钛合金在航空工业中的应用
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
600度高温钛合金834应用，使罗罗 公司生产的遄达发动机和RB211发动 机具有全钛压气机的特色。
F119发动机 遄达发动机
Alloy C（Ti-35V-15Cr）与TC4钛合金（Ti-6Al-4V） 阻燃特性的对比
1035
压力 (KPa)
Alloy C 燃烧
690
Alloy C 不燃烧
Leabharlann Baidu
345
TC4 燃烧
TC4不燃烧
0
93 200 315 425 540 650 温度 （ ℃）
CF6 V2500 F119
/
TF33
推出年 代
1956
1960
1965
1968
1969
1973
1976
1985
1989
1997
装用的 飞机
F-4 B-707 C-5A C-5A B-747 F-15
F-104 B-52
C-5B B-767 F-16
C-141
C-5A
B-1 A-330 A-320 F-22 B-747 A-321 B-767
钛合金在航空工业中的应用
——“三钛争艳”时代即将到来
曹春晓
中航工业航材院 南昌航空大学
2014年11月
目录
1 前言 2 繁花遍开的常规钛合金
3 含苞欲放的钛铝金属间化合物 4 初露春色的钛基复合材料 5 5 航空用钛未来发展的几点建议 6 后语
1.前言
“一代材料，一代飞机”是世界航空发展史的真实写 照。一百多年来，材料与飞机一直在相互依赖、相互 推动下不断发展。
钛的大家庭包括三“钛”：常规钛合金、钛-铝金属间化合物和 钛基复合材料，因此钛的广阔天地理应包括三“钛”。
当前钛-铝金属间化合物和钛基复合的发展势头很好，但从航空 应用的角度看，后两个“钛”尚处于含苞欲放、初露春色的 阶段，而常规钛合金已繁花遍开、万紫千红。然而，从潜在航 空应用的角度看，“三钛争艳” 的时代即将到来。到那时，钛 在航空中的应用范围必将更加宽广，“金玉良缘”的故事必将 越说越多，越说越精彩！
钛合金长期稳占航空发动机冷端的主体地位
总的趋势是从钢、 铝时代逐渐转化成 冷端以钛为主、热 端以镍为主的镍、 钛、钢“三足鼎立” 的时代。未来的趋 势是部分地被树脂 基、金属基、陶瓷 基复合材料和金属 间化合物所取代。
一些西方国家发动机的钛合金用量的实例和发展趋势见下表和图。
发动机 型号
J79
JT3D TF36 TF39 JT9D F100 F101
复合材料 3
8
9.5
10
23
24 36 29 38
钛合金
2
7
12
13
15
铝合金
83 73
50
50
29
钢
5
10
15
16
14
41 27 21 26
15
41 19
5
96
我国一些飞机的机体结构中钛合金用量也在不断提高。
机型
中国歼击机机体结构中的钛合金用量
第一代 第二代 第三代 （歼8） （歼11B）
新型
钛合金用量
B777 的Ti-10-2-3主起落架载重梁 Ti-10-2-3在B777主起落架上应用的部位
Ti1023钛合金在A380飞机起落架上应用
大型压机（65000 吨）及大型航空锻件
Ti1023钛合金在A380飞机起落架上应用
高损伤容限的Ti-6Al-4V ELI和Ti-62222S的创新性成果在F-22 上的应用，促使战斗机的钛用量创造了迄今为止的最高世 界纪录（41%）。
我国研制的昆仑涡喷发动机 钛用量15%
我国研制的太行涡扇发动机 钛用量25%
2.2
成分创新催“钛花”遍开 航空园地
例 如 ， “ 三 β ” （ Ti-1023 ， Ti-153 ， β21S）和Ti-64βELI在波音777上的同台 亮相，使波音客机的钛用量创造了二十世 纪 的 最 高 纪 录 （ 7% ～ 8% ） ， 特 别 是 Ti1023 在 波 音 777 起 落 架 上 的 成 功 应 用 ， 打 开了波音和空客公司在大型客机起落架选 材中越来越“宠爱” Ti-1023的局面。
虽然早在1795年就发现了元素钛，但直到1946年才用 Kroll法制出100磅海绵钛，到20世纪50年代初才进入钛 工业化生产的时代。
从此钛就与航空结下了不解之缘。从20世纪50年代至今，世界钛 市场中的最大用户始终属于航空。
美国50年代，钛全部用于航空，基本上只用于军用航空。60年代 开始商用航空采购量逐渐上升。70~80年代军用与商用基本持平。 90年代至今，商用比例继续上升，例如，2000年军用航空采购钛 材4000吨左右，而商用航空采购达12000吨左右。
钛 41% 复合材料 24% 铝 15% 钢 5%
F22的钛用量创造了世界最高纪录
特大Ti-6Al-4V-ELI锻件（F-22后机身隔框， 投影面积5.16m2，重1500kg，3.8m × 1.7m）
高温钛合金Timetal834和阻燃钛合金 AlloyC这两个创新性成果在F119发动 机的风扇、压气机和矢量喷口系统上 的广泛应用，促使军用涡扇发动机的 钛用量创造了世界纪录（40%）。
钛合金 用量, %
2
15 32 33 25 25 20 27 31 40
我国一些航空发动机中钛合金用量在不断提高而趋近于国外的先进水平
已生产应用的军用航空发动机中的钛合金用量。
机型
秦岭
涡喷13
昆仑
太行
钛合金用量% 10
13
15
25
正在研制中的新型军用涡扇发动机的钛合金用量估计为30%~35%； 正在研制中的新型商用涡扇发动机的钛合金用量预计为23%左右。
0
2
15 20~25
%
中国新型歼击机歼31的钛合金用 量与美国先进的战斗机F35钛合
金用量相当。
我国大型军用运输机“运20” 的钛合金用量为10%，与美国先 进的C-17运输机的钛合金用量
（10.3%）相当。
商用支线客机ARJ21的钛合金用量为4.8%， 而商用干线客机C919的钛合金用量约为9%， 高于先进的波音777（7%~8%）而低于最新 推出的波音787（15%）。
2.繁花遍开的常规钛合金
2.1 “钛花”在航空园地上越开越多
大型飞机钛用量不断创新高
美国战斗机和轰炸机上钛合金用量也不断增高， 在F/A-22上达到了高峰，坐上了第一把交椅。
机型
美国军用飞机上各种材料用量占机体结构重量的百分比
F-16 F-17Y F/A-18 F/A18 F/A-18 F/A-22 F-35 B-1 B-2 A/B C/D E/F
F119发动机 遄达发动机
Alloy C（Ti-35V-15Cr）与TC4钛合金（Ti-6Al-4V） 阻燃特性的对比
1035
压力 (KPa)
Alloy C 燃烧
690
Alloy C 不燃烧
Leabharlann Baidu
345
TC4 燃烧
TC4不燃烧
0
93 200 315 425 540 650 温度 （ ℃）
CF6 V2500 F119
/
TF33
推出年 代
1956
1960
1965
1968
1969
1973
1976
1985
1989
1997
装用的 飞机
F-4 B-707 C-5A C-5A B-747 F-15
F-104 B-52
C-5B B-767 F-16
C-141
C-5A
B-1 A-330 A-320 F-22 B-747 A-321 B-767
钛合金在航空工业中的应用
——“三钛争艳”时代即将到来
曹春晓
中航工业航材院 南昌航空大学
2014年11月
目录
1 前言 2 繁花遍开的常规钛合金
3 含苞欲放的钛铝金属间化合物 4 初露春色的钛基复合材料 5 5 航空用钛未来发展的几点建议 6 后语
1.前言
“一代材料，一代飞机”是世界航空发展史的真实写 照。一百多年来，材料与飞机一直在相互依赖、相互 推动下不断发展。
钛的大家庭包括三“钛”：常规钛合金、钛-铝金属间化合物和 钛基复合材料，因此钛的广阔天地理应包括三“钛”。
当前钛-铝金属间化合物和钛基复合的发展势头很好，但从航空 应用的角度看，后两个“钛”尚处于含苞欲放、初露春色的 阶段，而常规钛合金已繁花遍开、万紫千红。然而，从潜在航 空应用的角度看，“三钛争艳” 的时代即将到来。到那时，钛 在航空中的应用范围必将更加宽广，“金玉良缘”的故事必将 越说越多，越说越精彩！
钛合金长期稳占航空发动机冷端的主体地位
总的趋势是从钢、 铝时代逐渐转化成 冷端以钛为主、热 端以镍为主的镍、 钛、钢“三足鼎立” 的时代。未来的趋 势是部分地被树脂 基、金属基、陶瓷 基复合材料和金属 间化合物所取代。
一些西方国家发动机的钛合金用量的实例和发展趋势见下表和图。
发动机 型号
J79
JT3D TF36 TF39 JT9D F100 F101
复合材料 3
8
9.5
10
23
24 36 29 38
钛合金
2
7
12
13
15
铝合金
83 73
50
50
29
钢
5
10
15
16
14
41 27 21 26
15
41 19
5
96
我国一些飞机的机体结构中钛合金用量也在不断提高。
机型
中国歼击机机体结构中的钛合金用量
第一代 第二代 第三代 （歼8） （歼11B）
新型
钛合金用量
B777 的Ti-10-2-3主起落架载重梁 Ti-10-2-3在B777主起落架上应用的部位
Ti1023钛合金在A380飞机起落架上应用
大型压机（65000 吨）及大型航空锻件
Ti1023钛合金在A380飞机起落架上应用
高损伤容限的Ti-6Al-4V ELI和Ti-62222S的创新性成果在F-22 上的应用，促使战斗机的钛用量创造了迄今为止的最高世 界纪录（41%）。
我国研制的昆仑涡喷发动机 钛用量15%
我国研制的太行涡扇发动机 钛用量25%
2.2
成分创新催“钛花”遍开 航空园地
例 如 ， “ 三 β ” （ Ti-1023 ， Ti-153 ， β21S）和Ti-64βELI在波音777上的同台 亮相，使波音客机的钛用量创造了二十世 纪 的 最 高 纪 录 （ 7% ～ 8% ） ， 特 别 是 Ti1023 在 波 音 777 起 落 架 上 的 成 功 应 用 ， 打 开了波音和空客公司在大型客机起落架选 材中越来越“宠爱” Ti-1023的局面。
虽然早在1795年就发现了元素钛，但直到1946年才用 Kroll法制出100磅海绵钛，到20世纪50年代初才进入钛 工业化生产的时代。
从此钛就与航空结下了不解之缘。从20世纪50年代至今，世界钛 市场中的最大用户始终属于航空。
美国50年代，钛全部用于航空，基本上只用于军用航空。60年代 开始商用航空采购量逐渐上升。70~80年代军用与商用基本持平。 90年代至今，商用比例继续上升，例如，2000年军用航空采购钛 材4000吨左右，而商用航空采购达12000吨左右。
钛 41% 复合材料 24% 铝 15% 钢 5%
F22的钛用量创造了世界最高纪录
特大Ti-6Al-4V-ELI锻件（F-22后机身隔框， 投影面积5.16m2，重1500kg，3.8m × 1.7m）
高温钛合金Timetal834和阻燃钛合金 AlloyC这两个创新性成果在F119发动 机的风扇、压气机和矢量喷口系统上 的广泛应用，促使军用涡扇发动机的 钛用量创造了世界纪录（40%）。
钛合金 用量, %
2
15 32 33 25 25 20 27 31 40
我国一些航空发动机中钛合金用量在不断提高而趋近于国外的先进水平
已生产应用的军用航空发动机中的钛合金用量。
机型
秦岭
涡喷13
昆仑
太行
钛合金用量% 10
13
15
25
正在研制中的新型军用涡扇发动机的钛合金用量估计为30%~35%； 正在研制中的新型商用涡扇发动机的钛合金用量预计为23%左右。
0
2
15 20~25
%
中国新型歼击机歼31的钛合金用 量与美国先进的战斗机F35钛合
金用量相当。
我国大型军用运输机“运20” 的钛合金用量为10%，与美国先 进的C-17运输机的钛合金用量
（10.3%）相当。
商用支线客机ARJ21的钛合金用量为4.8%， 而商用干线客机C919的钛合金用量约为9%， 高于先进的波音777（7%~8%）而低于最新 推出的波音787（15%）。
2.繁花遍开的常规钛合金
2.1 “钛花”在航空园地上越开越多
大型飞机钛用量不断创新高
美国战斗机和轰炸机上钛合金用量也不断增高， 在F/A-22上达到了高峰，坐上了第一把交椅。
机型
美国军用飞机上各种材料用量占机体结构重量的百分比
F-16 F-17Y F/A-18 F/A18 F/A-18 F/A-22 F-35 B-1 B-2 A/B C/D E/F