Титан широко распространен, его содержание превышает 0,4 процента массы земной коры, а мировые доказанные запасы составляют около 3,4 млрд тонн, занимая 10-е место среди всех элементов (кислород, кремний, алюминий, железо, кальций , натрий, калий, магний, водород, титан).
Американские ученые впервые получили металлический титан в 1910 г. «натриевым методом» (восстановление натрием TiCl4), но титановая промышленность развивалась не сразу с открытием титана.
Лишь в 1948 году после Второй мировой войны «магниевый метод» (восстановление магния TiCl4), изобретенный люксембургскими учеными, был использован для производства в Соединенных Штатах, и титановая промышленность начала развиваться.
Плотность титана на 40 процентов меньше, чем у стали, а его прочность сравнима со сталью, что может повысить эффективность конструкции. В то же время титан обладает хорошей термостойкостью, коррозионной стойкостью, эластичностью, эластичностью и формуемостью. Благодаря вышеперечисленным характеристикам титана титановые сплавы применялись в авиационной промышленности с момента появления титановых сплавов. В 1953 году титан впервые был использован в противопожарной перегородке и гондоле двигателя DC-T производства американской компании Douglas, и началась история использования титановых сплавов в авиации.
Космический шаттл — самый важный и наиболее широко используемый летательный аппарат. Титан является основным конструкционным материалом самолетов, а также предпочтительным материалом для важных компонентов, таких как вентиляторы авиационных двигателей, диски и лопасти компрессора, и известен как «космический металл». Чем совершеннее самолет, тем больше титана используется. Например, содержание титана в самолете четвертого поколения американского F22 составляет 41 процент (массовая доля), а содержание титана в двигателе F119 составляет 39 процентов, который в настоящее время является самолетом с самым высоким содержанием титана. Исследования титановых сплавов зародились в авиации, и развитие авиационной промышленности также способствовало разработке титановых сплавов. Исследование титановых сплавов для авиации всегда было наиболее важным и активным направлением в области титановых сплавов, но его развитие также крайне затруднено.
В данной статье титановые сплавы классифицируются с точки зрения фазового состава матрицы сплава. Взяв самолет в качестве представителя самолета, в этой статье основное внимание уделяется применению и исследованию титановых сплавов в авиационных двигателях, фюзеляже самолетов и авиационных крепежных деталях. Наконец, анализируются проблемы, существующие при разработке титановых сплавов для авиации.
1 Классификация титановых сплавов
Классификация титановых сплавов в США, Великобритании, России, Франции, Японии и других странах в основном определяется производителями, и наименований много. Некоторые компании напрямую используют химические символы и номера элементов для замены добавленных легирующих элементов и их содержания, например Ti-6Al-4V (эквивалент TC4 в моей стране). По фазовому составу титановые сплавы можно разделить на: -титановые сплавы типа с гексагональной плотноупакованной структурой (ГПУ) (в том числе сплавы близкого- -типа) – т.е. отечественные марки ТА, и двухфазные смешанные титановые сплавы плюс-типа, то есть отечественные марки ТС и титановые сплавы объемно-центрированного кубического (ОЦК) типа (включая сплавы типа - -), то есть отечественная марка ТБ.
1.1 -тип титанового сплава
Однофазный сплав твердого раствора с -титаном в качестве матрицы в отожженном состоянии представляет собой титановый сплав -типа, который в основном содержит такие элементы, как Al и Sn. Алюминий может увеличить сопротивление сплава растяжению и ползучести, снизить плотность титанового сплава и улучшить удельную прочность, а также является важным легирующим элементом в титановом сплаве. Чтобы максимизировать эффект упрочнения алюминия твердым раствором и избежать охрупчивания сплава, вызванного избыточным содержанием алюминия, работа по легированию жаропрочных титановых сплавов должна следовать эквивалентной эмпирической формуле, предложенной ROSENBERG. Хорошая термическая стабильность. Эти элементы в альфа-сплавах титана служат для стабилизации путем ингибирования или повышения температуры превращения при температуре превращения. По сравнению с титановыми сплавами -типа сплавы -типа обладают хорошим сопротивлением ползучести, прочностью, свариваемостью и ударной вязкостью и являются предпочтительными сплавами для использования при высоких температурах. В то же время сплав -типа не обладает хладноломкостью, а также пригоден для использования в условиях низких температур, что расширяет область его применения. -сплавы имеют плохую ковочную способность и склонны к дефектам ковки. Дефекты поковок можно контролировать за счет снижения скорости обработки за один проход и частой термической обработки. Матрица является стабильной фазой, и для сплава данного состава изменение ее свойств в основном связано с изменением размера зерна, поскольку и предел текучести, и предел ползучести связаны с размером зерна и запасенной при деформации энергией. Прочность титанового сплава -типа не может быть улучшена термической обработкой, и после отжига прочность практически не изменяется или изменяется незначительно. Некоторые сплавы содержат больше Al, Sn, Zr и небольшое количество -стабилизирующих элементов (обычно менее 2%). Хотя эти сплавы содержат -фазу, матрица в основном состоит из -фазы, которая очень близка к -типу сплавов с точки зрения чувствительности к термообработке и технологичности и называется почти - -титановыми сплавами. Сплавы близкого к - -типа были разработаны на основе признания того, что высокая прочность на ползучести может быть получена путем упрочнения -матрицы легирующими элементами в виде твердого раствора. Большинство сплавов близкого - -типа в настоящее время стали жаропрочными сплавами титана из-за их хорошей термической стабильности. важные типы сплавов. Механизм его упрочнения заключается в том, что атомы в фазе быстро диффундируют и склонны к ползучести.
Титановые сплавы общего типа (включая сплавы близкого- -типа) включают Ti811 (Ti-8Al-1Mo-1V), Ti-6Al{{7 }}Zr-1Mo-1V, Ti-679 (Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo{ {16}}.25Si), BT18 (Ti-7.7Al-11Zr-0.6Mo-1Nb-0.3Si) и Ti6242S (Ti{ {28}}Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si) и т. д. Составы и свойства приведены в таблице 2.
Титановый сплав типа 1.2 плюс
Чтобы улучшить прочность и ударную вязкость титановых сплавов, люди разработали плюс титановые сплавы. По сравнению с другими титановыми сплавами, в сплавы plus добавляются стабилизирующие элементы и стабилизирующие элементы для усиления и фаз. плюс сплав обладает отличными всесторонними свойствами. Например, его прочность при комнатной температуре выше, чем у сплава. Он имеет хорошие характеристики термической обработки и может быть усилен термообработкой, поэтому он подходит для деталей аэрокосмической конструкции. Отожженная структура титанового сплава плюсового типа представляет собой плюсовую фазу, и содержание фазы обычно составляет 5-40 процентов. Однако его структура недостаточно стабильна, а максимальная рабочая температура может достигать только 500 градусов, а его сварочные характеристики и термостойкость ниже, чем у титанового сплава типа -типа.
титановые сплавы плюсового типа в основном включают TC4 (Ti-6 Al - 4 V ), TC 6 (Ti - 6 Al - 1.5 C r -2.5Mo{ {9}}.5Fe-0.3Si), TC11 (Ti- 6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si), TC17 ( Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr), TC19 (Ti-6Al-2Sn{{ 31}}Zr-6Mo) и TC21 (Ti-6.2Al-2.8Mo) -2Nb-2Sn-2.1Zr{ {42}}.3Cr) и так далее. Среди них сплав TC11 также известен как почти бета-сплав.
ZHOU предложил технологию обработки сплава TC11. Сначала сплав подвергается термообработке при температуре на 15 градусов ниже температуры перехода, затем быстрому водяному охлаждению, а затем подвергается высокотемпературной и низкотемпературной закалке и упрочняющей термообработке для получения новой микроструктуры. Эта новая матрица микроструктуры состоит из 15 процентов равноосных зерен, от 50 до 60 процентов слоистых зерен и трансформированных зерен. Результаты исследований показывают, что сплав обладает высокой усталостной прочностью, длительным сроком службы при ползучести, высокой ударной вязкостью и отличными эксплуатационными характеристиками при высоких температурах без снижения пластичности и термической стабильности.
Обсуждается экспериментальный принцип нового процесса и механизма ужесточения. Ключевой проблемой при практическом применении этой технологии обработки является точный контроль температуры.
Этот процесс обработки титанового сплава TC11 использовался для производства надежных дисков компрессоров авиационных двигателей, роторов и других компонентов.
1.3 -тип титанового сплава
Содержание -стабилизирующих элементов достаточно велико, и сплав, полученный при быстром охлаждении -фазы после обработки на твердый раствор и выдерживании ее до комнатной температуры, называется титановым сплавом -типа. По классификации микроструктуры стабильного состояния титановые сплавы можно разделить на стабильные титановые сплавы и метастабильные титановые сплавы, как показано на рисунке 1. На рисунке 1 MS — линия температуры мартенситного превращения, C — минимальное содержание -стабильных элементов. в метастабильных сплавах, S — минимальное содержание -стабильных элементов в стабильных сплавах.
Бета-сплавы обладают хорошей способностью к холодной штамповке в растворенном состоянии, а также отличной прокаливаемостью и чувствительностью к термообработке.
Обычно используемый метод термической обработки - это сначала обработка на твердый раствор, а затем старение при 450~650 градусов, тонкая фаза будет осаждаться на исходной матрице сплава, образуя вторую фазу с дисперсным распределением, что является механизмом упрочнения сплава. По сравнению с другими типами титановых сплавов, -титановый сплав выделяет больше фазы во время старения и содержит больше -фазовой поверхности, препятствующей движению дислокаций, поэтому прочность -титанового сплава при комнатной температуре является самой высокой.
Способность металлического материала поглощать энергию при деформации и разрушении называется ударной вязкостью. Чем больше энергии поглощает материал, тем выше его прочность. Вязкость разрушения – показатель ударной вязкости материала, отражающий сопротивление материала распространению трещин и других острых дефектов. Вообще говоря, вязкость разрушения и прочность титановых сплавов имеют обратную тенденцию, то есть вязкость разрушения уменьшается с увеличением прочности. Для изучения применения -титановых сплавов в аэрокосмической промышленности необходимо разработать микроструктуры с хорошей прочностью и трещиностойкостью, а также технологию обработки и режимы термообработки. Состав сплава и микроструктура являются двумя основными факторами, определяющими вязкость разрушения бета-титановых сплавов. Состав сплава определяет количество бета-фазы в сплаве, а также тип сплава и его вязкость разрушения. Морфология, количество и объем микроструктуры также влияют на вязкость разрушения сплава. Фу Яньян и другие считали, что стабилизирующий элемент и элемент Zr среднего размера из титанового сплава могут повысить прочность сплава и снизить вязкость разрушения. Мелкие зерна не могут эффективно улучшить прочность состаренных титановых сплавов и снижают вязкость разрушения сплавов Ti-15-3, но не оказывают существенного влияния на вязкость разрушения сплавов -C и Ti-1023.
Прочность стареющего титанового сплава в основном зависит от содержания и размера вторичной фазы, выделяемой при старении. В случае содержания той же первичной фазы мелкодисперсная вторичная фаза может значительно улучшить прочность сплава.
Огрубление первичной фазы и превращение первичной фазы из сферической в чешуйчатую приведет к снижению пластичности и повышению трещиностойкости -титановых сплавов. Двухрежимная структура титанового сплава имеет хорошее сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости.
Причина, по которой -титановый сплав широко используется, заключается также в том, что он обладает преимуществами высокой прочности и высокой пластичности, с которыми другие типы титановых сплавов не могут сравниться после старения. В то же время термообрабатываемое упрочнение и способность к глубокой закалке титанового сплава позволяют ему постепенно заменять двухфазный титановый сплав в качестве предпочтительного конструкционного материала для фюзеляжа и крыльев самолетов, и он играет все более и более важную роль в аэрокосмическая промышленность. все более важную роль.
2 Разработка и применение титановых сплавов для авиации
В 1950-х годах военная авиация вступила в эру сверхзвуковой скорости, и оригинальные конструкции из алюминия и стали уже не могли соответствовать новым требованиям. Именно в это время титановые сплавы вступили в стадию промышленного освоения. Титановые сплавы обладают превосходными свойствами, такими как низкая плотность, высокая удельная прочность, коррозионная стойкость, высокая термостойкость, немагнитность, свариваемость, широкий диапазон рабочих температур (269 ~ 600 градусов), и могут использоваться для формовки, сварки и механической обработки различных деталей. . Вскоре широкое распространение получила воздухоплавание. В начале 1950-х годов военные самолеты начали использовать промышленный чистый титан для производства конструкционных деталей с меньшими нагрузками, таких как теплозащитные экраны, хвостовые обтекатели и скоростные тормоза задней части фюзеляжа. В 1960-х годах титановые сплавы были дополнительно применены к основным конструктивным частям, несущим нагрузку, таким как сдвижные закрылки самолета, несущие переборки, балки коробки среднего крыла и балки шасси. К 1970-м годам применение титановых сплавов в конструкциях самолетов расширилось от истребителей до больших военных бомбардировщиков и транспортных самолетов, а большое количество конструкций из титановых сплавов также использовалось в гражданских самолетах.
После начала 1980-х годов количество титана, используемого в гражданских самолетах, постепенно увеличивалось и превзошло количество титана, используемого в военных самолетах. Чем совершеннее самолет, тем больше титана используется. В таблицах 3 и 5 указана массовая доля титановых материалов, используемых в истребителях третьего и четвертого поколений, перспективных бомбардировщиках и транспортных самолетах в Соединенных Штатах, типы титановых сплавов, используемых в самолетах общего назначения, а также количество титановых сплавов и композиционных материалов. используется в самолетах Airbus. Из таблицы 5 видно, что использование титана в самолетах Airbus A380 достигло 10 процентов, и титан стал незаменимым конструкционным материалом для современных самолетов. В соответствии с различными видами использования титановые сплавы для авиации можно разделить на титановые сплавы для авиационных двигателей, титановые сплавы для фюзеляжа самолетов и титановые сплавы для авиационных крепежных деталей. В последние годы люди провели углубленные исследования по применению авиационных титановых сплавов в трех вышеуказанных аспектах.
Подводя итог, можно сказать, что титановый сплав имеет большое отношение тяги к массе, высокую ударную вязкость, хорошую прочность и свариваемость и является авиационным материалом с превосходными комплексными свойствами. За последние несколько десятилетий теория легирования, комплексная технология упрочнения и закалки, а также процесс термической обработки титановых сплавов для авиации получили значительное развитие. В настоящее время исследования титановых сплавов в основном сосредоточены на термической стабильности при высоких температурах, сопротивлении ползучести, а также на разработке и производстве недорогих титановых сплавов. По мере углубления исследований технологический прогресс в низкозатратной обработке титановых сплавов будет определяться высокотехнологичными авиационными приложениями, тем самым принципиально преодолевая узкое место в стоимости, ограничивающее улучшение дозировки и уровня применения титановых сплавов для авиации. Полностью титановый самолет может стать реальностью в недалеком будущем.
Для получения более подробной информации свяжитесь с нами. Спасибо
Николь
Компания: Baoji Jimiyun Dynamic Co., Ltd.
Страна: Китай
Добавить: Баоти-роуд, Цзиньтай, город Баоцзи, Шэньси, Китай
Цел.: плюс 86 13369210920
Gmail:nicole@jmyunti.com
Веб-сайт: www.jm-titanium.com
