航空航天用新型钛合金的研究发展及应用_钱九红

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2) 和
( IMI829, IMI834, Ti1100, BT18Y , BT36) 、钛铝化合物为基的钛合金 ( Ti3Al( 了简 略介绍。
TiAl( ) ) 和
阻燃 钛合金 ( Alloy C, BTT- 1 和 BTT - 3) 等 4 个方面 , 对航空航天 用新型钛合金的新进展作
关键词 :
1
高强高韧 型钛合金
厚度为 0. 064 mm 的箔材, 冷轧变形量达 75% 左右,
收稿日期 : 1999- 08- 02; 钱九红 , 女 , 1969 年生 , 工程师 ; 联系地址: 北京新街口外大街 2 号。
3期
钱九红
航空航天用新型钛合金的研究发展及应用 表 1 飞机的结 构用材比例 / %
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机种 F- 104 F- 4E F- 14E F- 15E Hurficane F- 16A F- 18A AV- 8B F- 117A B- 1 C- 17 B- 2 F- 22 B747 B757 B767 B777
钢 20. 0 17. 0 15. 0 4. 4 15. 0 4. 7 13. 0 8. 0 5. 0 15. 0 13. 0 6. 0 5. 0 13. 0 12. 0 14. 0 11. 0
3. 0 4. 0 2. 0 3. 0 4. 2 12. 0 26. 3 40. 0 1. 0 7. 0 38. 0 24. 0 1. 0 3. 0 3. 0 11. 0
20. 0 20. 0 20. 9 20. 0 10. 6 12. 1 9. 0 10. 0 21. 0 1. 0 11. 0 10. 0 1. 0 1. 0 1. 0 1. 0
新型钛合金 A
型wenku.baidu.com合金
高温钛合金
钛铝化合物
阻燃钛合金
文献标识码 :
文章编号:
0258- 7076( 2000) 03- 0218- 06 型钛合金最早是 50 年代中期由美国 Crucible 钢铁 公 司 研 制 出 的 B120VCA 合 金 ( T i 13V 11Cr 3Al) , 主要 用于 制造 SR71 飞 机的 高 强度 板 材零 件[ 4] 。 型钛合金具有良好的冷、热加工性能 , 易 锻造 , 可轧制、焊接 , 可通过固溶 时效处理获得较 高的机械性能、良好的环境抗力及强度与断裂韧性 的很好配合。 新型高强高韧 型钛合金最具代表性 的有以下几种[ 5] : T i1023 ( Ti 10V 2Fe 3Al) 钛合金是一种为适应 损伤容限设计原则而产生的高结构效益、高可靠性 和低制 造成本 的锻 造钛 合金。由表 2 可 以看 出, T i1023 合金的拉伸强度、 断裂韧性和疲劳性能明显 优于 Ti 6Al 4V, 并与飞机结构中常用的 30CrMnSiA 高强度结构钢相当。这种 T i1023 合金具有优异的锻 造性能, 在 760 可进行等温锻造, 提供各种近净 型加工锻件。可冷成形 T i153 ( Ti 15V 3Cr 3Al 3Sn) 高强度 钛合金的冷加工性能比工业纯钛还好, 可 在固溶状态下进行各种复杂零件的冷成形 , 时效后 的室温拉伸强度可达 1000 MPa 以上 , 该合金特别 适宜制造火箭发动机推进剂贮箱和导管等部件。 另外 , 美国钛金属公司 T imet 分部研制成的一 种新型抗氧 化、超高 强钛合 金 21S ( Ti 15Mo 3Al 2 7Nb 0. 2Si) , 在 649 在 540 具有良好的抗氧化性能, 可 下长期工作; 冷、热加工性能优良 , 可制成
图 1 钛铝化合物与一般钛 合金蠕变性能的比较
3
钛铝化合物为基的钛合金
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钱九红
航空航天用新型钛合金的研究发展及应用
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目前, 已有两个 T i3Al 为基的钛合 金 Ti 21Nb 14Al 和 Ti 24Al 14Nb 3V 0. 5Mo 在美国 开始批量 生 产。 Ti 21Nb 14Al 合金已经熔铸出了 3200 kg 重的铸 锭, 并轧制出 0. 08 mm 914 mm 243 8mm 的箔材 , 其蠕变强度与镍基高温合金 Inconel713 相当, 最高 韧性可达 32 MPa m , 已制成高压压气机机匣、高 压涡 轮支 承 环、导 弹尾 翼 和燃 烧 室 喷管 密 封 片 等[ 10] 。 Ti 24Al 14Nb 3V 0. 5Mo 合金通过热机械处理 (TMP) 可获 得具有良好强度、塑 性的综合机械 性 能: 拉伸 强度 b = 893 MPa、屈 服强 度 MPa 、延伸率 = 26% 。
[ 1, 2]
。 现有航空航天用钛合金中 ,
应用最广的是多用途 + 型 T i 6Al 4V 合金 和 T i 6Al 2Sn 4Zr 2Mo ( Ti6242) 高温钛合金。但常规钛合 金的工作温度较低, 如 Ti 6Al 4V 合金的工作温度 仅为 400 左右, 一般用于 300~ 350 。未 来的航 空航天飞行器及其推力系统 , 要求发展比现 有 T i 6Al 4V 和 Ti 6Al 2Sn 4Zr 2Mo 合 金的强 度、工作 温 度和弹性模量更高、密度更小和价格更低的钛合金 材料[ 3] 。因此, 近年来所开发出的新型钛合金主要 分为以下 4 大类: ( 1) 高强高韧 型钛合金 ; ( 2) 高 温钛合金; ( 3) 钛铝化合物为基的钛合金 ; ( 4) 阻 燃钛合金。 本文从这 4 个方面简述了钛合金的新进 展。
铝合金 70. 0 54. 0 36. 0 35. 8 46. 5 78. 3 50. 9 47. 7 20. 0 41. 0 70. 0 19. 0 20. 0 81. 0 78. 0 80. 0 70. 0
钛合金
复合材料
其他 10. 0
6. 0 25. 0 26. 9 15. 5 2. 2 12. 0 9. 0 25. 0 22. 0 9. 0 26. 0 41. 0 4. 0 6. 0 2. 0 7. 0
与一般钛合金相比 , 钛铝化合物为基 的 Ti3 Al ( 2 ) 和 T iAl( ) 金属间化合物的最大优点是高温性 能好 ( 它们的最高使用温度分别为 816 和 982 ) 、 抗氧化能力强、抗蠕变性能好 ( 见图 1) [ 9] 和重量轻 ( 它们的密度与钛合金相当, 只有镍基高温合金的 1/ 2) , 这些优点使其成为未来航空用发动机及飞机 结构件最具竞争力的材料。
第 24 卷 第 3 期 Vol. 24 . 3




CHINESE JOURNAL OF RARE METALS
2000 年 5 月 May 2000
航空航天用新型钛合金的研究发展及应用
钱 九 红
( 北京有色金属研究总院科技信息研究所 , 北京 100088) 摘 要:
从高强高韧 型钛合金 ( Ti1023, Ti153, 21S, SP- 700 和 BT - 22) 、高 温钛合 金
1105MPa, 该合金已成功地用来作 IL 86 和 IL 96 300 的机身、 机翼、 起落架和其他高承载部件。通过 热处理可使 20 cm 厚的部件获得较高性能[ 4, 6, 7] 。
2
高温钛合金
高温钛合金是随着航空工业的发展而发展起来
的 , 其研制工作始于 50 年代初。世界上第一个研制 成功的高温钛合金是 T i 6Al 4V, 使用温度为 300~ 350 。随后相继研制出 IMI550、BT3 1 等合金 , 使 用温度稍有提高, 达 400 左右。60 年代 , 各国先 后研制成功了 IMI679、IMI685、Ti 6246、Ti 6242 等 合金, 使用温度在 450 以上, 均不超过 500 。目 前已成功地应用在军用和民用飞机发动机中的新型
表 2 Ti1023 与 T i 6Al 4V 和 30CrMnSiA 的力学性能对比
性能 密度 / 103 kg m - 3 室温拉伸强度 / MPa 比强度 300 拉伸强度 / MPa
1/ 2
Ti1023 4. 65 1105 238 1005 60
Ti 6Al 4V 4. 51 895 198 690 ~ 55
近年来随着材料科学的发展以及能源危机的冲 击, 航空航天工业对高强度、 高弹性模量、 低密度、 耐高温的新型结构材料的需要越来越迫切。因此 , 新型钛合金便成为近年来世界各国的研究热点。 钛合金具有密度小、强度高、耐高温和抗腐蚀 性好等优点 , 在航 空航天领 域中获得 了广泛的 应 用。美国在 80 年代以后设计的各种先进军 用战斗 机和轰炸机中, 钛合金用量已经稳定在 20% 以上。 如第三代战斗机 F 15 钛合金用量占 27% , 而第四 代战斗机 F 22 钛合金用量占 41% , 表 1 为 最近飞 机的结构用材情况
进一步提高这些合金的工作温度往往受到蠕变 温度、组织稳定性和表面抗氧化能力的限制。美国 冶金学家用 0. 5% ~ 1% Ta ( 质量分数) 代替 IMI834 合金中的 Nb, 称为 IMI834 Ta 。IMI834 Ta 合金的高 温性能与 IMI834 几乎相同, 600 时屈服强度达 580 MPa 、蠕变性能高于 IMI834。另外 , 在合金中添加硅 和铁是至关重 要的问题 , 硅 能有效地 改变蠕变 强 度; 相反 , 增加铁含量对蠕变强度却有致命影响 , 铁含量必须控制在 0. 015% 以下。减少偏析程度和 夹杂物 , 对提高高温合金的性能有明显的作用。近 几年国外把采用快速凝固 / 粉末冶金技术研制钛合 金作为高温钛合金的发展方向 , 使钛合金的使用温 度可提高到 650 以上。美国麦道公司采用这种技 术成功地研制出一种高纯度、高致密性钛合金 , 在 760 下其强度相当于目前室温下使用的钛合金强 度[ 8] 。
不需要中间退火; 已被美国国家宇航局 ( NASA) 确 定用作碳化硅/ 钛复合材料的基体材料 , 并将用于 美国国家 航空航天飞机 ( NASP ) 的机 身和机翼 壁 板。日本钢管公司 ( NKK) 研制成功的 SP 700 ( T i 4 5Al 3V 2Mo 2Fe) 钛合金, 在 770~ 800 就呈现超 塑性 , 延伸率高达 2000% 。该合金强度高 , 超塑成 形温度比 Ti 6Al 4V 低 140 , 可取代 T i 6Al 4V 合 金用超塑成型 扩散连接 ( SPF/ DB) 技术制造各种 航空航天构件。 目前 , 美国 RMI 钛公司计划开发这 种合金在飞机结构及转动零件方面的应用市场。虽 然它的价格比 T i 6Al 4V 大约高出 10% , 但由于生 产成本的降低, 所以整个成本基本持平。俄罗斯研 制出的 BT 22 ( Ti 5V 5Mo 1Cr 1Fe 5Al) , 其拉伸强度
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24 卷
高温合金有 : 英国的 IMI829、IMI834 合金; 美国的 Ti1100 合金 ; 俄罗斯的 BT 18Y、BT36 合金等。表 3
为高温钛合金的使用温度及化学成分 [ 7] 。
表 3 高温钛合金的使用温度及化学成分
化学成分 国家 美国 合金 Ti- 64 Ti- 6246 Ti- 6242 Ti- 6242S Ti- 1100 英国 IMI550 IMI679 IMI685 IMI829 IMI834 俄罗斯 BT3- 1 BT8 BT9 BT18 BT18Y BT25 BT25Y BT36 600 最高使用温度 / 300 450 450 520 600 425 450 520 580 590 400~ 450 500 500~ 550 500~ 600 550~ 600 500~ 550 Al 6 6 6 6 6 6 2 6 5. 5 5. 5 6. 5 6. 5 6. 5 8. 0 6. 5 6. 8 6. 5 6. 2 2 5 2 2 2 2 8 4 1 7 4 3 6 3. 5 4 2 2 2 2. 7 2 11 5 5 3 4 4 4 4 4 6 2 2 0. 4 4 1 0. 5 0. 3 0. 3 2 5 3 5 3 5 0 6 0 7 2 4 0 7 1 1 1 1 0 5Fe 0. 1 0. 45 0. 5 0. 2 0. 25 0. 3 0. 5 0 3 0 2 0 3 0 22 0 25 0 2 0 2 0 15 0. 7W 1. 0W 5. 0W 0. 15Fe 0. 06C 1. 5Cr Sn Zr Mo /% Nb 4V Si 其他
30CrMnSiA 7. 75 1080 139 955 ~ 80
断裂韧性 / MPa m 疲劳极限 / MPa
K t = 1, R = 0. 1, N = 107 K t = 3, R = 0. 1, N = 注: K t 缺口系数 ; R 107
735 341 周次
539 258
329
缺口圆角半径 ; N
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