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钛合金的冶金缺陷与飞行安全

时间:2022-07-29   访问量:1392

随着钛合金在航空工业中使用量的增加,钛合金质量的重要性显得愈加突出。在航空飞行史上,有不少飞行事故是由于钛合金的冶金缺陷引起零件的提前断裂,从而导致发动机和飞机的失效。这些缺陷与真空自耗熔炼的方法有直接的关系。据美国联邦航空局(FAA)的报道,从1962~1990年间,美国共有25起飞行事故是由和熔炼工艺有关的缺陷引起零件的失效或早期断裂造成的,这些事故几乎达到每年一次。而其中影响最为严重的冶金缺陷是硬α夹杂和高密度夹杂。有数据统计表明,能被检测出的硬α夹杂只占总数的1/100000,大部分的硬α夹杂没有被检测出来。因此,提高钛合金的冶金质量成为钛发展和研究的关键技术之一,直接影响航空发动机和飞机的使用可靠性。特别是在1989年,美国Iowa州Sioux城发生的DC-10坠机事件,造成111人遇难。经调查,事故原因是因CF6发动机的Ti-6Al-4V 钛合金一级风扇盘上存在硬α夹杂,造成了盘件的早期疲劳断裂。Sioux 城事件中的CF6发动机的一级风扇盘和叶片碎片如图2-1所示。

Sioux城事件中的CF6发动机的一级风扇盘和叶片碎片 

这次灾难性事故进一步说明了钛合金部件冶金质量的重要性。该事件之后,在美国FAA的资助下,成立了一个钛工业委员会,以指导钛合金工业界生产优质钛合金。同时也触动了航空发动机制造商和钛生产商致力于寻求解决钛合金中的硬α和高密度夹杂的方法,其中一个重要的途径是开发了冷炉床熔炼技术。
由于航空工业对钛生产商的产品冶金质量等方面的要求和压力,很大程度上限制了单纯采用两次或三次真空自耗电极电弧熔炼生产钛合金铸锭的应用。经过十余年冷炉床熔炼的实践,认为采用冷炉床熔炼技术对于消除硬α和高密度夹杂效果显著,并逐步在一些工业标准中实施,如一些公司在接受十多起“硬α缺陷”破坏性事故的严重教训后,已正式在企业标准中规定:关键性的发动机转子零件用钛合金必须经过一次冷炉床(电子束或等离子体)熔炼。
目前,我国航空用钛合金的熔炼一直采用真空自耗电极电弧炉熔炼(VAR)方法。对于质量要求高的钛合金铸锭,一般要经过三次VAR 熔炼,以获得成分均匀、缺陷率低的铸锭。在我国,用VAR工艺生产的钛合金铸锭、随后的半成品和铸件中曾发现过多起夹杂和成分偏析等冶金缺陷,严重影响了材料的使用可靠性,造成严重的经济损失。



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