近幾(ji)年，受(shou)全球能源危機的(de)(de)影響，我(wo)國(guo)在(zai)(zai)航空航天(tian)的(de)(de)發(fa)展過程(cheng)中(zhong)(zhong)，對(dui)符合其(qi)標準、高強度、耐高溫的(de)(de)新型結構材料(liao)的(de)(de)需求(qiu)保日漸緊張，鈦(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)及其(qi)鈦(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)合金由于具有(you)良好的(de)(de)金屬性質，促使(shi)(shi)了這一復合材料(liao)在(zai)(zai)航空航天(tian)的(de)(de)領域(yu)中(zhong)(zhong)的(de)(de)廣(guang)泛推廣(guang)和應(ying)用，但(dan)是也(ye)受(shou)到其(qi)加工效率和生產成(cheng)本(ben)的(de)(de)制約。伴(ban)隨著(zhu)鈦(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)合金的(de)(de)開發(fa)和研制，鈦(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)材料(liao)品種(zhong)的(de)(de)爭奪(duo)以及價格(ge)的(de)(de)降低，使(shi)(shi)鈦(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)在(zai)(zai)工業建造中(zhong)(zhong)的(de)(de)應(ying)用范圍成(cheng)倍(bei)增加。在(zai)(zai)航空航天(tian)的(de)(de)領域(yu)中(zhong)(zhong)，鈦(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)的(de)(de)使(shi)(shi)用大國(guo)基本(ben)集(ji)中(zhong)(zhong)在(zai)(zai)西(xi)方國(guo)家，尤(you)其(qi)是率先完成(cheng)第二次工業革命的(de)(de)美國(guo)、英(ying)國(guo)等國(guo)家，他(ta)們將(jiang)(jiang)50%以上的(de)(de)鈦(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)材料(liao)運用在(zai)(zai)航空航天(tian)的(de)(de)事業中(zhong)(zhong)。但(dan)是相比之(zhi)下，亞洲國(guo)家包括我(wo)國(guo)在(zai)(zai)航空航天(tian)的(de)(de)領域(yu)中(zhong)(zhong)鈦(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)的(de)(de)投入(ru)量只有(you)10%左(zuo)右(you)。但(dan)是近幾(ji)年隨著(zhu)亞洲國(guo)家在(zai)(zai)航空航天(tian)領域(yu)的(de)(de)飛速發(fa)展，鈦(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)在(zai)(zai)航空航天(tian)的(de)(de)消費益將(jiang)(jiang)會(hui)(hui)隨之(zhi)增長(chang)，因(yin)此這種(zhong)新型的(de)(de)鈦(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)合金金屬將(jiang)(jiang)會(hui)(hui)成(cheng)為目前(qian)乃(nai)至今后(hou)我(wo)國(guo)重點研究的(de)(de)對(dui)象。

1、鈦合金簡介

新(xin)型(xing)鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)(jin)就(jiu)是將鈦(tai)當作基(ji)礎形式，以融(rong)入其(qi)他(ta)的(de)(de)合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)或者是材(cai)(cai)(cai)料所(suo)構成的(de)(de)復合(he)金(jin)(jin)(jin)屬(shu)稱之為(wei)鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)(jin)。鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)(jin)在不同結構和特性上可以分為(wei)多(duo)種。相比其(qi)他(ta)復合(he)材(cai)(cai)(cai)料來(lai)說，新(xin)型(xing)鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)(jin)有(you)瑭密度較低(di)、韌性強、抗腐蝕(shi)性能高(gao)等金(jin)(jin)(jin)屬(shu)屬(shu)性，使(shi)其(qi)成為(wei)最理想(xiang)的(de)(de)航空(kong)航天工程結構的(de)(de)材(cai)(cai)(cai)料。

2、鈦合金的發展

自(zi)18世紀末年(nian)開(kai)始(shi)發(fa)現(xian)鈦(tai)到現(xian)在為止已經(jing)有200多(duo)年(nian)的(de)(de)(de)歷史(shi)了(le)。但(dan)是由于鈦(tai)金(jin)屬(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)熔(rong)點較高，并且化學(xue)性(xing)(xing)質十分(fen)活潑，所以導致(zhi)塑性(xing)(xing)良好的(de)(de)(de)純鈦(tai)很(hen)難制取。鈦(tai)錠必須要在真空中進(jin)(jin)行冶煉，在冶煉的(de)(de)(de)過(guo)程(cheng)中制造工(gong)(gong)藝復雜(za)，從而使得鈦(tai)及其合金(jin)長期(qi)不能(neng)被廣泛地用于工(gong)(gong)業生產(chan)和(he)工(gong)(gong)業建造。隨著(zhu)科學(xue)技(ji)術(shu)和(he)經(jing)濟的(de)(de)(de)不斷發(fa)展，對涉及航(hang)空航(hang)天(tian)發(fa)展所運用的(de)(de)(de)材(cai)料也有了(le)進(jin)(jin)一步的(de)(de)(de)探索和(he)研(yan)究，從而推(tui)進(jin)(jin)了(le)鈦(tai)工(gong)(gong)業取得了(le)迅速的(de)(de)(de)發(fa)展，鈦(tai)及鈦(tai)合金(jin)的(de)(de)(de)金(jin)屬(shu)(shu)(shu)屬(shu)(shu)(shu)性(xing)(xing)決定了(le)鈦(tai)合金(jin)主要的(de)(de)(de)應(ying)用與發(fa)展。概括起(qi)來(lai)，鈦(tai)及鈦(tai)合金(jin)主要有以下的(de)(de)(de)金(jin)屬(shu)(shu)(shu)特(te)性(xing)(xing)：

1）相對(dui)于其(qi)他的復(fu)合材料(liao)，鈦的金屬(shu)特(te)征具有密度小、強度性(xing)高等(deng)特(te)點。其(qi)密度正好在鋁和鐵之(zhi)間(jian)，但是在強度和韌性(xing)這(zhe)一方面，鈦合金遠遠高于鋁和鋼。

2）鈦(tai)合金在使(shi)用和(he)(he)加(jia)工(gong)過(guo)程(cheng)中(zhong)所(suo)面(mian)臨的(de)(de)(de)溫(wen)度(du)(du)(du)程(cheng)度(du)(du)(du)較為廣闊，所(suo)以(yi)在加(jia)工(gong)和(he)(he)使(shi)用過(guo)程(cheng)中(zhong)，當溫(wen)度(du)(du)(du)降低(di)到-200℃多(duo)時，它依舊可(ke)(ke)以(yi)保持原有的(de)(de)(de)塑形，而在高(gao)溫(wen)加(jia)工(gong)的(de)(de)(de)狀態或(huo)者是(shi)在高(gao)溫(wen)環境(jing)的(de)(de)(de)使(shi)用過(guo)程(cheng)中(zhong)，它所(suo)承受的(de)(de)(de)高(gao)溫(wen)可(ke)(ke)以(yi)達(da)到500℃多(duo)，由此可(ke)(ke)見，在耐熱程(cheng)度(du)(du)(du)上(shang)遠高(gao)于鋁合金和(he)(he)鎂合金。假如，在使(shi)用和(he)(he)加(jia)工(gong)過(guo)程(cheng)中(zhong)，能夠(gou)避免或(huo)者是(shi)防止更高(gao)溫(wen)度(du)(du)(du)環境(jing)下(xia)因為氧化所(suo)引發(fa)的(de)(de)(de)環境(jing)污染問題，那么它將可(ke)(ke)能會得到更進一(yi)步的(de)(de)(de)發(fa)展。

3）鈦(tai)及(ji)鈦(tai)合(he)金還具有(you)優良的抗腐(fu)蝕性，特別是在(zai)海水和(he)海洋大氣環境中抗腐(fu)蝕性極(ji)高(gao)，從而使(shi)得(de)鈦(tai)及(ji)鈦(tai)合(he)金在(zai)艦艇船舶和(he)飛機上的應用具有(you)較大的競爭(zheng)力。

4）鈦具有非常高(gao)(gao)的化學性質，在(zai)(zai)高(gao)(gao)溫(wen)加工的過程中(zhong)非常容易受(shou)到氫、氧、氮所引發的污染問題，使(shi)得(de)它在(zai)(zai)冶煉和加工的過程中(zhong)受(shou)到約束和限制，從而讓生產成(cheng)本變(bian)得(de)相對(dui)較高(gao)(gao)。

5）相對(dui)于其他(ta)的(de)(de)復合(he)材料，鈦合(he)金的(de)(de)導熱性(xing)較差，并(bing)且具有相對(dui)較低的(de)(de)抗磨(mo)性(xing)能。因此導致(zhi)了在切削加工的(de)(de)工作過程中，避免(mian)不了由于工件及刀具的(de)(de)溫度升高(gao)所引發出現(xian)的(de)(de)黏刀的(de)(de)現(xian)象。

3、鈦合金鍛件在航空航天領域中的應用

3.1鈦在早期(qi)航(hang)天事(shi)業發展的應(ying)用范(fan)圍

應(ying)用(yong)于航空、航天(tian)的鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)(jin)材料叫(jiao)做銖合(he)金(jin)(jin)(jin)鑄件(jian)(jian)(jian)，其應(ying)用(yong)范圍(wei)非(fei)常廣(guang)泛，在物件(jian)(jian)(jian)接(jie)頭，一(yi)(yi)些柳件(jian)(jian)(jian)、鑄件(jian)(jian)(jian)都有。鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)(jin)在制作飛機的過程中，其主要運用(yong)在發(fa)動機壓氣(qi)機部件(jian)(jian)(jian)的組成零(ling)部件(jian)(jian)(jian)上，其次(ci)是在火箭的研發(fa)以及一(yi)(yi)些武(wu)器結構件(jian)(jian)(jian)。進入21世(shi)紀(ji)中期，鈦(tai)及其鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)(jin)已(yi)經在一(yi)(yi)般(ban)的工業領域中廣(guang)泛應(ying)用(yong)。

3.2鈦(tai)合(he)金在飛機(ji)(ji)機(ji)(ji)架的(de)革新

鈦合金鍛件、鈦合(he)金板等(deng)鈦合(he)金是(shi)(shi)(shi)航空(kong)航天工(gong)業中使(shi)(shi)用(yong)的(de)(de)(de)一種新(xin)的(de)(de)(de)重(zhong)(zhong)(zhong)要(yao)結(jie)構(gou)(gou)材料，比(bi)(bi)重(zhong)(zhong)(zhong)和使(shi)(shi)用(yong)溫(wen)度介于鋁和鋼(gang)之間(jian)，但(dan)是(shi)(shi)(shi)其比(bi)(bi)強度高(gao)并具有優異(yi)的(de)(de)(de)抗(kang)海水腐(fu)蝕(shi)性能和超低溫(wen)性能。20世紀 60年代開始鈦合(he)金的(de)(de)(de)使(shi)(shi)用(yong)部位從后機(ji)身移(yi)向中機(ji)身、部 分地代替(ti)結(jie)構(gou)(gou)鋼(gang)制造隔框、梁、襟翼滑軌等(deng)重(zhong)(zhong)(zhong)要(yao)承力(li)構(gou)(gou)件。隨著國(guo)防力(li)量的(de)(de)(de)不斷(duan)建設(she)，鈦合(he)金在(zai)軍用(yong)飛(fei)機(ji)中的(de)(de)(de)用(yong)量迅(xun)速(su)增加(jia)。在(zai)整架飛(fei)機(ji)結(jie)構(gou)(gou)總重(zhong)(zhong)(zhong)晝(zhou)中，鈦合(he)金的(de)(de)(de)重(zhong)(zhong)(zhong)晝(zhou)就占(zhan)據了(le)20%~25%。隨著時間(jian)的(de)(de)(de)推移(yi)，為(wei)了(le)滿足社(she)會的(de)(de)(de)需求，民用(yong)飛(fei)機(ji)也開始大晝(zhou)使(shi)(shi)用(yong)鈦合(he)金，比(bi)(bi)如在(zai)波音747客(ke)機(ji)上(shang)，鈦用(yong)噩(e)的(de)(de)(de)重(zhong)(zhong)(zhong)量達到了(le)3600于克以上(shang)。對于那些馬(ma)赫數小于2.5的(de)(de)(de)飛(fei)機(ji)，鈦的(de)(de)(de)應用(yong)主要(yao)是(shi)(shi)(shi)為(wei)了(le)代替(ti)鋼(gang)的(de)(de)(de)使(shi)(shi)用(yong)晝(zhou)，從而減輕(qing)飛(fei)機(ji)結(jie)構(gou)(gou)的(de)(de)(de)重(zhong)(zhong)(zhong)晝(zhou)。又如美國(guo)SR-72系列的(de)(de)(de)高(gao)空(kong)高(gao)速(su)偵察機(ji)，它(ta)的(de)(de)(de)飛(fei)行馬(ma)赫數為(wei)3.0,飛(fei)行的(de)(de)(de)高(gao)度更(geng)是(shi)(shi)(shi)達到了(le)26200米，在(zai)它(ta)的(de)(de)(de)建造過程(cheng)中，鈦合(he)金是(shi)(shi)(shi)重(zhong)(zhong)(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)結(jie)構(gou)(gou)材料，鈦合(he)金更(geng)是(shi)(shi)(shi)占(zhan)到了(le)飛(fei)機(ji)結(jie)構(gou)(gou)重(zhong)(zhong)(zhong)量的(de)(de)(de)91%,被稱(cheng)為(wei)“全(quan)鈦“飛(fei)機(ji)。

3.3鈦合金氣壓機

當航空發動機的推重比從4~6提高到8~10的時候，壓氣機出口的溫度也將隨之相應地從200℃~300℃增加到500℃~600℃,那么原來由鋁來制造的低壓壓氣機盤和葉片就必須要改用以鈦合金來制造或者是用鈦合金替換不銹鋼制造高壓壓氣機盤和葉片，從而達到減輕飛機結構重量的目的。從20世紀70年代開始，鈦合金在航空發動機中的用量一般占結構總重量的20%~30%,主要用于制造壓氣機部件，如鍛造鈦風扇、壓氣機盤和葉片、鑄鈦壓氣機機匣、中介機匣、軸承殼體等。而航天器主要是利用鈦合金的高比強度、耐腐蝕和耐低溫性能金屬特性，來制造各種壓力容器、燃料貯箱、緊固件、儀器綁帶、構架和火箭殼體。人造地球衛星、登月艙、載人飛船和航天飛機也都使用鈦合金板材焊接件。

3.4鈦合(he)金旋壓件的應用(yong)

在航(hang)空航(hang)天(tian)(tian)的(de)(de)(de)領域中(zhong)，將(jiang)鈦(tai)(tai)棒、鈦(tai)(tai)鍛件投入到(dao)航(hang)天(tian)(tian)飛(fei)行器系統的(de)(de)(de)使用，不僅是因為鈦(tai)(tai)合金(jin)(jin)具有較(jiao)強(qiang)的(de)(de)(de)組織特(te)性和(he)(he)良好的(de)(de)(de)物理性能，更重要的(de)(de)(de)是具備輕晝(zhou)及(ji)精密化的(de)(de)(de)特(te)征。新型(xing)鈦(tai)(tai)合金(jin)(jin)旋壓(ya)件的(de)(de)(de)質量(liang)可(ke)靠性需要進(jin)行多(duo)次(ci)試驗的(de)(de)(de)數據(ju)分析。由于鈦(tai)(tai)合金(jin)(jin)板(ban)材(cai)的(de)(de)(de)成形方面極其復雜，所以使得航(hang)天(tian)(tian)703將(jiang)TC4作為鈦(tai)(tai)合金(jin)(jin)板(ban)材(cai)的(de)(de)(de)基礎，采(cai)取普旋和(he)(he)強(qiang)力旋壓(ya)相結合的(de)(de)(de)方法(fa)制造(zao)出新型(xing)鈦(tai)(tai)合金(jin)(jin)的(de)(de)(de)半(ban)圓球體，同時將(jiang)TC3和(he)(he)TC4作為鈦(tai)(tai)合金(jin)(jin)板(ban)材(cai)的(de)(de)(de)配料，以熱旋壓(ya)作為技術(shu)手段制造(zao)出兩種(zhong)新型(xing)鈦(tai)(tai)合金(jin)(jin)半(ban)球體。

3.5在(zai)燃氣(qi)發動機中(zhong)的應用

在航(hang)空(kong)航(hang)天領(ling)域中，鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)還有(you)一大主要的(de)應(ying)用(yong)(yong)領(ling)域，那就(jiu)是在飛(fei)機(ji)(ji)的(de)發動(dong)機(ji)(ji)制(zhi)造中的(de)應(ying)用(yong)(yong)。目(mu)前為止(zhi)，我(wo)國(guo)的(de)現代飛(fei)機(ji)(ji)所用(yong)(yong)的(de)燃氣(qi)(qi)渦輪(lun)發動(dong)機(ji)(ji)的(de)結構質(zhi)量其中有(you)1/3就(jiu)是由(you)鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)所組成(cheng)的(de)。但(dan)是，根(gen)據(ju)相(xiang)關(guan)數據(ju)發現早(zao)在20世紀40~50年代，一些在工業發達的(de)國(guo)家，比(bi)如(ru)美國(guo)和英國(guo)，這兩個國(guo)家在早(zao)期生產飛(fei)機(ji)(ji)的(de)過程中就(jiu)應(ying)用(yong)(yong)了鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)技術來改進噴(pen)氣(qi)(qi)式發動(dong)機(ji)(ji)的(de)結構部(bu)件。最早(zao)的(de)鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)發動(dong)機(ji)(ji)部(bu)件就(jiu)是壓縮機(ji)(ji)葉片，隨(sui)后鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)壓縮盤也緊跟著迅(xun)速發展。現如(ru)今(jin)，大多數噴(pen)氣(qi)(qi)式的(de)發動(dong)機(ji)(ji)所使用(yong)(yong)的(de)風(feng)扇(shan)葉片都是新型鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)制(zhi)成(cheng)的(de)。

3.6高(gao)溫(wen)鈦合金的應用

由于高溫(wen)(wen)的(de)鈦(tai)合(he)(he)(he)金有著較強的(de)熱強性和高比強度(du)的(de)特性，促使(shi)了(le)它在航空發(fa)(fa)動(dong)(dong)機(ji)上(shang)的(de)廣泛應(ying)用(yong)。高溫(wen)(wen)鈦(tai)合(he)(he)(he)金在飛機(ji)發(fa)(fa)動(dong)(dong)機(ji)上(shang)主要運用(yong)在發(fa)(fa)動(dong)(dong)機(ji)的(de)風扇、葉片、精密的(de)儀(yi)(yi)表或者是導航儀(yi)(yi)。運用(yong)鈦(tai)合(he)(he)(he)金來替代原有的(de)銖基高溫(wen)(wen)合(he)(he)(he)金，促使(shi)壓氣機(ji)的(de)結構(gou)重(zhong)噩降低30%~35%。多(duo)年(nian)以來，為了(le)滿足高性能發(fa)(fa)動(dong)(dong)機(ji)的(de)需求，就形(xing)成了(le)一套健全的(de)鈦(tai)合(he)(he)(he)金體系。

4、航空航天工業中鈦合金的加工難點

目前(qian)，航(hang)空航(hang)天(tian)事業的(de)(de)不斷發(fa)展，為了(le)(le)達到減輕飛(fei)機重量(liang)這(zhe)一(yi)目的(de)(de)，促使了(le)(le)在航(hang)空航(hang)天(tian)發(fa)展過(guo)(guo)程中(zhong)對符合其標準(zhun)的(de)(de)材料需求越(yue)來越(yue)嚴(yan)峻，鈦及鈦合金(jin)與普(pu)通材料對比之下，鈦合金(jin)這(zhe)種復合材料重量(liang)更輕、強度和韌性更高(gao)。但在加(jia)工(gong)(gong)的(de)(de)過(guo)(guo)程中(zhong)，特別是在切削(xue)加(jia)工(gong)(gong)過(guo)(guo)程中(zhong)，它們各(ge)自面(mian)臨老不同的(de)(de)加(jia)工(gong)(gong)難題(ti)和困(kun)擾。在切削(xue)加(jia)工(gong)(gong)的(de)(de)工(gong)(gong)作過(guo)(guo)程中(zhong)，制造商(shang)一(yi)定要盡可能達到最高(gao)的(de)(de)質量(liang)水平。即使存在對領部(bu)構件成本的(de)(de)堪憂，但在很(hen)多情(qing)況下，如何(he)生(sheng)產出(chu)高(gao)質量(liang)的(de)(de)零部(bu)構件是優(you)先考慮的(de)(de)事項，其次才是如何(he)提高(gao)生(sheng)產率(lv)。

5、結語

目前，我(wo)國(guo)的(de)(de)(de)科學技(ji)術(shu)(shu)手段已經基本(ben)滿足了小型鈦(tai)合(he)金(jin)的(de)(de)(de)旋壓工藝技(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)(de)要求。但是由于鈦(tai)合(he)金(jin)是一種新(xin)型的(de)(de)(de)金(jin)屬，尤其(qi)是它本(ben)身化學活性(xing)很高(gao)，非常(chang)容易受到氫、氧、氮的(de)(de)(de)污染(ran)影響，從而導致對其(qi)難以冶煉和加(jia)工，使(shi)得(de)(de)生產(chan)成本(ben)變得(de)(de)相對較高(gao)。在(zai)鈦(tai)合(he)金(jin)的(de)(de)(de)應用過程(cheng)中，它還(huan)有一些其(qi)他的(de)(de)(de)優良性(xing)能(neng)并未得(de)(de)到充(chong)分的(de)(de)(de)驗證，導致了在(zai)它使(shi)用的(de)(de)(de)過程(cheng)中具有一定的(de)(de)(de)局限性(xing)。雖然(ran)在(zai)航(hang)(hang)空航(hang)(hang)天發展的(de)(de)(de)過程(cheng)中面臨著使(shi)用高(gao)性(xing)能(neng)復合(he)材料(liao)的(de)(de)(de)挑戰，但是隨(sui)著航(hang)(hang)空航(hang)(hang)天產(chan)業(ye)的(de)(de)(de)快速發展，新(xin)型的(de)(de)(de)鈦(tai)合(he)金(jin)技(ji)術(shu)(shu)將會步入一個新(xin)的(de)(de)(de)發展時期，它的(de)(de)(de)旋壓成形(xing)技(ji)術(shu)(shu)將會在(zai)航(hang)(hang)空航(hang)(hang)天以及其(qi)他的(de)(de)(de)領域中具有更(geng)加(jia)廣闊的(de)(de)(de)發展空間(jian)和運(yun)用范(fan)圍。

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