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中国航空结构用新型TC17/TC21钛合金研究进展

发布时间: 2021-09-03 19:51:21    浏览次数:

1、前言

钛合金由于具有比强度高、使用温度范围宽(-269℃~600℃)、抗腐蚀性好和良好的加工性能等,被广泛应用于航空航天及其发动机结构中。近几年来,世界钛产业发展迅速,其中50%的市场份额属于航空工业。中国钛产业在最近的6年来也快速增长,其中海绵钛(TitaniumSponge)和钛材(TitaniumProducts)产量都达到10000t以上,创历史新高,中国钛产量占世界钛产量的比例2004年以来一直名列第4位。但是,中国的钛产品结构不是很理想,化工和体育等用板材和管材占近50%左右,而航空用大棒材、锻件等半成品产量只占10%左右。

中国钛产业近几年来虽然得到了快速发展,但航空结构用钛合金产品(钛锻件和大棒材等半成品)只占10%左右,距离世界水平的50%差距甚远。所以,加强航空结构用新型钛合金材料技术及其应用研究,提高航空结构用钛合金的加工技术和应用水平,建立具有中国特色的航空结构用钛合金材料体系,是提高钛合金在航空工业用量的重要推动力和保障。本文从分析国内外钛合金产业结构特点出发,重点阐述航空结构用新型钛合金材料及热工艺技术等方面的最新研究进展。

2、航空结构用新型钛合金的研究进展

中国40余年来一直致力于航空结构用新型钛合金方面的研究,已基本形成了航空结构用钛合金材料体系,满足了航空结构应用的需要。目前,我国研究的钛合金共有72个牌号,其中,投入工业化应用的钛和钛合金牌号有40多个,象α或近α型钛合金(TA1~TA28)共22个,β或近β型钛合金(TB2~TB9)共9个,α-β型钛合金(TC1~TC24)共24个等。

2.1飞机结构用新型钛合金研究

开展飞机结构用新型钛合金研究是提高飞机结构钛合金用量和应用水平的重要保证。经过几十年的努力,中国已经具备自主研发航空结构用新型钛合金的条件和能力。现在,中国已经引进了许多先进的钛合金熔炼与加工设备,例如,自动称重与混料系统,5t~15t真空自耗熔炼炉,2400kW电子束冷床熔炼炉,2500/3000t和3500/4000t快锻机,1300t精锻机,以及先进的棒线材自动生产线等。

为了满足飞机结构用钛合金的发展需要,近年来,我国自主研发了几种新型的结构钛合金材料,例如,低强高韧性的丝材钛合金(NbTi)和管材合金(TA18),中强高韧高损伤容限型钛合金(TC4-DT),高强高韧高损伤容限型钛合金(TC21),1300MPa-2000MPa系列超高强度钛合金(TB8、TiB19、TiB20)等,初步形成了具有中国特色的飞机结构用新型钛合金材料体系,奠定了新一代飞机结构用钛合金的应用框架结构(见表1)。

中国自主研发的飞机结构用新型钛合金

2.1.1TC21高强高韧高损伤容限钛合金

TC21钛合金是具有我国自主知识产权的新型飞机结构用钛合金,目前该合金300mm以下大钛棒材具备稳定批量供应的条件。TC21钛合金具有高强度、高韧性、高可焊性、低da/dN等性能,其综合力学性能比美F一22飞机应用的Ti一6—22—22S(美)和苏一27系列飞机广泛应用的BT20(俄)钛合金更加优异,特别是具有非常优异的电子束焊接性能(见表2),适合于制造飞机大型整体框梁类重要承力构件。

TC21钛合金和BT20等钛合金EBW焊接接头性能对比

2.1.2TC4一DT中强高韧高损伤容限钛合金

TC4一DT钛合金是我国结合纯净化熔炼技术和新型的处理工艺技术而研发的新型中强度高损伤容限型钛合金,该合金具有很高的韧性、低的疲劳裂纹扩展速率(da/dN)、优异的焊接性能、优良的工艺性能和较低的成本等综合性能,特别适合制造飞机大型整体框梁类重要承力构件。目前,TC4一DT钛合金300mm以下大棒材具备批量供应的能力。

2.1.3 44.5NbTi低强高韧性线材钛合金

Ti44.5Nb低强高韧性线材钛合金是美国在航空航天产品中大量使用的铆钉材料,在退火态具有较好的拉伸性能(441MPa~490MPa)、剪切强度(365MPa)和高的塑性(延伸率10%,断面收缩率50%),适宜用于复合材料连接结构的连接,与其它的航空铆钉材料相比,比强度最高,在美国已淘汰了纯钛铆钉,在航空航天产品中全部改用钛铌铆钉。国内某型号机在生产时,复合材件的铆接就采用了进口的这种钛铌铆钉,单机使用上千件。在其它型号机上仍采用纯钛铆钉,性能低且不稳定。西北有色金属研究院早在20世纪60年代中期就开始了超导材料用NbTi合金的研究,并于70年代成功研制出了NbTi合金棒、NbTi单芯线和多芯线材,目前,正在开发新一代飞机用铆钉紧固件(见图1),以满足航空用紧固件的需要。

44.5NbTi低强高韧性钛合金线材和冷镦而成的铆钉紧固件t1.jpg

2.2钛合金新型加工技术研究

我国在结构钛合金新型加工技术方面积累了丰富的经验,通过加工工艺技术创新性的研究,不断开发新型的制造技术,提高了钛合金的应用水平,拓展了传统钛合金和新型钛合金的应用范围,产生了巨大的技术和经济效益。

目前,发展最成熟和已经在航空结构件中得到应用的新型钛合金加工技术主要包括新型造和处理技术、等温锻造技术、激光快速成形技术、先进焊接技术等。

2.2.1新型“准β锻造工艺”及在钛合金飞机构件上的应用

钛合金构件当采用高温锻造工艺代替常规的α+β锻造时,由于变形温度高、抗力小、易于成形、成品率高等特点,在国内外生产上受到高度的重视。同时,高温锻造获得的网篮组织正是大应力高温长时间使用条件下的零件(如盘类零件)所希望得到的组织,也是高损伤容限长寿命设计所需的高断裂韧性、低疲劳裂纹扩展速率(da/dN)的基本保证,在飞机结构件的应用方面具有广泛的前景。但普通的艘造工艺由于生产控制难、组织与性能稳定性差、特别是室温塑性常常降低到不可接受的地步等原因,在实际生产中难以实施。为此,发展了一种新型的钛合金“准锻造工艺”,通过控制钛合金复杂构件低倍组织和高倍显微组织均匀性,从根本上解决了网篮组织塑性偏低的难题。该工艺可使普通时钛合金获得高塑性的网篮组织(见图2),同时提高钛合金的应用水平,为损伤容限钛合金的应用奠定了技术基础。该工艺已经分别在中强度TC6(BT3-1)钛合金、高强度TC18(BT22)钛合金以及高强韧TC21钛合金等实际构件中得到了应用(见图3)。对TC6钛合金,相比普通锻造工艺、近β锻造工艺,“准β锻造”工艺得到的模锻件KIC提高25%以上,da/dN明显降低,光滑疲劳极限提高14%以上。并且,经准β锻造和普通退火处理后锻件的KIC值和ak值都明显高于常规锻造得到的锻件的KIC值和ak值,由此可以看出准锻造工艺较常规锻造具有优越性,而且通过普通退火锻后热处理可以获得强度.塑性的最佳匹配。

TC6钛合金经993 ℃准锻造得到的模锻件显微组织(a) 肋部位;(b) 腹板部位

钛合金经β锻造造得到模锻件显微组织

2.2.2新型β热处理工艺及在钛合金飞机构件上的应用

β热处理工艺已经被广泛应用于航空结构钛合金构件中。通过热处理工艺,可以提高钛合金的损伤容限性能和高温蠕变性能,所以在航空发动机盘件以及飞机重要承力结构件中都得到了应用。例如,美F-22飞机上采用Ti-6AI-4VELI和Ti-6-22-22S合金制造的大型飞机框梁结构件就是采用热处理工艺来提高该两个主干钛合金的损伤容限性能的。同时,热处理工艺也被应用到钛合金铸件中,以提高钛合金铸件的静强度和疲劳性能。图4为通过一种新型热处理工艺获得的TC4-DT钛合金片层组织结构特征。

通过一种新型β热处理工艺获得的TC4一DT钛合金片层组织结构特征

此外,钛合金的等温锻造技术这几年发展也较迅速,上海宝钢特钢公司通过等温锻造技术,成功的研制出了Ti-17钛合金整体叶盘锻件。钛合金的激光快速成形技术(LRF)则是一种由高功率激光镀覆技术与快速原型技术结合而成的金属粉末熔化和直接沉积的新工艺J,该工艺特点是不需要模具、工装夹具等硬件而在软件驱动下进行柔性加工,生产周期短、成本低、近净成形,特别适合大型复杂薄壁整体结构件的制造,力学性能达到或超过锻件的水平。此外,LFR工艺也被成功应用于钛合金和高温合金锻件或铸件的损伤缺陷修复中。我国西工大、北航、清华大学等也在激光快速成形技术方面开展了广泛的研究工作,其主要力学性能可达到锻件的水平。

钛合金的先进焊接工艺技术包括自动氩弧焊、电子束焊、摩擦焊(线性、惯性、搅拌)等技术在钛合金整体化制造技术中得到了广泛的应用,例如,美F-22飞机中大量采用高效、性能稳定的电子束焊接技术,并获得了较高的减重效果(例如,采用电子束焊接技术在大型前、后梁组合件中实现减重182kg)。如今,摩擦焊技术先在铝合金中得以实现,再进一步推广到钛合金的盘一叶片结构、飞机次承力构件上,然后再推广应用到钛合金的承力构件上,这一过程还需要突破疲劳性能、变形控制等关键技术。

3、结论

1)近几年中国钛合金得到了快速的发展,中国已经具备自主研发新型钛合金的能力和条件。但我国钛材结构比例还不合理,航空航天用钛材产量只占总量的10%左右,与世界的50%水平仍存在相当的差距。

2)通过自主研发新型钛合金材料,发展新型钛合金在航空航天结构件上的应用,提高钛合金的应用水平,是增加钛合金在航空航天工业领域的用量、缩短与世界发达国家差距的重要途径和保障。

3)通过国家多年的立项研究,我国已经自主研发了象44.5NbTi、TA18、TC4一DT、TC21、TB8和TiB19等飞机结构用钛合金,满足了新一代飞机结构材料的需要,逐渐摆脱“杂”、“乱”、“散”的局面,初步形成了飞机结构用钛合金材料体系。

4)新型的β锻造和β热处理技术、等温锻造技术、激光快速成形技术、先进焊接技术等钛合金加工与制造技术的应用,在提高钛合金构件的性能的同时,也促进了钛合金在航空航天领域的应用水平和用量。

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