钛合金在国防工业上的应用

“化学与国防”课程论文

授课学期2013 学年至2014 学年

第一学期

学院化学与药学学院

专业应用化学

学号************

姓名韦利娜

任课教师刘延成

交稿日期

成绩

阅读教师签名

日期

广西师范大学学工部（处）制

钛合金在国防工业上的应用

学院：化学与药学学院专业：应用化学姓名：韦利娜学号：201110901084

摘要：钛合金在国防高技术和武器装备的发展中占有极为重要的地位。它能降低军用飞机的重量,改善机动性能从而极大地提高其战斗力和生存能力;提高航空发动机的推重比;提高舰船搜索、发现、跟踪和反监护能力以及减轻武器重量,延长使用寿命。正因如此,世界各军事强国在其先进的战机、导弹、核潜艇、兵器等武器装备上都大量使用钛合金,并有逐步增加的趋势。此外，钛合金有很好的应用前景。

关键词：钛合金、特点、国防、应用

一、钛合金的特点

（一）钛元素的发现

钛元素发现于1789年，1908年挪威和美国开始用硫酸法生产钛白，1910年在试验室中第一次用钠法制得海绵钛，1948年美国杜邦公司(DUPONT)才用镁法成吨生产海绵钛，这标志着海绵钛即钛工业化生产的开始。反应过程如下：

TiO2+Cl2 →TiCl4

TiCl4+Mg →Ti

可见钛材生产过程中涉及剧毒化学介质氯气（二战中的化学武器）和贵金属镁，而且反应过程需要大量的能量，这就是钛材昂贵的原因。这个过程冶炼出来的钛材还不能用于生产，因为它还是多孔疏松状的，形似海绵，称为海绵钛，海绵钛将被置于真空自耗电弧炉中冶炼出钛锭，用于板材、棒、管子及其他形式钛材的生产。

（二）钛合金的特性

钛合金具有很多优良性能，钛的比重为4.5g/cm3,仅为普通结构钢的56％，而其具有钛合金的强度高，很好的耐热和耐低温性能能在550℃高温下和零下250℃低温下长期工作而保持性能不变，很好的抗腐蚀能力,把钛合金放在海水中泡上几年，仍能保持光亮。此外，钛的导热系数小、无磁性，某些钛合金还具有超导性能、记忆性能和贮氢性能等功能。正因这些优点，钛金属被称为“太空金属”、“海洋金属”以及21世纪最有发展前景、继钢铁、铝之后的第三金属。目前，钛金属的造价昂贵，使用最多的是航空航天、舰船、兵器等军事工业部门，以用于国防[1]。

二、钛合金的应用

自20世纪50年代以来，钛及钛合金的发展已经历了半个多世纪的历程，钛合金的种类已从1954年的Ti-6Al-4V合金[2]发展到数百种。因为具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点，钛合金被广泛用于各个领域，包括航空航天、汽车制造、医药卫生以及其他日常生活领域。世界上的许多国家如美国、日本、俄罗斯以及中国等都认识到钛合金材料的重要性，并相继对其进行了研究开发，得到了实际应用[2,3]。

近年来，世界钛工业和钛材加工技术得到了飞速发展，海绵钛、变形钛合金和钛合金加工材的生产和消费都达到了很高的水平，在航空航天领域、舰艇及兵器等军品制造中的应用日益广泛，在汽车、化学和能源等行业也有着巨大的应用潜力。

（一）钛合金在航空航天上的应用

一种新金属或合金的开发和利用往往由科学的进步而产生。航空航宇的飞速发展，促进了钛合金的研发。由于航空航宇要求使用的材料具有强度高、耐高温、耐腐蚀，且成型性和加工性能好等特点，此外同时也会采取特殊表面处理技术其强度和硬度。

从20世纪50年代开始,钛合金在航空航天领域中得到了迅速的发展。该应用主要是利用了钛合金优异的综合力学性能、低密度已及良好的耐蚀性，比如航3空构架要求高抗拉强度并结合有良好的疲劳强度和断裂韧性。而钛合金的优异的高温抗拉强度、蠕变强度和高温稳定性也使之被应用于喷气式发动机上。钛合金是当代飞机和发动机的主要结构材料之一, 应用它可以减轻飞机的重量, 提高结构效率。

太空飞行器的有效载荷相对飞机较小，因此其结构的减重就显得更为重要。钛合金已在最早的阿波罗和水星计划中得到了应用，燃料箱和卫星舱体等都是钛合金的典型应用。钛合金质量轻、强度高、与燃料的长期化学稳定性好，因而比高强度钢更有优势。如Ti-3Al-2.5V 合金是作为低温应用而研制的，在太空的深冷条件下仍有良好的韧性和塑性。目前钛合金在航天航空的的应用材料有：钛6Al2Sn强化钛合金—紧固件、导向装置、重要结构、钛4AlMo1V 钛合金—飞机骨架、钛Sn5Zr1Mo钛合金—起落架、飞机承重架、紧固件；钛合金1M1315—火箭机盘、导弹基座构件、钛合金1M155—导弹动力叶片套、钛合金T-A6V—飞船主用材料等。

（二）钛合金在陆军业上的应用

我国已经研制成功了83-1型和83-2型两种迫击炮。83-1型82迫击炮广泛采用了钛合金，把全炮重量降低到18.1公斤，极其方便班、排这样的小单位的袭扰战的开展。钛A7D

—新型装甲车辆力学分析锻件钛A6Z5W—反坦克火箭（导弹），地空导弹罩等抗蠕变性要求高的部件。钛1M1551—某装甲车辆火力高速旋转部件。

（三）钛合金在海军业上的应用

在此以俄罗斯海军用钛情况来说明，几十年来,俄罗斯在核潜艇、水面舰船、常规潜艇、航母、深潜器中都大量采用了钛合金结构,其主要舰船都经过了北极、南极、赤道海域、太平洋、印度洋、大西洋的全球海域航行,解决了设计许用应力、安全系数选取、合金系研究、腐蚀、抗爆冲击、断裂及疲劳等问题,以及加工工艺特别是焊接工艺问题等一系列的研究、实船建造运行及维护等重大关键问题,并集聚了一批经验丰富的专家以及可供工程应用的实验手段及试验装置[4]。

俄罗斯将钛合金用于舰船的核动力装置（NPP)、舰船管系、声纳系统、热交换器等。俄罗斯海军用钛合金都采用α钛合金,利用其特性有利于消除腐蚀裂纹产生的可能性。合金范围由[Al]当量值来确定。

LT41钛合金—舰船大面积蒙皮3.7114钛合金—可焊性优良，成型性好适合各种水密隔层，钛V13CA钛合金—蜂窝状舰身，承重框架。钛合金在舰船上使用是很有前途的。这跟钛合金的强度、韧性有关系，还有就是耐腐蚀性，海水中的钛是极其稳定的，基本上可以认为船体是不会腐蚀的，这样既可以减少维护的费用，也可以减轻船体的重量。

三、我国国防工业使用钛的情况

我国的钛工业同样是为航空而兴起的，我国在上世纪80年代确定了大力推广钛材民用的方针，国家又适时地采取了扶持的政策，钛工业才走上了稳定发展的道路。近年来，我国飞机制造业和造船业这两个领域发展很快，不断有新型飞机量产，在研的项目也很多，估计这两个领域的用钛量将会大幅增加，而且也有报道说明我们的F10上也使用了较多的钛合金，前段时间还有网友在铁血网站上贴出了我国新型的钛合金发动机罩和强5战机的机翼钛合金连接件的图片。可见我国在钛合金使用上面早已成熟，假以时日，我们的钛合金的应用也能让航空航天工业飞跃。在航天领域，中国第一台大型全钛紫外太空望远镜也已经制造并实验完毕，钛合金在太空领域的应用前途光明。

但目前我国钛业的规模和钛材的产量与世界发达国家还有很大的差距，在民用工业上钛的用量也还较小，其原因是钛金属材料的优越性还没有被广泛认识，再加上钛材料昂贵的价格使很多企业不能承受，直接影响了钛材料的推广使用。要使我国的钛工业得到高速发展，必须大力宣传和推广使用钛金属材料，使钛金属材料的优越性得到充分的应用。