N b - 0.3Mo - 0.3 S i- 0.2 G d)和T i 18(T i- 6 A l-2 S n - 4 Z r 4Mo -1W-0.2Si)合金,其使用温度分别为600 ℃、550 ~ 600 ℃、550 ℃ 和550 ℃.

我国研制的高温合金主要有Ti55(Ti-5.5Al-4Sn-2Zr-1Mo-0.25Si-1Nd)、Ti6 0(Ti-5.8A l-4.8 Sn-2Zr-1Mo-0.35Si-0.85Nd)和Ti600(Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.5Mo-0.4Si-1Y),其使用温度分别为550℃、600℃、600℃。

2、低温钛合金

钛合金在发动机上的应用 

一些钛和钛合金在低温和超低温下仍能保持其原有的机械性能.许多退火的钛合金在-195.5℃温度下还具有足够使用的延性和断裂韧性.含间隙元素特别低的Ti-5Al-2.5SnELI 的强度随温度的降低而提高,但塑性降低的不多,在低温下仍有较好的延性及韧性,可在-252.7℃温度下使用.

NINCT20 合金是我国研制的用于火箭发动机液氢管路的新型低温钛合金,该合金具有强度适中(600 ~ 700MPa)、低温性能、焊接性能、冷成型性能及液氢相容性优异的特点,在-253℃(20K)温度下,强度可达1200MPa 以上,延伸率可达10% 以上.

3、高强钛合金

钛合金在飞机上的应用

高强钛合金是指经热处理后室温强度大于1000MPa 的钛合金.国外高强钛合金研发主要以美国和俄罗斯为主,而且产品都得到了广泛应用.我国高强钛合金研究则由仿制逐渐转型为自主研发,如北京有色金属研究总院研究的TB10 合金(Ti-3Al-5Mo-5V-2Cr)典型性能为:σb=1360MPa,KIC=67MPam1/2,已用于航天结构件、飞机机身、机翼.西北有色金属研究院创新研制的Ti-1300、Ti-5322 等  高强钛合金.Ti-1300 的抗拉强度超过1350MPa,延伸率超过8%,断裂韧性超过55MPa.m1/2.Ti-5322 抗拉强度超过1300MPa,延伸率超过7%.

4、高强高韧钛合金

高韧损伤容限型钛合金在发动机叶片上的应用

典型的高强高韧钛合金是美国研制的Ti62222S 合金.该合金具有良好的强度、塑性和断裂韧性匹配;疲劳裂纹扩展抗力高;具有深淬透性;高弹性模量;中温有良好的抗蠕变性能,室温断裂强度和屈服强度分别大于1300MPa和1200MPa,且其高温性能也很好.

TC21(Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-1Nb-0.1Si) 是我国创新研制的高强高韧损伤容限型钛合金.该合金具有良好的强度、塑性、断裂韧性、裂纹扩展速率的匹配,是一种非常有应用前景的高强高韧损伤容限型结构钛合金.由该合金生产的大规格棒材在保证室温高强度的前提下,断裂韧性可高达90MPa.m1/2.

BT i-65 5 4 ( T i-6Cr-5Mo-5V-4Al) 是宝钛集团研制的高强高韧钛合金,该材料的力学性能可以达到Rm=1270MPa,Rp0.2=1230MPa,KIC=77.8MPam1/2.

北京有色金属研究院和宝钛集团共同研制的Ti-63高强高韧钛合金(Ti-Al-V-Cr-Mo-Sn-Zr-Si),其Rm=1200MPa,KIC=77MPa.m1/2.

钛及钛合金在航天领域的应用当今,钛应用最活跃的领域是航天。

1、美国

美国钛及钛合金在航天工程上的应用始于1955 年,美国的火箭发动机壳体材料广泛使用了钛合金.钛合金还广泛用于各种结构件."阿波罗"宇宙飞船共有约50 个压力容器,其中85% 是用钛制成.大力神Ⅲ过渡级发动机,改用钛合金推进剂贮箱后重量减轻35%."阿波罗"号宇宙飞船的托架、夹具和紧固件均用钛制成,共使用68 吨钛材.航天工程用的压力容器中也使用了大量的钛材,使用最多的是Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn.导弹的弹头上也使用了钛合金.美国大多采用辐射冷却式发动机喷管,这种喷管的一部分用钛合金制造。

美国生产的Ti3Al 基钛合金Ti-21Nb-14Al 和Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo 钛合金箔材已制成导弹尾翼和燃烧室喷管密封片等.美国的超高声速载人飞行器的热防护系统采用了Ti1100 钛合金作为防热瓦,火箭运载器X-33 采用钛合金作为其机身背风面大面积防热系统材料.美国钛金属公司(Timet)研制的β21S(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si)已被美国国家宇航局确定用于美国国家航空航天飞机的机身和机翼壁板.美国的Bodycote、ADMA等公司采用粉末冶金方法生产各种导弹武器用的钛合金部件.美国的休斯公司、BAE 公司等采用超塑成形技术制造钛合金导弹外壳,推进剂贮箱等,不但减轻了重量,而且减少费用30% ~ 40%。

2、日本

钛合金在火箭上的应用

日本在火箭上应用钛合金的历史可追溯到1968 年.日本第一颗试验卫星"大角"号使用了Ti-2Al-2Mn 钛合金.

其他应用的例子有机翼的前缘部位、喷嘴的夹持器、多级火箭的断裂接头部位等.日本研制的低温结构钛合金LT700(Ti-3Al-5Sn-1Mo-0.2Si)已用来制作液氢涡轮泵.

3、俄罗斯

钛合金在地球卫星上的应用

1957 年10 月,世界上第一颗人造地球卫星Sputnik1 在俄罗斯发射成功,开创了人类航天新纪元.俄罗斯钛在航天工程上应用的实例很多.如"能源- 暴风雪"号、"和平-1"号、"进步"号、"金星"号、"月球"号航天器中均广泛使用了钛及钛合金材料,用OT4合金板材制造液体燃料火箭发动机的燃烧仓和"和平-1"号轨道站对接件,用OT4-1 合金制造发动机吊架构件、燃料箱、管接头和托架等.BT5-1 和ПT3B 合金用于制造容器- 增压系统蓄压器和低温液体储存箱,BT5-1 合金还用于制造液氢输送泵的叶轮.此外,TH1 合金还用作天线、推杆、接触器及航天减震部件.

4、中国

钛合金发动机中国在"太空之路"上已取得了令世界瞩目的成就.从1970 年4 月24 日长征一号运载火箭将"东方红一号"卫星送上预定的轨道以来,我国已经发射了长征系列运载火箭和神舟系列飞船,这些航天器上均使用了钛材.如我国研制的液氢环境下使用的低温TA7ELI 钛合金气瓶已用于CZ-XX 系列运载火箭;我国还用BT20 钛合金制造导弹的外壳体和燃料油箱壳体;用TC4ELI 钛合金制造运载火箭的低温液氧、液氢高压气瓶等。

宝钛集团有限公司作为国家高新科技企业,曾先后为我国神舟1 ~ 10 号飞船提供了重要的钛金属材料,包括合金棒材、锻件、环材、管材、板材等,为神舟系列的发射成功做出了贡献,也为东方红卫星、长征系列火箭和系列导弹等提供了关键的结构材料。

我国载人飞船各舱段的结构材料的内部结构为耐热钛合金;我国航天飞机的轨道器的支承主发动机的推力结构用钛合金制造.此外,钛合金还用于制造火箭机盘、导弹基座构件、导弹动力叶片套等。

钛合金手表

我国研制的TB2 合金(Ti-3Al-5Mo-5V-8Cr),于1984 年首次应用于卫星星箭连接带,目前已用于各种型号卫星20 多次;TB10 合金(Ti-3Al-5Mo-5V-2Cr)已用于航天结构件、飞机机身、机翼结构中的锻造零件;NINCT20 钛合金不仅可用于火箭发动机管路系统,而且还可广泛用于宇航工业形状复杂的低温管路系统.此外,我国制造的航天钛手表也引起了世人的关注.这种钛合金手表重量仅为94 克,且精确无比。