近(jin)几(ji)年(nian)，受(shou)全球(qiu)能(neng)源危机(ji)的(de)影响(xiang)，我国在(zai)航空航天的(de)发(fa)展(zhan)过程(cheng)中，对符合(he)其(qi)标(biao)准、高(gao)强(qiang)度、耐高温的(de)新型(xing)结(jie)构(gou)材料(liao)的(de)需(xu)求(qiu)保日(ri)渐紧张(zhang)，钛(tai)及其钛(tai)合(he)金(jin)由(you)于(yu)具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的金(jin)属性(xing)质，促使(shi)了这(zhe)一复(fu)合材料在(zai)航(hang)空航(hang)天(tian)的领(ling)域中的(de)广(guang)泛推(tui)广(guang)和应用(yong)，但(dan)是也(ye)受(shou)到其加工效(xiao)率和(he)生产成(cheng)本(ben)的制约(yue)。伴随着钛合金的(de)开(kai)发和研(yan)制，钛法兰(lan)、钛方(fang)块等(deng)钛材(cai)料(liao)品种(zhong)的争夺以(yi)及(ji)价(jia)格(ge)的(de)降(jiang)低(di)，使钛在工业建造中的(de)应(ying)用范围成倍增加。在(zai)航(hang)空航(hang)天的领域中(zhong)，钛的使(shi)用(yong)大国基(ji)本集中(zhong)在西方(fang)国(guo)家(jia)，尤(you)其是率先完成(cheng)第(di)二次(ci)工(gong)业革命(ming)的美国、英国等(deng)国家，他(ta)们将50%以上(shang)的钛(tai)材料运(yun)用在(zai)航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)的事业中(zhong)。但是(shi)相比之(zhi)下，亚洲(zhou)国家(jia)包括(kuo)我国(guo)在(zai)航空(kong)航(hang)天(tian)的领域中(zhong)钛(tai)的投(tou)入(ru)量只(zhi)有10%左右。但是近几(ji)年(nian)随着亚洲(zhou)国(guo)家(jia)在航空航(hang)天领域(yu)的飞速(su)发展，钛(tai)在航(hang)空航天(tian)的(de)消费(fei)益(yi)将(jiang)会(hui)随(sui)之(zhi)增(zeng)长(zhang)，因此这种新型的(de)钛(tai)合(he)金金(jin)属(shu)将会(hui)成(cheng)为(wei)目前乃至(zhi)今后(hou)我国(guo)重(zhong)点(dian)研(yan)究(jiu)的对(dui)象。
1、钛(tai)合(he)金简(jian)介
新(xin)型钛(tai)合(he)金(jin)就(jiu)是将(jiang)钛(tai)当作基(ji)础形(xing)式(shi)，以融(rong)入其(qi)他的合(he)金(jin)元(yuan)素或(huo)者(zhe)是材(cai)料(liao)所(suo)构(gou)成的(de)复合金属称之(zhi)为钛合(he)金。钛合金(jin)在不(bu)同结(jie)构和特(te)性上(shang)可(ke)以(yi)分为多(duo)种。相比(bi)其他复(fu)合(he)材料(liao)来说，新(xin)型钛合(he)金(jin)有(you)瑭(tang)密度较(jiao)低、韧性(xing)强(qiang)、抗(kang)腐蚀性能(neng)高(gao)等金(jin)属(shu)属(shu)性(xing)，使其(qi)成(cheng)为最(zui)理(li)想的航空航天(tian)工程结构的材(cai)料(liao)。
2、钛(tai)合金(jin)的发(fa)展
自18世(shi)纪(ji)末(mo)年开始(shi)发(fa)现钛到(dao)现在(zai)为(wei)止(zhi)已经有200多年的(de)历(li)史了(le)。但(dan)是(shi)由(you)于钛(tai)金属(shu)的(de)熔点(dian)较(jiao)高，并(bing)且(qie)化(hua)学性质十(shi)分(fen)活泼，所(suo)以导致塑(su)性(xing)良好的纯(chun)钛(tai)很(hen)难制(zhi)取(qu)。钛(tai)锭必须(xu)要在真(zhen)空(kong)中(zhong)进(jin)行冶炼，在(zai)冶(ye)炼(lian)的(de)过(guo)程中制(zhi)造(zao)工艺(yi)复杂(za)，从(cong)而使(shi)得(de)钛(tai)及(ji)其合金长(zhang)期不能(neng)被(bei)广(guang)泛地(di)用(yong)于工(gong)业(ye)生产和工业建造(zao)。随(sui)着(zhe)科学技术(shu)和(he)经(jing)济(ji)的不断发(fa)展，对(dui)涉及航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)发(fa)展(zhan)所运(yun)用(yong)的材料也有了进(jin)一(yi)步(bu)的(de)探索和(he)研究，从而(er)推进(jin)了钛(tai)工业取(qu)得了(le)迅(xun)速的(de)发(fa)展(zhan)，钛(tai)及(ji)钛(tai)合金的金属属(shu)性决定(ding)了(le)钛(tai)合(he)金(jin)主要(yao)的(de)应(ying)用(yong)与(yu)发(fa)展(zhan)。概括(kuo)起(qi)来，钛(tai)及钛(tai)合(he)金主要有(you)以(yi)下的金属(shu)特性：
1）相对于(yu)其他(ta)的(de)复合(he)材料(liao)，钛(tai)的(de)金(jin)属特征具(ju)有(you)密(mi)度小、强度性(xing)高等(deng)特点。其(qi)密(mi)度正好(hao)在(zai)铝(lv)和铁之间，但是在(zai)强(qiang)度和韧性(xing)这(zhe)一(yi)方面，钛(tai)合金(jin)远远高于(yu)铝和(he)钢。
2）钛(tai)合(he)金(jin)在(zai)使(shi)用和加工过程(cheng)中(zhong)所(suo)面临的(de)温(wen)度程(cheng)
度较(jiao)为广(guang)阔，所以在加工(gong)和(he)使(shi)用(yong)过(guo)程中，当温度降低到-200℃多时(shi)，它依(yi)旧可以(yi)保(bao)持(chi)原有(you)的塑形，而在高(gao)温加(jia)工的状(zhuang)态或者是在高(gao)温(wen)环(huan)境(jing)的(de)使用(yong)过程(cheng)中，它(ta)所承(cheng)受的高温(wen)可(ke)以(yi)达(da)到(dao)500℃多，由(you)此(ci)可(ke)见(jian)，在耐热(re)程(cheng)度上远高(gao)于铝(lv)合金和(he)镁(mei)合金。假如，在(zai)使(shi)用和加工过(guo)程(cheng)中(zhong)，能(neng)够避免或者(zhe)是(shi)防止更高(gao)温度环境下(xia)因为氧(yang)化(hua)所(suo)引(yin)发(fa)的(de)环境(jing)污染(ran)问题，那(na)么它(ta)将(jiang)可能(neng)会得到更(geng)进一步的(de)发(fa)展。
3）钛及钛(tai)合(he)金还具(ju)有优(you)良(liang)的(de)抗(kang)腐蚀性(xing)，特别是(shi)在海(hai)水(shui)和(he)海洋(yang)大气(qi)环境中(zhong)抗腐(fu)蚀(shi)性极(ji)高，从(cong)而(er)使(shi)得钛及钛合(he)金在舰艇(ting)船(chuan)舶(bo)和飞(fei)机(ji)上的(de)应用具(ju)有较大(da)的(de)竞(jing)争(zheng)力。
4）钛(tai)具(ju)有(you)非常(chang)高的化学性(xing)质，在(zai)高(gao)温加(jia)工(gong)的过程中(zhong)非常(chang)容易受到氢(qing)、氧、氮(dan)所引(yin)发(fa)的污染(ran)问(wen)题(ti)，使(shi)得它(ta)在(zai)冶炼和加工(gong)的过程(cheng)中受到(dao)约束(shu)和限(xian)制(zhi)，从(cong)而让(rang)生产成本(ben)变得相(xiang)对(dui)较高。
5）相(xiang)对于(yu)其他的复(fu)合材料(liao)，钛合(he)金的导热性较差(cha)，并且具(ju)有相对(dui)较(jiao)低的抗(kang)磨(mo)性能。因此(ci)导(dao)致(zhi)了在(zai)切(qie)削(xue)加工(gong)的(de)工(gong)作过程中，避免不(bu)了由(you)于(yu)工(gong)件(jian)及刀具的(de)温(wen)度升(sheng)高所引(yin)发出(chu)现(xian)的(de)黏(nian)刀(dao)的(de)现(xian)象(xiang)。
3、钛合(he)金在航(hang)空航天领域中的(de)应(ying)用
3.1钛(tai)在早期(qi)航天事(shi)业发展(zhan)的(de)应(ying)用范围(wei)
应用(yong)于航(hang)空(kong)、航(hang)天的(de)钛合(he)金材料(liao)叫做(zuo)铢合(he)金(jin)铸件(jian)，其(qi)应(ying)用(yong)范(fan)围(wei)非(fei)常(chang)广(guang)泛(fan)，在(zai)物(wu)件(jian)接(jie)头，一(yi)些柳件、铸件都有(you)。钛合(he)金(jin)在(zai)制(zhi)作(zuo)飞机的(de)过程(cheng)中(zhong)，其主要运用(yong)在发动(dong)机压(ya)气机部(bu)件的(de)组(zu)成(cheng)零(ling)部件(jian)上，其(qi)次是(shi)在火箭的研发(fa)以及(ji)一(yi)些(xie)武(wu)器结(jie)构(gou)件。进(jin)入(ru)21世纪(ji)中(zhong)期(qi)，钛(tai)及(ji)其(qi)钛合(he)金(jin)已(yi)经(jing)在(zai)一(yi)般的(de)工业(ye)领(ling)域(yu)中(zhong)广泛(fan)应(ying)用。
3.2钛合金(jin)在(zai)飞(fei)机机(ji)架(jia)的革(ge)新
钛合金(jin)是航(hang)空航(hang)天工(gong)业中使用的(de)一(yi)种新的重要(yao)结(jie)构(gou)材(cai)料(liao)，比(bi)重和(he)使用温度(du)介(jie)于(yu)铝和(he)钢(gang)之间(jian)，但是其比强度高(gao)并具(ju)有(you)优异的(de)抗海(hai)水腐蚀性能和超(chao)低温性能。20世(shi)纪(ji)
60年(nian)代开始(shi)钛合金的使用(yong)部位从后机身移(yi)向(xiang)中机身(shen)、部
分(fen)地(di)代(dai)替结构(gou)钢制造(zao)隔框、梁(liang)、襟(jin)翼(yi)滑(hua)轨等重(zhong)要(yao)承力构件。随着国(guo)防力(li)量的(de)不(bu)断建设，钛(tai)合(he)金(jin)在军用飞(fei)机中(zhong)的(de)用量迅速(su)增(zeng)加。在整架飞(fei)机结(jie)构(gou)总(zong)重昼(zhou)中，钛(tai)合(he)金的重(zhong)昼就(jiu)占(zhan)据(ju)了20%~25%。随着时间的推移，为了(le)满(man)足社会(hui)的需(xu)求，民(min)用(yong)飞机也(ye)开始大(da)昼使(shi)用(yong)钛合(he)金，比(bi)如在波(bo)音(yin)747客机(ji)上，钛用噩(e)的重量(liang)达(da)到了3600于(yu)克以上(shang)。对于(yu)那(na)些马(ma)赫数(shu)小于(yu)2.5的(de)飞(fei)机，钛的应用主要是为了代(dai)替(ti)钢的(de)使用(yong)昼(zhou)，从而减(jian)轻飞(fei)机结构的重(zhong)昼(zhou)。又如美国(guo)SR-72系列(lie)的高(gao)空高(gao)速侦察(cha)机，它(ta)的(de)飞行马赫(he)数为(wei)3.0,飞(fei)行的高(gao)度更是(shi)达到(dao)了(le)26200米，在(zai)它(ta)的(de)建(jian)造过(guo)程中，钛合(he)金(jin)是(shi)重(zhong)要的(de)结(jie)构材(cai)料，钛(tai)合(he)金(jin)更是(shi)占到(dao)了飞机(ji)结构重量(liang)的91%,被称为“全钛(tai)“飞(fei)机。
3.3钛(tai)合(he)金气压(ya)机(ji)
当(dang)航空发动机的推重(zhong)比从(cong)4~6提高(gao)到8~10的(de)时(shi)候(hou)，压气(qi)机(ji)出(chu)口(kou)的温度也将(jiang)随(sui)之(zhi)相(xiang)应(ying)地(di)从(cong)200℃~300℃增(zeng)加到500℃~600℃,那么(me)原(yuan)来(lai)由铝(lv)来(lai)制造(zao)的低(di)压压(ya)气机盘和叶片就必须(xu)要改(gai)用以钛合(he)金(jin)来制(zhi)造(zao)或者是用(yong)钛(tai)合金(jin)替(ti)换不锈钢制造(zao)高压(ya)压(ya)气(qi)机(ji)盘(pan)和(he)叶片(pian)，从(cong)而(er)达到减(jian)轻(qing)飞机结构重(zhong)量的目(mu)的(de)。从20世(shi)纪(ji)70年(nian)代(dai)开(kai)始(shi)，钛合金在航空(kong)发动(dong)机中(zhong)的(de)用量一(yi)般占结(jie)构(gou)总重(zhong)量的(de)20%~30%,主(zhu)要用(yong)于(yu)制造压气机部件，如(ru)锻(duan)造钛风扇、压气(qi)机盘(pan)和(he)叶(ye)片(pian)、铸(zhu)钛(tai)压气机机(ji)匣、中(zhong)介机匣、轴承(cheng)壳(ke)体等。而航(hang)天(tian)器主要是利(li)用(yong)钛(tai)合金(jin)的(de)高(gao)比强度、耐腐(fu)蚀(shi)和(he)耐(nai)低温性(xing)能金(jin)属(shu)特性(xing)，来制(zhi)造各(ge)种(zhong)压力容(rong)器(qi)、燃(ran)料(liao)贮箱、紧(jin)固(gu)件、仪(yi)器绑(bang)带(dai)、构架和(he)火(huo)箭壳(ke)体。人造地(di)球卫(wei)星、登月舱(cang)、载人飞船(chuan)和航天飞(fei)机(ji)也(ye)都(dou)使(shi)用(yong)钛合(he)金(jin)板材(cai)焊(han)接(jie)件(jian)。
3.4钛合(he)金旋压件的应(ying)用(yong)
在(zai)航空(kong)航(hang)天的领域(yu)中，将钛(tai)合金(jin)投入(ru)到(dao)航(hang)天(tian)飞(fei)行器(qi)系(xi)统的(de)使用，不(bu)仅(jin)是(shi)因为钛合(he)金具有(you)较(jiao)强的(de)组(zu)织(zhi)特(te)性和良(liang)好(hao)的(de)物(wu)理(li)性(xing)能(neng)，更重(zhong)要的(de)是(shi)具(ju)备轻昼(zhou)及(ji)精密(mi)化(hua)的(de)特征(zheng)。新(xin)型(xing)钛合金(jin)旋压件的(de)质(zhi)量(liang)可(ke)靠(kao)性需(xu)要进(jin)行(xing)多(duo)次试(shi)验(yan)的数(shu)据分(fen)析(xi)。由(you)于(yu)钛(tai)合金(jin)板材(cai)的(de)成形(xing)方面极(ji)其(qi)复杂(za)，所(suo)以使(shi)得航天703将(jiang)TC4作(zuo)为(wei)钛合金(jin)板材的基(ji)础(chu)，采(cai)取(qu)普旋(xuan)和强力(li)旋(xuan)压相(xiang)结(jie)合(he)的方(fang)法(fa)制造出新(xin)型(xing)钛(tai)合金的(de)半圆球体，同时(shi)将(jiang)TC3和TC4作(zuo)为钛(tai)合(he)金(jin)板材(cai)的(de)配料，以(yi)热(re)旋压作为(wei)技(ji)术手段制造出(chu)两种新(xin)型钛合(he)金半球(qiu)体(ti)。
3.5在(zai)燃(ran)气发(fa)动机(ji)中(zhong)的应(ying)用
在航(hang)空航(hang)天领域中(zhong)，钛(tai)合(he)金还有一(yi)大(da)主要的应用(yong)领(ling)域(yu)，那就是在飞机的(de)发动机(ji)制造中的(de)应用。目前(qian)为(wei)止，我国的(de)现(xian)代(dai)飞(fei)机所用(yong)的燃气(qi)涡轮发动(dong)机(ji)的结(jie)构(gou)质量其中有(you)1/3就(jiu)是(shi)由钛(tai)合金所组(zu)成的(de)。但(dan)是(shi)，根(gen)据(ju)相(xiang)关数(shu)据发现早在(zai)20世(shi)纪(ji)40~50年代，一些(xie)在工(gong)业发达的(de)国家，比(bi)如(ru)美(mei)国(guo)和英(ying)国，这两个(ge)国家在(zai)早期生产(chan)飞(fei)机的(de)过(guo)程中就应(ying)用了钛(tai)合金技(ji)术(shu)来改进(jin)喷气(qi)式发动机的结(jie)构(gou)部件。最早(zao)的钛合金(jin)发(fa)动机(ji)部(bu)件(jian)就(jiu)是压(ya)缩(suo)机叶片，随后(hou)钛(tai)合(he)金压缩(suo)盘(pan)也紧(jin)跟着迅(xun)速发展(zhan)。现如(ru)今，大(da)多(duo)数(shu)喷(pen)气(qi)式的(de)发(fa)动(dong)机所使(shi)用(yong)的风(feng)扇(shan)叶(ye)片都(dou)是(shi)新型钛(tai)合金(jin)制(zhi)成(cheng)的。
3.6高(gao)温钛(tai)合(he)金(jin)的(de)应(ying)用(yong)
由(you)于(yu)高温(wen)的(de)钛(tai)合(he)金(jin)有着较(jiao)强(qiang)的(de)热强性和(he)高比(bi)强度的(de)特性(xing)，促使了(le)它在航(hang)空(kong)发动机上的(de)广(guang)泛(fan)应(ying)用。高温(wen)钛(tai)合(he)金在(zai)飞(fei)机发动机(ji)上(shang)主(zhu)要(yao)运用在发动(dong)机的(de)风(feng)扇(shan)、叶片(pian)、精(jing)密(mi)的(de)仪(yi)表(biao)或(huo)者是导航(hang)仪。运用钛(tai)合(he)金(jin)来替代(dai)原(yuan)有的铢基(ji)高(gao)温(wen)合(he)金，促使压(ya)气机的(de)结(jie)构(gou)重(zhong)噩降低(di)30%~35%。多(duo)年以(yi)来(lai)，为了(le)满足高性能(neng)发动(dong)机的需(xu)求，就(jiu)形(xing)成了(le)一套健(jian)全的钛(tai)合金体(ti)系。
4、航空航天(tian)工业(ye)中(zhong)钛(tai)合金的(de)加工难(nan)点(dian)
目前(qian)，航空(kong)航天事(shi)业(ye)的(de)不断(duan)发展，为(wei)了达(da)到减(jian)轻(qing)飞机重量(liang)这(zhe)一(yi)目的(de)，促使(shi)了在(zai)航(hang)空(kong)航(hang)天发展(zhan)过(guo)程中(zhong)对符合(he)其标准的材(cai)料(liao)需(xu)求(qiu)越来(lai)越(yue)严峻(jun)，钛及(ji)钛(tai)合金(jin)与普通材(cai)料对(dui)比之下，钛(tai)合金这种(zhong)复合材料重(zhong)量(liang)更轻(qing)、强度和韧(ren)性(xing)更高(gao)。但在(zai)加(jia)工(gong)的过程中，特别(bie)是(shi)在切削(xue)加工过程中，它(ta)们各(ge)自(zi)面(mian)临老不(bu)同(tong)的(de)加工(gong)难题和(he)困(kun)扰。在切(qie)削加工(gong)的工(gong)作过程中，制(zhi)造(zao)商(shang)一定要尽(jin)可(ke)能达到最高(gao)的(de)质量(liang)水平(ping)。即(ji)使存在对领(ling)部构件成(cheng)本的堪(kan)忧，但(dan)在(zai)很多(duo)情况(kuang)下(xia)，如何生(sheng)产出高(gao)质(zhi)量(liang)的零(ling)部构(gou)件(jian)是优先考虑(lv)的(de)事(shi)项，其(qi)次才是(shi)如何(he)提高生产(chan)率(lv)。
5、结语
目前(qian)，我国(guo)的科学技(ji)术(shu)手段(duan)已经(jing)基(ji)本(ben)满(man)足了小型(xing)钛(tai)合金的旋(xuan)压工艺(yi)技术(shu)的要求(qiu)。但(dan)是由于(yu)钛(tai)合(he)金(jin)是一种(zhong)新型的金属，尤(you)其(qi)是(shi)它(ta)本(ben)身(shen)化(hua)学(xue)活(huo)性很高，非常(chang)容易(yi)受到(dao)氢、氧(yang)、氮的污(wu)染(ran)影响(xiang)，从而导致对(dui)其难以冶(ye)炼和(he)加工，使(shi)得生产(chan)成本(ben)变得相(xiang)对(dui)较(jiao)高(gao)。在钛(tai)合(he)金(jin)的应(ying)用过程(cheng)中(zhong)，它还(hai)有一(yi)些(xie)其(qi)他(ta)的(de)优(you)良(liang)性能并(bing)未得到充(chong)分(fen)的验(yan)证，导(dao)致了(le)在(zai)它使用的(de)过(guo)程(cheng)中具有一(yi)定的局限(xian)性(xing)。虽然在(zai)航空航(hang)天(tian)发(fa)展(zhan)的(de)过程(cheng)中(zhong)面临着使用高(gao)性能复合材(cai)料的挑(tiao)战，但(dan)是(shi)随(sui)着航空(kong)航(hang)天(tian)产业(ye)的快速发(fa)展，新(xin)型的钛合金技(ji)术(shu)将会步(bu)入(ru)一个(ge)新的发展(zhan)时期，它的(de)旋(xuan)压(ya)成(cheng)形(xing)技术(shu)将会在(zai)航空(kong)航(hang)天以及(ji)其(qi)他(ta)的(de)领域中(zhong)具有更(geng)加广阔的(de)发(fa)展空间(jian)和(he)运用(yong)范围(wei)。
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