钛合金在航空领域的应用及其先进连接技术.pdf

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1、钛合金在航空领域的应用及其先进连接技术AppHcationandAdVancedBondingTechnologyofTitaIliumAUoyinA订ationIndustry山东大学材料液固结构演变与加工教育部重点实验室李亚江刘坤李亚江山东大学教授、博导，从事先进材料特种焊接技术科研，主持完成国家自然科学基金4项和省(部)级项目16项，获国家教育部自然科学奖一等奖，授权国家发明专利34项：曾在莫斯科鲍曼科技大学(BMsTu)和美国UniVers．tyofVirginia从事合作研究。发表scl／El收录论文2∞多篇。指导博士生14人．硕士研究生20多人。先进航空装备的制造对新型材料

2、与焊接技术的发展具有强大的推动作用，在解决航空制造技术关键问题时，新型材料(尤其是钛合金)与焊接的优势越来越明显，如减轻结构重量、提高结构性能等，焊接技术已34航空制造技术·201s年第16期钛合金是一种对发展国防高新技术武器装备有重要作用的新型金属结构材料，已被世界多个军事强国列为重点发展的21世纪具有战略意义的新型结构金属材料。随着国民经济持续快速发展。钛合金已在航空航天及武器装备领域获得应用。中国对钛合金的需求量更是以每年20％～30％的速度增加oDoI：10．16080巧．issnl67l-833x．2015．16．034由原来的辅助制造工艺演变转成为飞机制造中的关键技术。钛合

3、金在航空领域的应用钛合金以其突出的性能优势在航空、航天、军事、化工、医疗、海洋石油开采等领域有较广泛的应用，被誉为“太空金属”、“海洋金属”、“智能金属”等(I】。钛合金是一种对发展国防高新技术武器装备有重要作用的新型金属结构材料，已被世界多个军事强国列为重点发展的21世纪具有战略意义的新型结构金属材料。随着国民经济持续快速发展，钛合金已在航空航天及武器装备领域获得应用，中国对钛合金的需求量更是以每年20％一30％的速度增加。20世纪50年代，美国开发了第一种真正用于飞行的钛合金(Ti一13v一11Cr一3A1)，这种高强可热处理的钛合金在高速预警机中得到了应用。在20世纪60年代，钛

4、合金在非军用航空发动机和宽体喷气式飞机(如波音747)中得到了广泛的应用。70年代，钛合金在航空领域的应用约占美国整个钛合金市场应用量的80％。80—90年代，欧洲、俄罗斯飞机上钛及钛合金的应用呈大幅度增加趋势，日本在飞机上钛合金的用量也在逐年增加。1钛合金在飞机机体上的应用钛合金是继钢铁和铝合金之后应用于航空航天领域的又一种新型轻质结构材料，它的应用水平已成为衡量飞机选材先进程度的一个重要标志。钛合金是飞机机体和发动机的重要结构材料之一，作为减重效果良好的机体材料，近50年来钛合金在商用及军用飞机领域的用量伴随各自产品的升级换代呈稳步增长趋势。军用飞机上钛合金使用量已达到30％～40

5、％。美国率先把破损安全设计概念和损伤容限设计准则成功应用在先进战斗机上，F一22战斗机大量采用损伤容限型钛合金及其大型整体构件，以满足高减重和长寿命的设计需求【2】。钛合金在民用飞机上使用量也可占到约10％～15％，其中波音787机体钛合金用量达15％，创下民用客机机体钛合金用量最高记录，波音787的材料使用情况如图1所示。玻璃纤维●碳复合材料钎i’碳复合材料夹芯板■铝，钢铁，钛合金板度、高温蠕变抗力、疲劳强度、持久强度和组织稳定性。随着航空发动机推重比的提高，高压压气机出口温度升高导致高温钛合金叶片和盘的工作温度不断升高。经过几十年的发展，固溶强化型的高温钛合金最高工作温度由350℃

6、提高到了600℃。我国在航空发动机上使用的工作温度在400℃以下的高温钛合金主要有TC4和TC6，应用于发动机工作温度较低的风扇叶片和压气机第1、2级叶片；500℃左右工作的高温钛合金有Tcll、TAl5和TA7合金，其中TCll是我国目前航空发动机上用量最大的钛合金。单纯采用固溶强化的钛合金难以满足600℃以上温度环境对蠕变抗力和强度的要求。有序强化的钛一铝系金属间化合物因其高比强度、图1波音787材料使用情况钛合金在现代飞机上的应用范围更加广泛，飞机机身、液压管道、起落架、座舱窗户框架、蒙皮、紧固件、舱门、机翼结构、风扇叶片、压缩机叶片等部位多采用钛合金。2钛合金在发动机上的应用航

7、空发动机直接影响着飞机的性能、可靠性以及经济性，是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现‘31。航空发动机压气机叶片、盘和机匣等零件的制造主要采用高温钛合金，这些零件要求材料在高温工作条件下(300。600℃)具有较高的比强比刚度、高蠕变抗力、优异的抗氧化和阻燃性能，而成为600℃以上温度非常有使用潜力的候选材料，其中Ti3A1基合金长期工作温度在650℃左右，而TiAl基合金工作温度可达760～800℃。钛合金的先进连接技术钛合金的应用优势已