一、鈦的簡介

1948年美國杜邦公司才用鎂法成噸生產(chǎn)海綿鈦——這標(biāo)志著海綿鈦即鈦工業(yè)化生產(chǎn)的開始。而鈦合金因具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)而被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。鈦在地殼中含量較豐富,含量排第九位,遠(yuǎn)高于銅、鋅、錫等常見金屬。鈦廣泛存在于許多巖石中,特別是砂石和粘土中。

二、鈦的特性

強(qiáng)度高:是鋁合金的1.3倍,鎂合金的1.6倍,不銹鋼的3.5倍,金屬材料中的冠軍。

熱強(qiáng)度高:使用溫度比鋁合金高幾百度,可在450～500℃的溫度下長期工作。

抗蝕性好:耐酸、耐堿、耐大氣腐蝕,對點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強(qiáng)。

低溫性能好:間隙元素極低的鈦合金TA7,在-253℃下還能保持一定的塑性。

化學(xué)活性大:高溫時(shí)化學(xué)活性很高,輕易與空氣中的氫、氧等氣體雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成硬化層。

導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量小:導(dǎo)熱系數(shù)約為鎳的1/4,鐵的1/5,鋁的1/14,而各種鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)比鈦的導(dǎo)熱系數(shù)約下降50%。鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2。

三、鈦合金的分類及用途

鈦合金按用途可分為:耐熱合金、高強(qiáng)合金、耐蝕合金(鈦-鉬,鈦-鈀合金等)、低溫合金以及特殊功能合金(鈦-鐵貯氫材料和鈦-鎳記憶合金)等。

盡管鈦及其合金應(yīng)用的歷史不長,但由于它那超眾的性能,已經(jīng)獲得了多個(gè)光榮稱號。首先榮獲的稱號就是“空間金屬”。它重量輕、強(qiáng)度大又耐高溫,特別適于制造飛機(jī)和各種航天器。目前世界上生產(chǎn)的鈦及鈦合金,大約有四分之三都用于航空航天工業(yè)。許多原來用鋁合金的部件,都改用了鈦合金。

四、鈦合金的航空應(yīng)用

鈦合金主要用于飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)的制造材料,如鍛造鈦風(fēng)扇、壓氣機(jī)盤和葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、排氣裝置等零件以及飛機(jī)的大梁隔框等結(jié)構(gòu)框架件。航天器主要利用鈦合金的高比強(qiáng)度,耐腐蝕和耐低溫性能來制造各種壓力容器、燃料貯箱、緊固件、儀器綁帶、構(gòu)架和火箭殼體。人造地球衛(wèi)星、登月艙、載人飛船和航天飛機(jī)也都使用鈦合金板材焊接件。

航空鈦合金材料為什么這么牛？

1950年美國首次在F-84戰(zhàn)斗轟炸機(jī)上用作后機(jī)身隔熱板、導(dǎo)風(fēng)罩、機(jī)尾罩等非承力構(gòu)件。60年代開始鈦合金的使用部位從后機(jī)身移向中機(jī)身、部分地代替結(jié)構(gòu)鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構(gòu)件。70年代起,民用機(jī)開始大量使用鈦合金,如波音747客機(jī)用鈦量達(dá)3640公斤以上占機(jī)重28%。隨著加工工藝技術(shù)的發(fā)展,在火箭、人造衛(wèi)星和宇宙飛船上,也用了大量的鈦合金。

飛機(jī)越先進(jìn),使用的鈦越多。美國F—14A戰(zhàn)斗機(jī)使用的鈦合金,約占機(jī)重的25%;F—15A戰(zhàn)斗機(jī)為25.8%;美國第四代戰(zhàn)斗機(jī)用鈦量為41%,其F119發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦量為39%,是目前用鈦量最高的飛機(jī)。

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波音飛機(jī)鈦用量隨年代的變化

五、鈦合金在航空中被大量應(yīng)用的原因

現(xiàn)代飛機(jī)的航行最高時(shí)速已達(dá)到音速的2.7倍以上。這么快的超音速飛行,會(huì)使飛機(jī)與空氣摩擦而產(chǎn)生大量的熱。當(dāng)飛行速度達(dá)到音速的2.2倍時(shí),鋁合金就經(jīng)受不住了。必須采用耐高溫的鈦合金。

當(dāng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比從4～6提高到8～10,壓氣機(jī)出口溫度相應(yīng)地從200～300℃增加到500～600℃時(shí),原來用鋁制造的低壓壓氣機(jī)盤和葉片就必須改用鈦合金。

近年來科學(xué)家們對鈦合金性能的研究工作,不斷取得新的進(jìn)展。原來由鈦、鋁、釩組成的鈦合金,最高工作溫度為550℃～600℃,而新研制的鈦化鋁(TiAl)合金,最高工作溫度已提高到1040℃。

用鈦合金代替不銹鋼制造高壓壓氣機(jī)盤和葉片,可以減輕結(jié)構(gòu)重量。飛機(jī)每減輕重10%,可節(jié)省燃料4%。對火箭來說,每減輕1kg的重量,就可增加15km的射程。

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鈦合金飛機(jī)起落架

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