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航空材料为什么非得要用钛合金? 

发布时间:2019/06/21
航空材料为什么非得要用钛合金?

一、钛合金的航空应用

钛合金主要用于飞机及发动机的制造材料,如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、发动机罩、排气装置等零件以及飞机的大梁隔框等结构框架件。航天器主要利用钛合金的高比强度,耐腐蚀和耐低温性能来制造各种压力容器、燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架和火箭壳体。人造地球卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机也都使用钛合金板材焊接件。



1950年美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。60年代开始钛合金的使用部位从后机身移向中机身、部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。70年代起,民用机开始大量使用钛合金,如波音747客机用钛量达3640公斤以上占机重28%。随着加工工艺技术的发展,在火箭、人造卫星和宇宙飞船上,也用了大量的钛合金。


飞机越先进,使用的钛越多。美国F—14A战斗机使用的钛合金,约占机重的25%;F—15A战斗机为25.8%;美国第四代战斗机用钛量为41%,其F119发动机用钛量为39%,是目前用钛量最高的飞机。



二、钛合金在航空中被大量应用的原因


现代飞机的航行最高时速已达到音速的2.7倍以上。这么快的超音速飞行,会使飞机与空气摩擦而产生大量的热。当飞行速度达到音速的2.2倍时,铝合金就经受不住了。必须采用耐高温的钛合金。


当航空发动机的推重比从4~6提高到8~10,压气机出口温度相应地从200~300℃增加到500~600℃时,原来用铝制造的低压压气机盘和叶片就必须改用钛合金。


近年来科学家们对钛合金性能的研究工作,不断取得新的进展。原来由钛、铝、钒组成的钛合金,最高工作温度为550℃~600℃,而新研制的钛化铝(TiAl)合金,最高工作温度已提高到1040℃。


用钛合金代替不锈钢制造高压压气机盘和叶片,可以减轻结构重量。飞机每减轻重10%,可节省燃料4%。对火箭来说,每减轻1kg的重量,就可增加15km的射程。



钛合金材料飞机起落架零件


三、钛合金机加工特性分析


首先,钛合金导热系数低,仅是钢的1/4,铝的1/13,铜的1/25。因切削区散热慢,不利于热平衡,在切削加工过程中,散热和冷却效果很差,易于在切削区形成高温,加工后零件变形回弹大,造成切削刀具扭矩增大、刃口磨损快,耐用度降低。


其次,钛合金的导热系数低,使切削热积于切削刀附近的小面积区域内不易散发,前刀面摩擦力加大,不易排屑,切削热不易散发,加速刀具磨损。最后,钛合金化学活性高,在高温下加工易与刀具材料起反应,形成溶敷、扩散,造成粘刀、烧刀、断刀等现象。


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