航空钛合金的应用及发展趋势

航空钛合金的应用及发展趋势

张哲 张杰 郑无尘

陕西飞机工业有限责任公司 723213

摘要：航空航天技术是高度综合的现代科学技术，也是国家最高工业水平的体现之一。航空航天器在运行过程中需克服重力，且在高温、高速等复杂环境中服役，因此，该领域部件的轻质化要求非常高。钛合金具有高比强度、低密度的优点，可在室温到中高温环境服役，是航空航天零件应用的重要材料。飞机/直升机的各类框、梁、机翼壁板、桨毂等，现役航空发动机的风扇/压气机转定子、压气机机匣、中介机匣等，航天用容器、承力结构、紧固件等采用钛合金材料制造，可谓应用广泛。与此同时，相比结构钢或镍基高温合金，钛合金也存在硬度低、耐磨性差、高温氧化抗力差等问题，表面应力集中敏感导致的机械疲劳问题（后简称疲劳）也较突出。

关键词：航空钛合金；应用；发展趋势

引言

钛合金作为一种高强度合金材料，因其具有优异的高比强度、良好的抗腐蚀性、超强的断裂韧性与抗疲劳性能，已广泛应用于航空航天等高端装备领域，被誉为21世纪最具有价值的战略性金属材料。钛合金的用量常被当作衡量飞机选材先进程度和航空工业发展水平的指标，与飞机作战能力密切相关。机械制造的目的是为了制造出满足形状精度与服役性能的构件。然而，由于钛合金材料的高强度、低导热系数、易粘刀以及与刀具亲和力强等特性，在加工过程中很容易造成较差的表面加工质量。比如，在其加工过程中产生的切削热不易传出，往往集中在某些较小区域内，导致局部切削温度过高，从而造成表面烧伤，继而影响其表面完整性。因此，如何保证钛合金材料的高表面完整性制造，成为摆在科研工作者面前亟待解决的科学难题。

1.钛合金抗氧化涂层的应用

首先制备微弧氧化TiO2膜，接着采用磁控溅射方法在膜表面镀覆纯铝，最终利用阶梯式扩散热处理提高了上述两层的冶金结合；该方法制备的复合涂层（主要成分α–Al2O3）具有良好的阻氧扩散能力，在973~1073K条件下显著降低了钛合金的氧化增重。采用激光熔覆方式在TiAl合金表面制备Ti48Al2Cr2Nb涂层，在700~900℃氧化过程中，其中Nb和Cr抑制了TiO2的生长，涂层表面形成以Al2O3为主的多层氧化膜。在工业纯钛表面，采用直流磁控溅射制备了Ti1–x–yAlxTayN涂层，该涂层提高了850℃氧化抗力，但无法提高950℃氧化性能，随着Ta元素含量增加，950℃氧化性能逐渐变差。LaB6的适度添加可以细化激光熔覆TiC+TiBx涂层，提高氧化性能。研究不同MoO3含量的玻璃陶瓷涂层（硼铝硅酸盐微晶玻璃）在850~1050℃温度范围内沉积在TA2工业纯钛上的抗氧化行为，认为富Mo层起到良好抗氧化效果。采用电弧镀或离子镀方法在钛合金表面制备含铝涂层，采用激光熔覆制备Nb–Al–Ti涂层，利用Al2O3良好的阻氧扩散能力提高钛合金氧化抗力。除了以上的涂层技术外，表面改性方法也应用于钛合金抗氧化。在纯钛表面采用WC珠、Al2O3珠和玻璃珠进行超声喷丸，降低了700℃/100h和3000h的氧化增重，认为喷丸样品形成的连续富氮层起到了阻氧扩散避免剥落分层的作用；利用激光喷丸在Ti2AlNb表面产生细晶层和高位错密度，提高了720℃氧化性能。

2.钛合金磨削加工技术

磨削是用硬磨料颗粒作为切削工具，以负前角微切削的形式进行材料去除的过程。因此，加工过程会伴随大量的能量消耗，产生较大的磨削力、磨削温度以及磨具的磨损，进而影响被加工工件的表面完整性。磨削表面的粗糙度是表面完整性的重要参数之一，且被广泛研究。使用大气孔与普通气孔两种微晶刚玉砂轮开展钛合金磨削试验，研究气孔尺寸对TC17表面完整性的影响。可知，钛合金磨削表面均存在大量撕裂状缺陷及波纹，但大气孔砂轮磨削后表面的缺陷程度较轻，且试验表明，大气孔砂轮磨削后表面的粗糙度较低。综合研究了Ti2AlNb的磨削特性，包括磨削力、磨削比能、表面组织、粗糙度以及磨具磨损状况，结果表明，随着材料去除率的提高，Ti2AlNb工件亚表面出现了一层厚度小于2μm的白层，并且非连续形态演变为相对连续形态。在ProfimatMT408平面精密磨床上进行低速和高速磨削TC4–DT试验，并通过SEM电镜获得磨削后钛合金的表面形貌。低速磨削时，试样表面有明显的加工纹路但未出现烧伤；高速磨削（80m/s）表面加工纹路较清晰，且存在塑性变形，未发现烧伤，表面形貌良好；当砂轮线速度达100m/s时，表面出现严重烧伤磨削加工纹路模糊，并出现大面积网状裂纹。

3.阻燃钛合金成分优化

将合金化元素V、Al、Si和C的含量均作为变量，输入到训练好的支持向量机模型进行预测，得到相应的力学性能结果，其中V元素质量分数的变化范围为20%~35%（质量分数以1%为基础进行变化），Al元素质量分数的变化范围为0~2.5%（质量分数以0.1%为基础进行变化），Si元素质量分数的变化范围为0~0.5%（质量分数以0.05%为基础进行变化），C元素质量分数的变化范围为0~0.2%（质量分数以0.025%为基础进行变化）。考虑到目前各国研制的Ti−V−Cr系阻燃钛合金主干元素中，BuRTi加入了Al元素，AlloyC,TB12和TF550不含Al元素，因此成分优化分为未加入Al元素和加入Al元素两种情况进行讨论。未加入Al元素时，Ti−V−Cr系阻燃钛合金的成分同时满足V元素质量分数在30%~33%之间、Si元素质量分数在0~0.1%之间和C元素质量分数在0.05%~0.125%之间时，力学性能良好，所对应的抗拉强度在1035~1057MPa之间，屈服强度在954~989MPa之间，延伸率在19.5%~23.4%之间，断面收缩率在39.1%~48.1%之间。加入Al元素时，Ti−V−Cr系阻燃钛合金的成分同时满足不加Si元素，V元素质量分数在24%~27%之间、Al元素质量分数在1.5%~1.8%之间和C元素质量分数在0.15%~0.2%之间时，所对应的抗拉强度在1033~1052MPa之间，屈服强度在996~1021MPa之间，延伸率在16.6%~18.3%之间，断面收缩率在30%~37.6%之间，力学性能良好。因此，针对主干元素为Ti−35V−15Cr的阻燃钛合金，可以通过加入质量分数为0~0.1%的Si元素和0.05%~0.125%的C元素，并减少质量分数为2%~5%的V元素，来提高力学性能；对于主干元素为Ti−25V−15Cr的阻燃钛合金，可以通过加入质量分数为1.5%~1.8%的Al元素和0.15%~0.2%的C元素，设计出一种与Ti−25V−15Cr−2Al−0.2C合金成分相近的阻燃钛合金来改善力学性能。

4.TA18钛合金的应用

TA18钛合金的强化途径主要是通过冷加工变形。冷加工后，通过不同的热处理制度，可使管材达到不同的强度水平。最常用的有退火态中强级（Rp0.2≥620MPa）和去应力退火态高强级（Rp0.2≥860MPa）两种典型代表。其中，退火态中强级管材主要用于发动机管路系统，去应力退火态高强级管材主要用于飞机液压等管路系统。航空航天飞行器的管路系统是飞行器的生命线，主要包括燃油管路、液压油管路、滑油管路、气源管路、压缩空气管路、引射水管路等。其数量繁多、结构形状复杂，加工质量直接影响其连接的精确度和稳定性。一直以来管材在弯曲成形中经常出现各种缺陷，如：弯管截面变形、起皱、弯管变薄、弯曲回弹等，这不仅影响了产品质量及生产装配进度，还给飞行器实现系统功能带来安全隐患。

结束语

钛合金管材已经成为航空航天管路系统的首选材料，在国外被广泛应用，但在国内尚处在起步阶段。由于目前航空产品精益化的需求，未来钛合金管材高效率、高精度、高成品率、低成本成形技术研究已经迫在眉睫。为实现钛合金管材数控弯曲精确成形，亟待研究建立一套较为全面的钛合金管材弯曲成形工艺体系及数值模拟系统。

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