1、第 4章 钛合金在飞行器制造中的应用11791年，英国牧师格累高尔发现了一种新元素。1795年，法国化学家克拉普罗特以日耳曼神话中女神坦的名字为它命名，译成中文就是 “钛 ”。从此，钛便进入了科学家的实验室。钛是一种新金属，由于它具有一系列优异特性，被广泛用于航空、航天、化工、石油、冶金、轻工、电力、海水淡化、舰艇和日常生活器具等工业生产中，它被誉为现代金属。金属钛生产从 1948年至今才有半个世纪的历史，它是伴随着航空和航天工业而发展起来的新兴工业。它的发展经受了数次大起大落，这是因为钛与飞机制造业有关的缘故。但总的说来，钛发展的速度是很快的，它超过了任何一种其他有色金属的发展速度。 2钛的
2、蕴藏量十分丰富，在地球上钛的储量约占地壳总重的0.61%，在所有元素中占第十位， 居于氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢 之后，按金属元素计，为第 7位；在常用金属中则仅次于铝、铁和镁，占第四位；比铜、镍、铅、锌的总和还多十余倍。但由于它的高温性质特别活泼，很难提纯，因此金属钛直到二十世纪四十年代才生产出来。第二次世界大战后首先在真空炉中成功地用镁还原四氯化钛获得了海绵钛，工业上开始少量应用。冶炼技术一经突破并投入工业生产后，这种新材料迅速受到人们的重视。随着钛材需求量的增加，钛及钛合金的产量一定会有大的增长。钛及钛合金由于具有优良的耐腐蚀性能、较高的强度和比强度以及能耐较高的温度，已作为一种
3、工业材料在飞行器制造行业得到了广泛的应用。 31、记忆功能钛 -镍合金在一定环境温度下具有单向、双向和全方位的记忆效应，被公认是最佳记忆合金。在工程上做管接头用于战斗机的油压系统；石油联合企业的输油管路系统；直径 0.5mm丝做成的直径 500mm抛物网状天线用于宇航飞行器上；在医学工程上用于制作鼾症治疗；制成螺钉用于骨折愈合等。上述应用均获得了明显效果。2 、超导功能铌 -钛合金在温度低于临界温度时，呈现出零电阻的超导功能。3、贮氢功能钛 -铁合金具有吸氢的特性，把大量的氢安全的贮存起来，在一定的环境中又把氢释放出来。这在氢气分离、氢气净化、氢气贮存及运输、制造以氢为能源的热泵和蓄电池等方面
4、应用很有前途。 41 密度小 ,比强度高金属钛的密度为 4.51g/cm3,高于铝而低于钢、铜、镍，但比强度高于铝合金和高强合金钢。2 弹性模量低钛的弹性模量在常温时为 106.4GPa,为钢的 57%。3 导热系数小金属钛的导热系数小，是低碳钢的五分之一，铜的二十五分之一。 4 抗拉强度与其屈服强度接近钛的这一性能说明了其屈强比（屈服强度 /抗拉强度 ）高，表示了金属钛材料在成形时塑性变形差。由于钛的屈服极限与弹性模量的比值大，使钛成型时的回弹能力大。 55 无磁性、无毒钛是无磁性金属，在很大的磁场中也不会被磁化，无毒且与人体组织及血液有好的相溶性，所以被医疗界采用。6 抗阻尼性能强金属钛受
5、到机械振动、电振动后，与钢、铜金属相比，其自身振动衰减时间最长。利用钛的这一性能可作音叉、医学上的超声粉碎机振动元件和高级音响扬声器的振动薄膜等。7 耐热性能好新型钛合金可在 600 或更高的温度下长期使用。8 耐低温性能好钛合金 TA7（ Ti-5Al-2.5Sn） ,TC4(Ti-6Al-4V)和 Ti-2.5Zr-1.5Mo等为代表的低温钛合金 ,其强度随温度的降低而提高 ,但塑性变化却不大。在 -196-253 低温下保持较好的延性及韧性 ,避免了金属冷脆性 ,是低温容器 ,贮箱等设备的理想材料。9 吸气性能钛是一种化学性质非常活泼的金属 ,在高温下可与许多元素和化合物发生反应。钛吸气
6、主要指高温下与碳、氢、氮、氧发生反应。 610耐腐蚀性能钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向大。但实际上钛在许多介质中很稳定，如钛在氧化性、中性和弱还原性等介质中是耐腐蚀的。这是因为钛和氧有很大的亲和力，在空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密的、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀。即使由于机械磨损也会很快自愈或重新再生。这表明了 钛是具有强烈钝化倾向的金属。介质温度在 315 以下钛的氧化膜始终保持这一特性 。为了提高钛的耐蚀性，研究出 氧化、电镀、等离子喷涂、离子氮化、离子注入和激光处理等表面处理技术 ，对钛的氧化膜起到了增强保护性作用，获得了所希
7、望的耐腐蚀效果。针对在硫酸、盐酸、甲胺溶液、高温湿氯气和高温氯化物等生产中对金属材料的需要 ，开发出钛 -钼、钛 -钯、钛 -钼 -镍等一系列耐蚀钛合金。钛铸件使用了钛 -32钼合金，对常发生缝隙腐蚀或点蚀的环境使用了钛 -0.3钼 -0.8镍合金或钛设备的局部使用了钛 -0.2钯合金 ,均获得了很好的使用效果。 71. 在飞机上的应用钛合金是现代飞机承力结构中最有应用前景的材料。同铝合金及钢相比，它具有更高的 比强度 。同时，其耐腐蚀性、疲劳抗力均很高。在高温下不可能采用铝合金时，钛合金却能有效地工作。考虑到飞机结构承力部件（壁板、缘条、隔框、梁、接头及起落架等）的特点，制造时要用到厚板、模
8、锻件（锻件）、铸件，以及挤压型材、轧制型材和薄板等半成品。设计此类疲劳危险的结构部件，要求选用高比强度 ,最大断裂韧性和最小裂纹扩展速率的材料。钛合金可满足要求，方法是对不同半成品采用不同的 变形加工 和 热处理，形成必需的 冶金组织 ；针对钛合金的所有特点，研究制订出钛合金零部件的 加工工艺 。4.1 钛合金在飞行器结构上的应用8结构的重量效率是主要的质量指标之一 。改进半成品及决定结构件采用何种连接，对提高结构重量总效率起着十分重要的作用。这不仅取决于设计任务书，还取决于结构材料的工艺性能。对两块壁板的等寿命对接结构分析得知，焊接接头具有最高的重量效益，且电子束焊接优于其它焊接，因此选择钛
9、合金制造飞机结构的主要要求之一是合金本身要有良好的 可焊性 。而钛合金 Ti-6Al-4V就具有良好的可焊性。9从技术和质量上考虑，飞行器制造工业都是金属钛的最大用户，从板、管材到铸件、锻件，消耗钛加工材达 60%以上。在 1980年前，民用机与军用机都想在机体上采用钛制部件，但因成本问题而受到限制。然而燃料费在美国各主要航空公司的经营成本中所占的比例自 1970年以来一直在上升（ 1970年占 12%， 1980年占28%， 1990年占 31%），从而推动了具有高比强度的钛部件在飞机上的广泛应用。因使用钛部件而使初期投资增加的部分，可因节省航运费和维修费而完全抵消。加上定期客机效率的改善，使得波音公司投资数十亿美元，开发了节能效率好的 757型和 767型客机。10
