为什么航空材料一定要用钛合金?

金泽贵金属回收 钯铂回收 2023-02-02 359 0

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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。

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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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