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钛合金在飞行器上的应用

2022/6/30

钛的蕴藏量十分丰富,在地球上钛的储置约占地壳总重的0.61%,在所有元素中占第十位,居于氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢之后,按金属元素计,为第7位;在常用金属中则仅次于铝、铁和镁,占第四位;比铜、镍、铅、锌的总和还多十余倍。但由于它的高温性质特别活泼,很难提纯,因此金属钛直到二十世纪四十年代才生产出来。第二次世界大战后首先在真空炉中成功地用镁还原四氯化钛获得了海绵钛,工业上开始少量应用。冶炼技术一经突破并投入工业生产后,这种新材料迅速受到人们的重视。随着钛材需求量的增加,钛及钛合金的产量一定会有大的增长。

钛及钛合金由于具有优良的耐腐蚀性能、较高的强度和比强度以及能耐较高的温度,已作为一种工业材料在飞行器制造行业得到了广泛的应用。

4.1钛合金在飞行器结构上的应用

1.在飞机上的应用

钛合金是现代飞机承力结构中最有应用前景的材料。同铝合金及钢相比,它具有更高的比强度。同时,其耐腐蚀性、疲劳抗力均很高。在高温下不可能采用铝合金时,钛合金却能有效地工作。考虑到飞机结构承力部件(壁板、缘条、隔框、梁、接头及起落架等的特点,制造时要用到厚板、模锻件(锻件)、铸件,以及挤压型材、轧制型材和薄板等半成品。设计此类疲劳危险的结构部件,要求选用高比强度,最大断裂韧性和最小裂纹扩展速率的材料。钛合金可满足要求,方法是对不同半成品采用不同的变形加工和热处理,形成必需的冶金组织;针对钛合金的所有特点,研究制订出钛合金零部件的加工工艺。

结构的重量效率是主要的质量指标之一。改进半成品及决定结构件采用何种连接,对提高结构重量总效率起着十分重要的作用。这不仅取决于设计任务书,还取决于结构材料的工艺性能。对两块壁板的等寿命对接结构分析得知,焊接接头具有最高的重量效益,且电子束焊接优于其它焊接,因此选择钛合金制造飞机结构的主要要求之一是合金本身要有良好的可焊性。而钛合金Ti-6Al-4V就具有良好的可焊性。

从技术和质量上考虑,,飞行器制造工业都是金属钛的最大用户,从板、管材到铸件、锻件,消耗钛加工材达60%以上。在1980年前,民用机与军用机都想在机体上采用钛制部件,但因成本问题而受到限制。然而燃料费在美国各主要航空公司的经营成本中所占的比例自1970年以来一直在上升(1970年占12%,1980年占28%,1990年占31%),从而推动了具有高比强度的钛部件在飞机上的广泛应用。因使用钛部件而使初期投资增加的部分,可因节省航运费和维修费而完全抵消。加上定期客机效率的改善,使得波音公司投资数十亿美元,开发了节能效率好的757型和767型客机。

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