鈦及鈦合金的性能特點及其在航空航天領域的應用

1、鈦及鈦合金性能特點

鈦屬于輕金屬材料，密度約為4.5g/cm³，焰點為1668°C。比強度高、耐熱性好，耐腐燭性能優異。鈦有兩種同素異構體，在低溫下，純鈦結晶成接近理想狀態的密排六方結構（HCP)，稱為α鈦，在高溫下體心立方結構（BCC)的錢比較穩定,稱為β鈦。加入一些合金元素使之合金化，可以改變相的穩定存在旳溫度范圍，根據對β轉變溫度的影響，鈦的合金化元素可分為α相穩定元素和β相穩定元素。α相穩定元素將α相區忙擴展到更高的溫度，主要有A1、O、Zr、Sn等；β相穩定元素使β相區向較低的溫度移動，主要是Mo、Fe、Cr、Mn、V等。

根據組織結構的不同，鈦合金通常劃分為α型、α+β型和β型三類，每個國家對鈦合金的編號各不相同，我國標準規定TA代表α鈦合金，TB代表β鈦合金，TC代表α+β鈦合金。鈦合金的主要性能特點如下：

(1)鈦合金具有高比強度鈦合金的密度相對較小純鈦的密度為4.5g/cm³，僅為鈦、鎳以及銅金屬密度的50%左右；但是鈦合金具有很高的強度，屈服強度可達l000MPa，某些高強度鈦合金的強度甚至超過了許多合金結構鋼的強度，因而就比強度（強度與密度比）而言，鈦合金優于其他金屬；可用于制造單位強度高、剛性好、質輕的零部件；

(2)高、低溫性能好鈦合金材料熱穩定性好，高溫強度高，在300~500℃溫度下，其強度約比鋁合金高10倍，TC11長期使用溫度最高可達500℃，Ti-6246合金長期使用溫度最高為450℃；在低溫和超低溫下，仍能保持良好的韌性，鈦合金也被用于制作低溫液體儲存箱；

(3)耐腐蝕能力好，鈦及鈦合金在潮濕的大氣和海水介質中工作其耐腐燭性能遠優于鋁合金、不繡鋼，對點蝕、酸蝕、應力腐蝕，具有很強的抵抗力；對堿、氯化物、氯的有機物品、硝酸、硫酸等有優良的抗腐燭能力；

(4)鈦合金的化學活性大，與大氣中O、N、H、CO、CO2、水蒸氣、氨氣等產生強烈的化學反應；含碳量超過0.2%時，鈦合金中的Ti元素與C元素會在表層中形成硬質TiC;當溫度較高時，Ti元素與N元素作用也會形成TiN硬質層；在600°C以上時，鈦吸收氧形成硬度很高的硬脆層TiO和TiO2;氧含量上升，也會形成脆化層。鈦的化學親和性也大，易與摩擦表面產生粘附現象；

(5)導熱系數和彈性模量都比較小鈦合金的導熱系數只有Fe的1/4，Cu的1/7，A1的1/14;鈦合金的彈性模量約為115GPa,約為鋼的1/2，所以剛性差、易變形；

(6)與復合材料結構匹配不易產生電偶腐燭，由于二者電位比較接近，不易產生電偶腐燭，并且鈦合金與復合材料的強度、剛度匹配較好，隨著先進飛機上復合材料的大量使用，鈦合金被廣泛用于制造與復合材料相接觸部位的結構件和緊固件。

2、鈦合金在航空航天領域的應用

鈦合金利用其優異的綜合力學性能、低密度以及良好的耐燭性是航空航天工業最主要的消費材料。2011年，全球鈦材產量達到14.8萬噸，其中商用航空用鈦材約6.4萬噸，消費比例達到42.6%，軍用航空鈦材比例為6.5%，整個航空領域消耗鈦材比例接近50%;早在二十世紀中葉，美國就巳將鈦材用于飛機制造，美國航空工業是鈦材的主要應用市場，約占錢材總消費量的80%。因此美國航空業的發展狀況已成為鈦工業發展的風向標。由國際鈦協會之前公布的一組數據，表明目前飛機用鈦合金的實際情況：

(1)波音客機：用錢合金量占其總重的15%~17%(凈重）；

(2)F15戰斗機：結構用鈦合金5.75噸，2臺噴氣發動機用鈦合金5噸；

(3)F22戰斗機：結構用鈦合金36噸，2臺發動機用鈥合金5噸；

(4)F35戰斗機：結構用鈦合金10噸，弟臺發動機用鈦合金5噸；

(5)F18艦載機：用鈦合金量占其總重的12~13%;

(6)C-17大型運輸機：用鈦合金量占其總重的10%。

用鈦合金制造飛機零部件，不僅可以延長飛機使用壽命，而且可以減輕其重量，降低燃料消耗，從而大大提高其飛行性能鈦合金在航空工業中主要用于制造飛機結構的骨架、起落架、框梁、蒙皮和翼梁等，如圖1-1(a)、(b)所示及燃氣禍輪發動機壓氣機和風扇的盤件和葉片、壓氣機機梗、外涵道殼體、軸承殼體、尾噴口調節器等見圖1-2(a)、(b)。

鈦合金在現代航空燃氣禍輪發動機中的使用越來越多，己占其重量的30%，其中壓氣機是鈦合金使用最集中的部件，其重量占發動機鈦用量的95%。

圖1-3顯示了在現代大型商用飛機A330/340中欽合金在機架和發動機材料中所占的比例。由圖可以看出其機身幾乎2/3釆用招合金制造，鈦合金和鋼的結構質量均占7%，然而鈦合金是繼鎳基超合金后的第二大噴氣式發動機常用材料占結構質量的1/3以上。多種資料和數據表明，飛機發動機用鈦合金取代鋼材料，可減輕發動機結構重量的30%~40%，常用的大尺寸禍輪風扇葉片用鈦合金有： Ti-6A1-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si等，隨著現代飛機對減輕結構重量、提高結構效率、改善結構可靠性、提高機體壽命、滿足高溫及腐蝕環境等方面性能要求的提高，鈦合金材料應用水平已成為衡量飛機結構選材先進程度的重要指標，是影響飛機性能的重要方面。新型機A380鈦用量占到10%左右，A350的鈦用量達到14%，B787的鈦用量甚至超過了無載重量的15%。隨著航空工業的發展，鈦合金材料的應用將越來越廣泛。目前我國飛機的用鈦量達到15%左右，與國外先進水平相比仍有一定的差距。