为什么航空材料一定要用钛合金？

钛与航空有着不解之缘。1953年，道格拉斯公司在美国生产DC-T钛首次用于发动机起重机舱和防火壁，从而揭开了钛航空应用的历史。从那时起，钛已经在航空上应用了半个多世纪。钛之所以能在航空中得到广泛应用，是因为它具有许多适合飞机应用的宝贵特性。今天，让我们来谈谈为什么航空材料必须使用钛合金。

一、钛的介绍

1948年，美国杜邦公司用镁法生产海绵钛——这标志着海绵钛即钛工业化生产的开始。钛合金因其比强度高、耐腐蚀性好、耐热性高而广泛应用于各个领域。

钛在地壳中含量丰富，排名第九，远高于铜、锌、锡等常见金属。钛广泛存在于许多岩石中，尤其是砂石和粘土中。

二、钛的特性

高强度:铝合金1.3倍，镁合金1.6倍，不锈钢3.5倍，金属材料冠军。

高热强度：使用温度比铝合金高几百度，可在450~500摄氏度的温度下长时间工作。

耐腐蚀性好：耐酸、耐碱、耐大气腐蚀，对点蚀、应力腐蚀的耐腐蚀性特别强。

低温性能好：低间隙元素钛合金TA7.在-253摄氏度下保持一定的塑性。

化学活性大：高温时化学活性高，易与空气中的氢、氧等气体杂质发生化学反应，产生硬化层。

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约为钛的导热系数下降50%。钛合金的弹性模量约为钢的1/2。

三、钛合金的分类和用途

钛合金可分为耐热合金、高强度合金、耐腐蚀合金（钛钼、钛钯合金等）、低温合金、特殊功能合金（钛铁储氢材料、钛镍记忆合金）等。

虽然钛及其合金的应用历史不长，但由于其卓越的性能，它已经获得了许多光荣的称号。获得的第一个称号是“空间金属”。它重量轻，强度高，耐高温，特别适用于制造飞机和各种航天器。目前，世界上大约有四分之三的钛和钛合金用于航空航天工业。许多原来使用铝合金的零件都改用了钛合金。

四、钛合金航空应用

钛合金主要用于制造飞机和发动机的材料，如锻造钛风扇、压力盘和叶片、发动机罩、排气装置和其他部件，以及飞机的梁框架和其他结构框架。航天器主要利用钛合金的高比强度、耐腐蚀性和耐低温性，制造各种压力容器、燃料储罐、紧固件、仪器带、框架和火箭外壳。钛合金板焊接件也用于人造地球卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机。

1950年，美国首次出现在美国F-84战斗轰炸机用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承载构件。20世纪60年代以来，钛合金的使用部分从后机身转移到中机身，部分取代了结构钢制造隔板、梁、襟翼滑轨等重要承载构件。自20世纪70年代以来，民用机器开始大量使用钛合金。例如，波音747客机的钛用量超过3640公斤，占机器重量的28%。随着加工技术的发展，火箭、人造卫星和宇宙飞船上也使用了大量的钛合金。

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%F119发动机用钛量为39%，是目前用钛量最高的飞机。

五、钛合金在航空中应用广泛的原因

现代飞机的最高时速已达到音速的2.7倍以上。飞行速度如此之快，会使飞机与空气摩擦而产生大量热量。当飞行速度达到音速的2.2倍时，铝合金无法忍受。必须使用耐高温钛合金。

当航空发动机的推重比从4~6提高到8~10，压缩机的出口温度从200~300摄氏度相应增加到500~600摄氏度时，原铝制成的低压压缩机盘和叶片必须改为钛合金。

近年来，科学家们对钛合金性能的研究取得了新的进展。钛合金原有由钛、铝、钒组成，最高工作温度为550℃~600℃，而新开发的钛化铝（TiAl）最高工作温度已提高到1040摄氏度。

高压压气机盘和叶片采用钛合金代替不锈钢，可以减轻结构重量。每减重10%的飞机可以节省4%的燃料。对于火箭来说，每减轻1公斤的重量就可以增加15公斤km的射程。

六、钛合金加工特性分析

首先，钛合金导热系数低，仅为钢的1/4，铝的1/13，铜的1/25。由于切削区散热缓慢，不利于热平衡，在切削过程中散热冷却效果差，切削区容易形成高温，加工后零件变形反弹大，导致切削工具扭矩增加，叶片磨损快，耐久性降低。

其次，钛合金导热系数低，使切削热积聚在切削刀附近的小区域内，前刀表面摩擦增加，不易排屑，切削热不易排放，加速刀具磨损。最后，钛合金具有较高的化学活性，在高温下加工容易与刀具材料发生反应，形成溶敷和扩散，导致粘刀、烧刀和断刀。

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