钛合金在飞机上的应用_李重河
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摘要 :钛合金以其比强度高 、 耐腐蚀性好等特点在航空航天领域得到 了广泛的 应用 。本文综 述了钛合 金在世界航 空业应用 的发展过 程及现 状 , 介绍了几种典型的钛合金 (α型合金 、 β 型合金和 α+β 型合金 ), 评述了钛合金在机 身和发动机上的 应用情况 , 并对钛合金 未来的发展 作了展望 。
Ti-6242S(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si)美 国 于 20世纪 60年代为改善钛合金的高温性能 , 特别是 为满足喷气式发动机使用要求而开 发的一种近 α 型钛合金 , 在 高温下有较好的蠕变强度和热 稳定 性 , σb=930 MPa。主要用于燃气涡轮发动机零件 (叶片 、 转子等旋转部件 , 使用温度达 540 ℃)[ 8] 。
Ti-55(Ti-5Al-4Sn-2Zr-1Mo-0.2Si-1Nb)是中 科 院金属所根据 TiX相析出的电子浓度规 律设计的 一种近 α型钛合金 。该合金在 550℃具有良好的综 合性能 (550 ℃下 σb=658 MPa), 制成的发动机高 压压气机盘 、 鼓筒和叶片顺利通过了超转 、 断裂 、 低循环疲劳和振动疲劳试验[ 10] 。 1.2 (α+β )型 合金
英国开 发了两种 近 α型钛合 金 :IMI829(Ti5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.25Mo-0.3Si)和 IMI834(Ti5.8A1-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si-0.06C), IMI829的使用温度可达 540 ℃, IMI834的使用温
度可达 600 ℃。IMI829用于 RB-211-535E4引擎的 压气机轮盘 、 刀片和垫圈 , 该引擎用于波 音 757。 IMI834用于 RR Trent800引 擎的中压 压缩机和 高 压压缩机的压气机轮盘的最后两个工序步骤以及 最初四个工序 , IMI834经过 β 两相区固溶时效处 理后使用 (室温的 σb≥930 MPa), 具有高蠕变强度 和良好的疲劳强度和变形能力 , 并有较好的 可焊 接性[ 8] 。
Ti-6 -22-22S(Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si)是 美国 RMI公司在 20世纪 70年代开发出的一种航 空用 α+β 型钛合金 , 具有良好的强韧性匹配 , 经
热处理后 σb≥1035 MPa, 有深淬透性 (断面直径达 100 mm)和极好的超塑性成型能力 。被 Lockheed/ Boeing的 F-22采用作为飞机下部龙骨的翼弦 ;Ti6-2-4-6 是 P＆W开发的在中等 温度下有较高 强度 的合金 , 主要用于军用发动机 (F-110, F-119), 屈 服强度为 1035 MPa, 其损 伤容限性能没有 Ti-6-4 和 Ti-6-2-4-2 好 , 由 于 需检 查次 数多 , 不能 用 于 飞机[ 8] 。
收稿日期 :2008 -01 -02;修订日期 :2008 -03 -17 基金项目 :上海市科委优秀学科带头人项目 (06XD14032);国家重点基础研究发展计划资助项目 (2007CB613606)资助 作者简介 :李重河 (1962 -), 男 , 江西南昌人 , 博士 , 教授 ＊通讯联系人 (E-mail:chli@staff.shu.edu.cn)
钛及钛 合 金具 有 一 系列 优 异 特百度文库性 :如 密度 小 、 比强度高、 抗腐蚀性能好等, 广泛应用于航 空 、 航天等各个领 域 , 例如钛基合 金已在飞机及 发动机中的应用量在 20世纪 80年代就已达到 30%以上 , 而且随着飞机设计进入损伤容限设计 时代 , 其用量还将增加。冷战后, 钛及钛合金又 迅速从军需拓展 到民用 , 多用于 宇宙航空 、 海洋 开发 、 化工设施以 及日用轻工等 方面 。在世界矿 资源中 , 钛是仅次于铁 、铝 、 镁 , 处于第四位的富 有资源 , 但在目前的金属工业产量上, 铁达到 7 亿 t, 铝约 1500万 t, 铜和 不锈钢各为 1000 万 t,
Type
α α α+β
Heattreatment
Annealing Annealing Annealing Solutionageing
σb 886 1019 949 1146
σ0.2 759 858 857 1076
δ5 /% 7.6 9.0 1.9 5.0
86
稀 有 金 属
33卷
图 2 飞机中的钛合金零件 Fig.2 Titanium partsinairplane (a)EJ200欧洲战斗机中用 Ti-6Al-4V制成的中压压缩机箱 ;(b)Ti-6Al-4V锻造的 波音 757的起落架 结构 ;(c)波音 777的 鳍板 ;(d)用 Ti-6Al-4V铸成的波音 777的引擎 排风管 ;(e)波音 777主起落架上的 Ti-10V-2Fe-3Al锻件 ;(f)飞机用钛弹簧
而钛合金的产量约为 10万 t, 只相当于钢铁企业 1 h的生 产量 [ 2] , 所以 说 , 钛又 是一 种尚 未成熟 的年轻金属 , 它很 有希望成为继 铁 、 铝之后的第 三种实用金属 , 开 发利用前景十 分广阔 。钛作为 地球上并不稀缺的资源 , 多年来并未得到广泛应 用 , 而其应用空间 , 特别是在飞机 上的应用事实 上又十分巨大 。在富资源和大市场之间转化阻力 较大 [ 3] , 原因在于应用成本较高 , 实际上是存在 技术经济性的问 题 。如何优化技 术 、 降低成本成 了钛产业发展的战略性关键问题 [ 4, 5] 。
Ti-6-6-2在 STA(固 溶 时 效 )下 的 强 度 达 到 1170 MPa, 比 Ti-6Al-4V高 , 但是断裂韧性及抗压 力腐蚀能力有所下降 , 主要用于波音 747的起落架 结构 , 因为它的抗腐蚀性比低合金钢要好 , 由于密 度低 , 还可用于飞机起落架的阻力杆 、 顶销 (用于 连接起落架扭力臂两部分的销及组合曲 柄等 。道 格拉斯公司 采用退火 后的 Ti-6-6-2, 强度达 1035 MPa, 主要是由于它易于加工成型 , 比 STA下的断 裂韧性和抗压力腐蚀能力好[ 8] 。
钛在飞机上的应用主要有以下 3个方面 :发动 机 、 机体和机载设备 。钛合金在飞机中的用量呈逐 年上涨的势头 , 图 1是波音系列飞机钛合金用量随 时间的变化 [ 6] , 该图形象地说明了钛合金在飞机 中用量的增长趋势 。
1 钛合金的分类
钛合金 按 相的 组 成 可 分 为 :密排 六 方 结 构 (HCP)的 α型合金 (包括近 α型合金 )-即国内牌号 TA、 体心立方结构 (BCC)的 β 型合 金 (包括 近 β 型合金 )-即国内牌号 TB和两相混合的 α+β 型合 金 -即国内牌号 TC。典型钛合金牌号及其室温力学 性能见表 1[ 7] 。
Ti-17(Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr)是 可硬化 α+ β 合金 , 最小强度 1125 MPa, 由 GE飞机发动机公 司开发出可用于 400 ℃下的风扇和压气机轮盘 [ 8] 。 1.3 β 型合金
是由于它的热膨胀系数和碳纤维吻合得 较好 , 铝 与石墨的热膨胀系数不是很吻合导致用铝时易产 生电化学腐蚀[ 11] 。
经退火 的 Ti-6Al-4V锻件 也可用 来制 造波 音 777机身的水平鳍板和垂直鳍板 , 这是由于钛和石 墨的抗腐蚀相容性较好 。
波音 777的机身末端 (图 2(c))和喷射引擎的 排风管 (图 2(d))由于温度高而采用 Ti-6Al-4V, 此 处工作温度较高 , 选用铝合金不合适 , 而钢或镍基 合金又太重 [ 8] 。
Ti-6Al-4V占到整个钛合金 产品的 60%左右 , 最小拉伸强度 896 MPa, 具有较好的疲劳性能和断 裂性能 (经热处理后还能改善 ), 可以制成铸件 、锻 件和挤压件 。 Ti-6Al-4V可用于制造飞机的任何部 分 :机身 、 引擎机仓 、 飞机起落架 、 机翼和尾翼 。 图 2(a)是 EJ200欧洲战斗机中用 Ti-6Al-4V制成 的中压压缩机箱 , 图 2(b)是用 Ti-6Al-4V锻造的波 音 757的起落架结构 。
1期
李重河等 钛合金在飞 机上的应用
85
图 1 波音系列飞机钛合金用量随时间的变化 Fig.1 TiasapercentofOEW ofBoeingaircraftasafunction
ofyearofrollout
1.1 α型合金 Ti-3Al-2.5V用于高压水 压管道系统 (压 力达
28 MPa, 外径为 6.3 ～ 38 mm), 取代了 21-6-9不锈 钢 , 节约了 40%的重量 。 Ti-6Al-4V由于强度高可 以更显著地减轻重量 , 但是其制成薄片和条 状代 价较高 , 而 Ti-3Al-2.5V可容 易地加 工成 薄片 和 条状[ 8] 。
Ti-5Al-2.5V是退火后用合金 , 主要用 于低温 下 , 它在低温下能保持较好的断裂韧度和展延性 , 主要用于涡轮泵中高压燃料的氢侧 [ 8] 。
Ti-8Al-1Mo-1V, 曾经考 虑用它来 做飞机的 骨 架 , 但其抗压力腐蚀能力较差 , 具有较低的密度和 高的模量 , 用于军用发动机的风机叶片 [ 8] 。
Timet开发 了高温用近 α型 钛合金 :Ti-1100 (Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.4Mo-0.4Si), 是 Ti-6Al-2Sn4Zr-2Mo进化而来的 , 其使用温度可达 600 ℃。 AllisonGasTurbineEngines用该合金制造 了 T406/ GMA3007/GMA2100系列引擎的高零件 [ 9] 。
波音 757, 767和 777的挡风玻璃框架都是由 Ti-6Al-4V压铸而成 , 而其上面的顶板是由 Ti-6Al4V板制成 , 这些主要是由于 Ti-6Al-4V具有较高的 强度以抵挡飞机在飞行过程中受到鸟的撞击 [ 11] 。
波音 777 的鳍 板是 由 Ti-6Al-4V热成 型板 制 成 , 厚 5 mm, 宽 762 mm, 长 3.3 m(图 2(c)), 这
第 33卷 第 1期 Vol.33 No.1
稀 有 金 属
CHINESEJOURNALOFRAREMETALS
2009年 2 月 Feb.2009
钛合金在飞机上的应用
李重河 1＊ , 朱 明1, 2 , 王 宁 1, 3 , 鲁雄刚 1 , 程申涛 1
(1.上海大学材料科学与工程学院 , 上海 200072;2.北京有色金属研究总院 , 北京 100088;3.宝山钢铁股份 有限公司特殊钢分公司 , 上海 200940)
表 1 典型钛合金牌号及其室温力学性能 Table1 Typicaltitanium alloybrandandmechanicalpropertiesatroom temperature
Brand
TA7 TA19 TC4
Nominalcomposition
Ti-5Al-2.5Sn Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si Ti-6Al-4V
关键词 :钛合金 ;发动机 ;机身 ;应用 ;发展 中图分类号 :TG146.23 文献标识码 :A 文章编号 :0258 -7076(2009)01 -0084 -08
1910年 , 即飞机问世后的第 7年 , 美国科学家 亨特用 “钠法 ” (钠还原 TiCl4 )获 得了金属钛 。但 钛工业直到第二次世界大战之后的 1948年 , 即卢 森堡科学家发明的 “镁法 ” (镁还原 TiCl4 )在美国用 于生产之后才开始起步 。钛工业的历史要比 航空 工业的历史晚几十年 。钛是唯一在两次世界 大战 中都没有使用过的结构金属材料 。钛与航空 有着 不解之缘 。钛材首先应用于航空 。 1953年 , 在美国 道格拉斯公司生产的 DC-T机发动机吊舱和防火壁 上首次使用钛材 , 从而揭开了钛航空应用的历史 。 从那时以来 , 钛在航空上已应用了半个多世纪 。钛 能在航空上广泛应用是由于它有适于飞机应用的 许多宝贵特性[ 1] 。
Ti-6242S(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si)美 国 于 20世纪 60年代为改善钛合金的高温性能 , 特别是 为满足喷气式发动机使用要求而开 发的一种近 α 型钛合金 , 在 高温下有较好的蠕变强度和热 稳定 性 , σb=930 MPa。主要用于燃气涡轮发动机零件 (叶片 、 转子等旋转部件 , 使用温度达 540 ℃)[ 8] 。
Ti-55(Ti-5Al-4Sn-2Zr-1Mo-0.2Si-1Nb)是中 科 院金属所根据 TiX相析出的电子浓度规 律设计的 一种近 α型钛合金 。该合金在 550℃具有良好的综 合性能 (550 ℃下 σb=658 MPa), 制成的发动机高 压压气机盘 、 鼓筒和叶片顺利通过了超转 、 断裂 、 低循环疲劳和振动疲劳试验[ 10] 。 1.2 (α+β )型 合金
英国开 发了两种 近 α型钛合 金 :IMI829(Ti5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.25Mo-0.3Si)和 IMI834(Ti5.8A1-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si-0.06C), IMI829的使用温度可达 540 ℃, IMI834的使用温
度可达 600 ℃。IMI829用于 RB-211-535E4引擎的 压气机轮盘 、 刀片和垫圈 , 该引擎用于波 音 757。 IMI834用于 RR Trent800引 擎的中压 压缩机和 高 压压缩机的压气机轮盘的最后两个工序步骤以及 最初四个工序 , IMI834经过 β 两相区固溶时效处 理后使用 (室温的 σb≥930 MPa), 具有高蠕变强度 和良好的疲劳强度和变形能力 , 并有较好的 可焊 接性[ 8] 。
Ti-6 -22-22S(Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si)是 美国 RMI公司在 20世纪 70年代开发出的一种航 空用 α+β 型钛合金 , 具有良好的强韧性匹配 , 经
热处理后 σb≥1035 MPa, 有深淬透性 (断面直径达 100 mm)和极好的超塑性成型能力 。被 Lockheed/ Boeing的 F-22采用作为飞机下部龙骨的翼弦 ;Ti6-2-4-6 是 P＆W开发的在中等 温度下有较高 强度 的合金 , 主要用于军用发动机 (F-110, F-119), 屈 服强度为 1035 MPa, 其损 伤容限性能没有 Ti-6-4 和 Ti-6-2-4-2 好 , 由 于 需检 查次 数多 , 不能 用 于 飞机[ 8] 。
收稿日期 :2008 -01 -02;修订日期 :2008 -03 -17 基金项目 :上海市科委优秀学科带头人项目 (06XD14032);国家重点基础研究发展计划资助项目 (2007CB613606)资助 作者简介 :李重河 (1962 -), 男 , 江西南昌人 , 博士 , 教授 ＊通讯联系人 (E-mail:chli@staff.shu.edu.cn)
钛及钛 合 金具 有 一 系列 优 异 特百度文库性 :如 密度 小 、 比强度高、 抗腐蚀性能好等, 广泛应用于航 空 、 航天等各个领 域 , 例如钛基合 金已在飞机及 发动机中的应用量在 20世纪 80年代就已达到 30%以上 , 而且随着飞机设计进入损伤容限设计 时代 , 其用量还将增加。冷战后, 钛及钛合金又 迅速从军需拓展 到民用 , 多用于 宇宙航空 、 海洋 开发 、 化工设施以 及日用轻工等 方面 。在世界矿 资源中 , 钛是仅次于铁 、铝 、 镁 , 处于第四位的富 有资源 , 但在目前的金属工业产量上, 铁达到 7 亿 t, 铝约 1500万 t, 铜和 不锈钢各为 1000 万 t,
Type
α α α+β
Heattreatment
Annealing Annealing Annealing Solutionageing
σb 886 1019 949 1146
σ0.2 759 858 857 1076
δ5 /% 7.6 9.0 1.9 5.0
86
稀 有 金 属
33卷
图 2 飞机中的钛合金零件 Fig.2 Titanium partsinairplane (a)EJ200欧洲战斗机中用 Ti-6Al-4V制成的中压压缩机箱 ;(b)Ti-6Al-4V锻造的 波音 757的起落架 结构 ;(c)波音 777的 鳍板 ;(d)用 Ti-6Al-4V铸成的波音 777的引擎 排风管 ;(e)波音 777主起落架上的 Ti-10V-2Fe-3Al锻件 ;(f)飞机用钛弹簧
而钛合金的产量约为 10万 t, 只相当于钢铁企业 1 h的生 产量 [ 2] , 所以 说 , 钛又 是一 种尚 未成熟 的年轻金属 , 它很 有希望成为继 铁 、 铝之后的第 三种实用金属 , 开 发利用前景十 分广阔 。钛作为 地球上并不稀缺的资源 , 多年来并未得到广泛应 用 , 而其应用空间 , 特别是在飞机 上的应用事实 上又十分巨大 。在富资源和大市场之间转化阻力 较大 [ 3] , 原因在于应用成本较高 , 实际上是存在 技术经济性的问 题 。如何优化技 术 、 降低成本成 了钛产业发展的战略性关键问题 [ 4, 5] 。
Ti-6-6-2在 STA(固 溶 时 效 )下 的 强 度 达 到 1170 MPa, 比 Ti-6Al-4V高 , 但是断裂韧性及抗压 力腐蚀能力有所下降 , 主要用于波音 747的起落架 结构 , 因为它的抗腐蚀性比低合金钢要好 , 由于密 度低 , 还可用于飞机起落架的阻力杆 、 顶销 (用于 连接起落架扭力臂两部分的销及组合曲 柄等 。道 格拉斯公司 采用退火 后的 Ti-6-6-2, 强度达 1035 MPa, 主要是由于它易于加工成型 , 比 STA下的断 裂韧性和抗压力腐蚀能力好[ 8] 。
钛在飞机上的应用主要有以下 3个方面 :发动 机 、 机体和机载设备 。钛合金在飞机中的用量呈逐 年上涨的势头 , 图 1是波音系列飞机钛合金用量随 时间的变化 [ 6] , 该图形象地说明了钛合金在飞机 中用量的增长趋势 。
1 钛合金的分类
钛合金 按 相的 组 成 可 分 为 :密排 六 方 结 构 (HCP)的 α型合金 (包括近 α型合金 )-即国内牌号 TA、 体心立方结构 (BCC)的 β 型合 金 (包括 近 β 型合金 )-即国内牌号 TB和两相混合的 α+β 型合 金 -即国内牌号 TC。典型钛合金牌号及其室温力学 性能见表 1[ 7] 。
Ti-17(Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr)是 可硬化 α+ β 合金 , 最小强度 1125 MPa, 由 GE飞机发动机公 司开发出可用于 400 ℃下的风扇和压气机轮盘 [ 8] 。 1.3 β 型合金
是由于它的热膨胀系数和碳纤维吻合得 较好 , 铝 与石墨的热膨胀系数不是很吻合导致用铝时易产 生电化学腐蚀[ 11] 。
经退火 的 Ti-6Al-4V锻件 也可用 来制 造波 音 777机身的水平鳍板和垂直鳍板 , 这是由于钛和石 墨的抗腐蚀相容性较好 。
波音 777的机身末端 (图 2(c))和喷射引擎的 排风管 (图 2(d))由于温度高而采用 Ti-6Al-4V, 此 处工作温度较高 , 选用铝合金不合适 , 而钢或镍基 合金又太重 [ 8] 。
Ti-6Al-4V占到整个钛合金 产品的 60%左右 , 最小拉伸强度 896 MPa, 具有较好的疲劳性能和断 裂性能 (经热处理后还能改善 ), 可以制成铸件 、锻 件和挤压件 。 Ti-6Al-4V可用于制造飞机的任何部 分 :机身 、 引擎机仓 、 飞机起落架 、 机翼和尾翼 。 图 2(a)是 EJ200欧洲战斗机中用 Ti-6Al-4V制成 的中压压缩机箱 , 图 2(b)是用 Ti-6Al-4V锻造的波 音 757的起落架结构 。
1期
李重河等 钛合金在飞 机上的应用
85
图 1 波音系列飞机钛合金用量随时间的变化 Fig.1 TiasapercentofOEW ofBoeingaircraftasafunction
ofyearofrollout
1.1 α型合金 Ti-3Al-2.5V用于高压水 压管道系统 (压 力达
28 MPa, 外径为 6.3 ～ 38 mm), 取代了 21-6-9不锈 钢 , 节约了 40%的重量 。 Ti-6Al-4V由于强度高可 以更显著地减轻重量 , 但是其制成薄片和条 状代 价较高 , 而 Ti-3Al-2.5V可容 易地加 工成 薄片 和 条状[ 8] 。
Ti-5Al-2.5V是退火后用合金 , 主要用 于低温 下 , 它在低温下能保持较好的断裂韧度和展延性 , 主要用于涡轮泵中高压燃料的氢侧 [ 8] 。
Ti-8Al-1Mo-1V, 曾经考 虑用它来 做飞机的 骨 架 , 但其抗压力腐蚀能力较差 , 具有较低的密度和 高的模量 , 用于军用发动机的风机叶片 [ 8] 。
Timet开发 了高温用近 α型 钛合金 :Ti-1100 (Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.4Mo-0.4Si), 是 Ti-6Al-2Sn4Zr-2Mo进化而来的 , 其使用温度可达 600 ℃。 AllisonGasTurbineEngines用该合金制造 了 T406/ GMA3007/GMA2100系列引擎的高零件 [ 9] 。
波音 757, 767和 777的挡风玻璃框架都是由 Ti-6Al-4V压铸而成 , 而其上面的顶板是由 Ti-6Al4V板制成 , 这些主要是由于 Ti-6Al-4V具有较高的 强度以抵挡飞机在飞行过程中受到鸟的撞击 [ 11] 。
波音 777 的鳍 板是 由 Ti-6Al-4V热成 型板 制 成 , 厚 5 mm, 宽 762 mm, 长 3.3 m(图 2(c)), 这
第 33卷 第 1期 Vol.33 No.1
稀 有 金 属
CHINESEJOURNALOFRAREMETALS
2009年 2 月 Feb.2009
钛合金在飞机上的应用
李重河 1＊ , 朱 明1, 2 , 王 宁 1, 3 , 鲁雄刚 1 , 程申涛 1
(1.上海大学材料科学与工程学院 , 上海 200072;2.北京有色金属研究总院 , 北京 100088;3.宝山钢铁股份 有限公司特殊钢分公司 , 上海 200940)
表 1 典型钛合金牌号及其室温力学性能 Table1 Typicaltitanium alloybrandandmechanicalpropertiesatroom temperature
Brand
TA7 TA19 TC4
Nominalcomposition
Ti-5Al-2.5Sn Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si Ti-6Al-4V
关键词 :钛合金 ;发动机 ;机身 ;应用 ;发展 中图分类号 :TG146.23 文献标识码 :A 文章编号 :0258 -7076(2009)01 -0084 -08
1910年 , 即飞机问世后的第 7年 , 美国科学家 亨特用 “钠法 ” (钠还原 TiCl4 )获 得了金属钛 。但 钛工业直到第二次世界大战之后的 1948年 , 即卢 森堡科学家发明的 “镁法 ” (镁还原 TiCl4 )在美国用 于生产之后才开始起步 。钛工业的历史要比 航空 工业的历史晚几十年 。钛是唯一在两次世界 大战 中都没有使用过的结构金属材料 。钛与航空 有着 不解之缘 。钛材首先应用于航空 。 1953年 , 在美国 道格拉斯公司生产的 DC-T机发动机吊舱和防火壁 上首次使用钛材 , 从而揭开了钛航空应用的历史 。 从那时以来 , 钛在航空上已应用了半个多世纪 。钛 能在航空上广泛应用是由于它有适于飞机应用的 许多宝贵特性[ 1] 。