航空材料为什么非得要用钛合金？

twq19810302

) X6 z4 C2 y7 `- o钛与航空有着不解之缘。1953年，在美国道格拉斯公司生产的DC-T机发动机吊舱和防火壁上首次使用钛材，从而揭开了钛航空应用的历史。从那时以来，钛在航空上已应用了半个多世纪。钛能在航空上广泛应用是由于它有适于飞机应用的许多宝贵特性。今天我们就来讲讲航空材料为什么非得要用钛合金。

一、钛的简介
0 m5 t. j! _. |" T* w2 k
/ I' I7 {. e1 n8 c' u4 k1948年美国杜邦公司才用镁法成吨生产海绵钛——这标志着海绵钛即钛工业化生产的开始。而钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。
8 K" V; M, S' L0 [* x" V
钛在地壳中含量较丰富，含量排第九位，远高于铜、锌、锡等常见金属。钛广泛存在于许多岩石中，特别是砂石和粘土中。

7 _7 q+ X) } H- P! K% b v- z- ^二、钛的特性

: F8 g/ h8 ^7 ?) r* D( L2 \' Z强度高：是铝合金的1.3倍，镁合金的1.6倍，不锈钢的3.5倍，金属材料中的冠军。
( U7 _5 y% o: Z) R$ I1 n
3 }. \- y8 F: |热强度高：使用温度比铝合金高几百度，可在450～500℃的温度下长期工作。
% {8 @- V, X5 o H: m3 K. H1 ~
抗蚀性好：耐酸、耐碱、耐大气腐蚀，对点蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强。

低温性能好：间隙元素极低的钛合金TA7，在-253℃下还能保持一定的塑性。

4 v% J- c2 e1 D& @$ V% s/ W化学活性大：高温时化学活性很高，轻易与空气中的氢、氧等气体杂质发生化学反应，生成硬化层。
; n; b+ S5 l0 j4 d# w
导热系数小、弹性模量小：导热系数约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50％。钛合金的弹性模量约为钢的1/2。
, i& U1 ~; D: M" k& \
三、钛合金的分类及用途
+ @! E$ J8 x+ N, M. g% Q
( C% j) y6 t$ `) n6 C钛合金按用途可分为：耐热合金、高强合金、耐蚀合金(钛-钼，钛-钯合金等)、低温合金以及特殊功能合金(钛-铁贮氢材料和钛-镍记忆合金)等。
' [1 P$ s! z5 Q3 \6 n
8 o3 m& F. ^! o9 Q尽管钛及其合金应用的历史不长，但由于它那超众的性能，已经获得了多个光荣称号。首先荣获的称号就是“空间金属”。它重量轻、强度大又耐高温，特别适于制造飞机和各种航天器。目前世界上生产的钛及钛合金，大约有四分之三都用于航空航天工业。许多原来用铝合金的部件，都改用了钛合金。

J9 A+ o6 q6 i四、钛合金的航空应用
: ^( U$ p: g: y5 X) O' Z
5 r' w0 H1 a, ]; _' M: \钛合金主要用于飞机及发动机的制造材料，如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、发动机罩、排气装置等零件以及飞机的大梁隔框等结构框架件。航天器主要利用钛合金的高比强度，耐腐蚀和耐低温性能来制造各种压力容器、燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架和火箭壳体。人造地球卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机也都使用钛合金板材焊接件。

' q0 D; Z; l3 h1 E! N0 v+ I

1950年美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。60年代开始钛合金的使用部位从后机身移向中机身、部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。70年代起，民用机开始大量使用钛合金，如波音747客机用钛量达3640公斤以上占机重28%。随着加工工艺技术的发展，在火箭、人造卫星和宇宙飞船上，也用了大量的钛合金。
: q3 l) S) v4 r$ F" B
飞机越先进，使用的钛越多。美国F—14A战斗机使用的钛合金，约占机重的25%；F—15A战斗机为25.8%；美国第四代战斗机用钛量为41%，其F119发动机用钛量为39%，是目前用钛量最高的飞机。

五、钛合金在航空中被大量应用的原因
! X2 g3 i/ _* g" e# t) n6 R
f& V5 A3 m" e, g: s$ N2 n现代飞机的航行最高时速已达到音速的2.7倍以上。这么快的超音速飞行，会使飞机与空气摩擦而产生大量的热。当飞行速度达到音速的2.2倍时，铝合金就经受不住了。必须采用耐高温的钛合金。
5 T+ H* ~2 G4 N9 g
当航空发动机的推重比从4～6提高到8～10，压气机出口温度相应地从200～300℃增加到500～600℃时，原来用铝制造的低压压气机盘和叶片就必须改用钛合金。

4 C7 Q* }2 O' o/ j2 T, b9 l近年来科学家们对钛合金性能的研究工作，不断取得新的进展。原来由钛、铝、钒组成的钛合金，最高工作温度为550℃～600℃，而新研制的钛化铝（TiAl）合金，最高工作温度已提高到1040℃。

4 Z1 K( `1 v( i$ P: R用钛合金代替不锈钢制造高压压气机盘和叶片，可以减轻结构重量。飞机每减轻重10%，可节省燃料4%。对火箭来说，每减轻1kg的重量，就可增加15km的射程。

& G: S8 t6 D8 J' A

/ c4 p# a# L" r
3 B& h+ A" I. }( d8 h

六、钛合金机加工特性分析
; B J2 S& m0 W4 l* X t
2 b/ {3 u! C% A1 W$ ~首先，钛合金导热系数低，仅是钢的1/4，铝的1/13，铜的1/25。因切削区散热慢，不利于热平衡，在切削加工过程中，散热和冷却效果很差，易于在切削区形成高温，加工后零件变形回弹大，造成切削刀具扭矩增大、刃口磨损快，耐用度降低。
$ b7 z% f9 n( n7 t; v# X" p+ e$ L
2 s5 |* c6 I/ c% ^9 m- X9 Y其次，钛合金的导热系数低，使切削热积于切削刀附近的小面积区域内不易散发，前刀面摩擦力加大，不易排屑，切削热不易散发，加速刀具磨损。最后，钛合金化学活性高，在高温下加工易与刀具材料起反应，形成溶敷、扩散，造成粘刀、烧刀、断刀等现象。
; {( a& k, ]3 H
0 Q! e+ Y; G7 X' @3 w5 m4 ~2 q
3 }6 [& c/ W7 i2 F

尹志春

钛螺丝断了，掉了N架飞机，可查空难事件，
, q5 Q4 D& V/ I不要老以为钛强度高，跟合金铁钢比，差几个档次理解，我做模具冲压不钛，但钛做的模具冲不了模具钢，他两强度，硬度，差几个等 级，
+ L6 B: z1 X3 E* k' n3 P( R6 { c4 t只能说用钛综合成本低而已

加肥猫devil

尹志春 发表于 2023-11-8 11:03
) y h% l# z$ U; `* w钛螺丝断了，掉了N架飞机，可查空难事件，
) ]% v6 R2 M7 m2 T6 N/ W不要老以为钛强度高，跟合金铁钢比，差几个档次理解，我做模具 ...

( H9 ?. C, K9 |! l" M这一点很对啊，好多人都觉得钛合金比钢牛逼，都是走入误区了，实际上比钢的强度差远了，钛合金是比较轻的材料里强度比较大的所以综合性能比较好罢了，之前还有人说钛合金刀比钢刀好，也不知道是怎么想的。
& \3 o- d6 K# l! k