航空航天用新型钛合金的研究发展及应用

8. 0
8
01 6
1
6. 5
21 5
4
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1
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2
11 7
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4
6. 2
2
31 6
01 7
Si
其他
0. 1 0. 45
0. 5 0. 2 0. 25 0. 3 0. 5 0. 06C
013 1. 5Cr 012 013 0122 0. 15Fe 0125 012 0. 7W 012 1. 0W 0115 5. 0W
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[ 1, 2] 。现有航空航天用钛合金中, 应用最广的是多用途 A+ B型 T-i 6A-l 4V 合金 和 T-i 6A-l 2Sn-4Zr- 2Mo ( Ti6242) 高温钛合金。但常规钛合 金的工作温度较低, 如 T-i 6A-l 4V 合金的工作温度 仅为 400 e 左右, 一般用于 300~ 350 e 。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 6A-l 4V 和 T-i 6A-l 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 B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。
\1105MPa, 该合金已成功地用来作 IL- 86 和 IL- 96300 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 6A-l 4V, 使用温度为 300~ 350 e 。随后相继研制出 IMI550、BT3-1 等合金, 使 用温度稍有提高, 达 400 e 左右。60 年代, 各国先 后研制成功了 IMI679、IMI685、T-i 6246、T-i 6242 等 合金, 使用温度在 450 e 以上, 均不超过 500 e 。目 前已成功地应用在军用和民用飞机发动机中的新型
第 24 卷 第 3 期 Vol. 24 l . 3
稀 有金属
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X
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 B 型钛合金 ( Ti1023, Ti153, B21S, SP- 700 和 BT - 22) 、高 温钛合 金
T i1023 ( T-i 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 T-i 6A-l 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 e 可进行等温锻造, 提供各种近净 型加工锻件。可冷成形 T i153 ( T-i 15V-3Cr- 3A-l 3Sn) 高强度 B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。
2 20
稀有金属
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] 。
国家 美国
英国
俄罗斯
合金
Ti- 64 Ti- 6246 Ti- 6242 Ti- 6242S Ti- 1100
( IMI829, IMI834, Ti1100, BT18Y , BT36) 、钛铝化合物为基的钛合金 ( Ti3Al( A2 ) 和 TiAl( C) ) 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 了简 略介绍。
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4
2
600
6
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425
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3
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400~ 450 500
500~ 550 500~ 600 550~ 600 500~ 550
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21 5 01 5Fe
6. 5
31 5
6. 5
2
31 5
X 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
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
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 e 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 e 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 e 下其强度相当于目前室温下使用的钛合金强 度[ 8] 。
341
注: K t ) 缺口系数; R ) 缺口圆角半径; N ) 周次
4. 51 \895 \198 690 ~ 55
539 258
7. 75 \1080 \139
955 ~ 80
329
2 19
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 415A-l 3V- 2Mo-2Fe) 钛合金, 在 770~ 800 e 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 T-i 6A-l 4V 低 140 e , 可取代 T-i 6A-l 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 6A-l 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 ( T-i 5V- 5Mo- 1Cr-1Fe- 5Al) , 其拉伸强度
其他
10. 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
表 2 Ti1023 与 T-i 6A-l 4V 和 30CrMnSiA 的力学性能对比
性能
Ti1023
T-i 6A-l 4V
46. 5
15. 5
78. 3
2. 2
50. 9
12. 0
47. 7
9. 0
20. 0
25. 0
41. 0
22. 0
70. 0
9. 0
19. 0
26. 0
20. 0
41. 0
81. 0
4. 0
78. 0
6. 0
80. 0
2. 0
70. 0
7. 0
复合材料
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
30CrMnSiA
密度/ 103 kg#m- 3
4. 65
室温拉伸强度/ MPa
\1105
比强度
\238
300 e 拉伸强度/ MPa
1005
断裂韧性/ MPa#m1/2
\60
疲劳极限/ MPa
K t= 1, R = 0. 1, N = 107
735
K t= 3, R = 0. 1, N = 107
IMI550 IMI679 IMI685 IMI829 IMI834
BT3- 1 BT 8 BT 9 BT 18
BT18Y BT 25 BT25Y BT 36
表 3 高温钛合金的使用温度及化学成分
最高使用温度/ e
Al
Sn
化学成分 X/ %
Zr
Mo
Nb
300
6
4V
450
6
2
4
6
450
6
2
4
2
520
6
图 1 钛铝化合物与一般钛 合金蠕变性能的比较
3期
钱九红 航空航天用新型钛合金的研究发展及应用
2 21
ຫໍສະໝຸດ Baidu
目前, 已有两个 T i3Al 为基的钛合 金 T-i 21Nb14Al 和 T-i 24A-l 14Nb-3V-0. 5Mo 在美国 开始批量 生 产。T-i 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#m1/ 2, 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] 。T-i 24A-l 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 Rb = 893 MPa、屈 服强 度 R0. 2 = 738 MPa、延伸率 D= 26% 。
关键词: 新型钛合金 B型钛合金 高温钛合金 钛铝化合物 阻燃钛合金 文献标识码: A 文章编号: 0258- 7076( 2000) 03- 0218- 06
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。
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
表 1 飞机的结 构用材比例/ %
铝合金
钛合金
70. 0
54. 0
6. 0
36. 0
25. 0
35. 8
26. 9
1 高强高韧 B型钛合金
B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- 11Cr3Al) , 主要 用于 制造 SR71 飞 机的 高 强度 板 材零 件[ 4] 。B 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 B型钛合金最具代表性 的有以下几种[ 5] :
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 B21S ( T-i 15Mo- 3A-l 217Nb-0. 2Si) , 在 649 e 具有良好的抗氧化性能, 可 在 540 e 下长期工作; 冷、热加工性能优良, 可制成 厚度为 0. 064 mm 的箔材, 冷轧变形量达 75% 左右,
3 钛铝化合物为基的钛合金
与一般钛合金相比, 钛铝化合物为基 的 Ti3Al ( A2) 和 T iAl( C) 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 e ) 、 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。