钛合金和不锈钢更耐高温

中国连续突破多项钛合金技术，摇身一变，成为了世界上一流的钛合金加工生产国。就连美国商务部也曾发出感叹，如果中国和俄罗斯对美国断供钛合金，将会引发“相当程度的冲击”。

钛及钛合金应用钛的应用始于20世纪50年代初，迄今约半个世纪。钛的应用是从航空开始的。高的比强度和良好的耐热性使钛成为一种重要的航空结构材料，并使钛首先在航空发动机上获得了应用。第一个使用的钛合金是Ti-6Al-4V（TC4）合金。这个钛合金就是目前世界上最广泛使用的钛合金。在航空应用中，钛的应用又是先从军用飞机开始的，当代最先进的飞机如战斗机F-15、F-22、F-117、轰炸机B1、B1B、直升机、大型军用运输机都是使用钛材较多的飞机。从20 世纪60年代中开始，钛开始用于商业运输机。

在过去50年中，钛主要应用于四个领域∶①航空（战机和民航机）和核潜艇，典型产品是航空发动机压气机盘和叶片、机翼、舰船壳体等；②化工、冶金、电力等民用工业部门，典型产品是大型化工压力容器、各类热交换器（板式、列管式、盘管式）和管道、泵、阀等；③医疗、体育及日常生活用品，典型产品是钛骨头、医疗器械、高尔夫球头、工艺品、炊具和眼镜架等；④建筑、汽车等主导产业部门和信息产业。目前，钛应用于体育馆、博物馆和城市雕塑等标志性高档建筑正成为一种时尚，钛在高档汽车发动机上用做阀门、弹簧已成为较成熟的技术，钛用做3C电子产品壳体或元件日益引人重视。

钛应用的广泛性可用下图表示。在21世纪，随着钛生产技术的成熟、成本的下降和社会各界对钛认识的深入，钛及钛合金的应用将越来越广泛。

在钛的诸多应用中，航空应用仍占主导地位。目前世界70%~80%的钛牌号和约50%的钛材量应用于航空领域。非航空的应用以工业纯钛为主，专用钛合金，如耐蚀钛合金、生物医用钛合金等品种比较少。不过，由于飞机数量有限，航空应用也有限。钛应用的总的发展趋势是非航空应用比例在增加。大力促进钛的非航空应用应是钛产业界和机械工程界的主要努力方向。

钛在航空工业中的应用

钛在航空上的适用性和优势钛与航空有着不解之缘。1910年，即世界莱特兄弟制造的第一架飞机问世后的第7年，用“钠法”（钠还原TiCl）制取钛）获得了金属钛。1948年，钛登上工业舞台。钛材一出来，就首先应用于航空这种新型的高科技产业。1953年，在美国道格拉斯公司生产的DC-T机发动吊舱和防火壁上首次使用了钛材，从而揭开了钛航空应用的历史。多年来，航空一直是钛材的最大市场，目前全世界年产钛材约6万吨，其中50%应用于航空。

1. 钛比强度高，有利于飞机减重。钛的密度比钢约轻40%，而强度与钢相当。钛的比强度优于一般航空用钛材和铝材。几种金属材料比强度的比较见图。

1. 钛的耐热性相当好，远胜于铝与镁。钛的熔点达1668℃，比铁熔点高，比铝、镁熔点约高1000℃，再结晶温度也高达600℃。因此，它的工作温度较高，适于发动机和机身温度较高的部位使用。钛也耐低温，不易产生低温脆性，钛的使用温区很宽。
2. 钛的耐蚀性非常好，通常不需要特别的表面防护措施，维护方便，对舰载机、水上飞机及沿海地区服役的飞机十分有利。
3. 钛的加工成形性也较好，可以满足飞机、发动机复杂、大型构件的加工成形要求。
4. 钛的线胀系数和腐蚀电位与树脂基复合材料相近，有利于钛与复合材料配合使用。
5. 钛的弹性好（σ/E大）和抗弹性能好等特性，也有利于钛的应用，如做弹簧构件、防弹装甲等。钛在航空上的应用，包括在发动机、机体和机载设备上三方面的应用。本篇将介绍钛在发动机和机体中的应用。喷气发动机是飞机的心脏。

航空发动机的主要用钛部位（涂黑部位）航空发动机的主要用钛部位是发动机的压气机部分，其中风扇、高压压气机盘件和叶片等转动件，不仅要承受很大的应力，而且要有一定的耐热性，即要求部件在300℃~658℃温度下有良好的高温持久强度、抗蠕变性和抗氧化性。这样的工况条件，对铝来说温度太高，对钢和高温镍基合金来说，密度太大。专家指出，钢制的风扇叶片在高速运转中仅离心力的作用就难以承受，何况还有气动力，因而钛合金则是最佳的选择。

国际上在飞机发动机上普遍使用的钛合金有Ti-6Al-4V、Ti-8Al-1Mo-1V、Ti-17、Ti-6242、Ti-6246、Ti-1100、IMI829、IMI834等两相钛合金和近a型钛合金，因为它们是耐热性较好钛合金。实践表明，常规钛合金只能用于650℃以下，为制造推重比10以上的先进发动机，需要开发以钛基复合材料和以Ti3Al、TiAl型金属间化合物为基的钛合金。

钛在飞机机体上的应用是飞机高速化、大型化、远程化的必然结果。飞机速度越快，即马赫数（M）越高，机体表面的空气动力加热越剧烈，飞行距离越长（航程越远），持续飞行时间越长，气动加热的效应也越显著，轻质高比强度和耐高温的钛合金成为目前机体优选的材料。

下图标示出了航空材料的比强度与飞行速度（马赫数）和气动加热温度之间的关系。可以看出，当飞行速度大于2.2M时，铝合金的耐热性已不能满足许多部件的耐热性要求。钛的熔点比铝高1000℃，再结晶温度比铝高几百度，钛的耐热性远胜于铝。随着飞行速度的提高，钛的比强度优势越大。

二、航空钛构件的设计原则

根据长期的实践经验，航空钛构件的设计应遵循一些原则：

1. 使用钛合金的部位主要是受热区、腐蚀严重部件、受力大的部位（通常需要合金结构钢的部位）。这样，可充分发挥钛合金高比强和耐蚀性好的优势。
2. 钛合金部件的尺寸要考虑到国内钛材的实际供应能力和航空制造厂设备的加工能力。例如，钛锻件受钛合金锻造设备能力、毛坯供应能力、材质检验水平的限制；钣金件尺寸受热蠕变成形设备能力的限制。
3. 钛合金件刚性差，回弹大，设计钛合金制件时要适当放宽公差、配合精度及最后精加工公差要求。要选择合适的壁厚，加大转弯处的转角R，非转角R不能太大，R3~R5较合适，以利于提高刀具的寿命，保证加工质量，从设计角度补偿钛合金工艺性欠佳的缺陷。
4. 钛合金电极电位与不锈钢、石墨相近，但与铝合金相差较大，因此在设计时要充分考虑钛合金与铝合金接触腐蚀问题。接触面要涂密封胶如XM-31密封胶（高温区部件）或XM-33密封胶（非高温区部位）；铝合金与钛合金接触表面要严格清洗，并不得涂漆，否则密封胶涂敷效果。
5. 钛制金制件不宜用于摩擦大的地方，如转动轴衬、弹链箱等运动部件。钛合金与其他金属亲和力强，摩擦系数大，耐磨性差，容易产生磨蚀疲劳。对于无法避免钛合金构件摩擦的转动部件，应使用油、润滑剂等抗磨蚀剂，或对钛合金部件进行表面改性处理，增强其耐磨性。
6. 要避免“镉脆”。在一定温度与应力下，钛合金与镀镉零件会发生作用，产生“镉脆”。因此，禁止钛零件与镀镉零件、标准件或工具接触。钛合金对镉脆的敏感性大于高强钢，在设计中应特别予以强调。
7. 严格制定钛合金制件的表面处理规范。热处理工件一般应采用两次表面酸洗。在成形前，对毛料进行第一次酸洗去除表面氧化皮，以降低成形时开裂的危险；零件成形完毕后再进行二次酸洗，以去除成形和修整过程中的各种污染及高温成形过程中形成的氧化皮，保持钛零件的清洁度，保证以后装配、焊接不受污染物的影响。

8）钛合金构件的开敞要好，尽量减少闭角，最大限度地避免补加工。钛合金构件加工刀具不同于一般铝合金等构件的加工刀具，外场工作限制大，修边、钻孔都应备有专用刀具，设计时要考虑到这些特点，明示现场施工人员。

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